DE1246027B - Logische Schaltung aus zwei in Stromuebernahme-schaltung geschalteten Transistoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche KL: 21 al-36/18

Nummer: 1 246 027

Aktenzeichen: T 31738 VIII a/21 al

Anmeldetag: 30. Juli 1966

Auslegetag: 3. August 1967

Die Erfindung betrifft eine logische Schaltung aus zwei Transistoren, deren Emitter zusammengeschlossen sind und über eine Stromeinprägeschaltung mit dem einen Pol und deren Kollektorwiderstände mit dem anderen Pol einer Versorgungsspannungsquelle verbunden sind und deren Transistoren einander entgegengesetzte Schaltzustände einnehmen, die in Abhängigkeit von der Ansteuerung wechseln.

Derartige Schaltungen sind unter anderem unter dem Namen emittergekoppelte Logik (ECL) bekannt und z. B. in »Nerem Record«, 1965, S. 174 und 175, beschrieben. Sie ereichen ihr Schaltverhalten des jeweils einander entgegengesetzten Leitfähigkeitszustandes beider Transistoren dadurch, daß die Basis des einen Transistors mit einer festen Vergleichsspannung und die Basis des anderen Transistors mit einem Signal angesteuert wird, dessen Spannungswerte (Signalhub) symmetrisch zur Vergleichsspannung liegen. Je nach dem Zustand des Signals ist dann der eine oder andere Transistor leitend, und zwar jeweils der, an dessen Basis die höhere Durchschaltspannung liegt. Der Kollektor des einen Transistors liefert somit die regenerierte Eingangsvariable, und am Kollektor des anderen Transistors liegt ihre Negation. Einen weitergehenden Verknüpfungswert erhalten diese Schaltungen nur dadurch, daß dem anderen Transistor mehrere Transistoren parallel geschaltet werden, deren jeder von einer anderen Variablen angesteuert wird. Auf diese Weise erweitert zeigen sie ein OR-NOR-Verhalten.

Die Erfindung gibt eine logische Schaltung der eingangs genannten Art an, die gegenüber den bekannten Schaltungen ohne zusätzlichen Aufwand einen erhöhten Verknüpfungswert aufweist. Der erhöhte Verknüpfungswert wird erfindungsgemäß dadurch gewonnen, daß in Reihe zum Steuerkreis des einen Transistors (T 2) eine Spannungsquelle (i/l) liegt, die eine gegenüber dem Spannungshub der Ansteuersignale kleinere Spannung, vorzugsweise die Spannung eines halben Ansteuersignalspannungshubes aufweist. Wird die den einen Transistor ansteuernde logische Variable mit B und die den anderen Transistor ansteuernde logische Variable mit A und das Verknüpfungsergebnis mit C bezeichnet, so ist bei der erfindungsgemäßen Schaltung C = A + Έ, C = Z-B, wo hingegen die bekannten Schaltungen nur C = /4, U = Z bilden.

Bezüglich der Weiterbildungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Im folgenden werden Beispiele zur Erfindung und ihren Weiterbildungen an Hand der Zeichnung erläutert. In dieser stellt dar

Logische Schaltung aus zwei in Stromübernahmeschaltung geschalteten Transistoren

Anmelder:

Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Herbert Stopper, Litzelstetten

F i g. 1 eine logische Schaltung nach der Erfindung,

F i g. 2 die Potentiallage der Ansteuersignale der Schaltung nach F i g. 1,

F i g. 3 eine Wertetabelle für die Schaltung nach Fig.l,

F i g. 4 die Schaltung der F i g. 1 mit Angaben über mögliche Einfügungsorte für eine Serienspannungsquelle in den Steuerkreis des einen Transistors,

F i g. 5 eine Schaltung zur Realisierung einer Serienspannungsquelle,

F i g. 6 Schaltungserläuterungen zur F i g. 5,

Fig.7 eine andere Möglichkeit zur Realisierung einer Serienspannungsquelle und

F i g. 8 eine logische Schaltung nach F i g. 5 mit Ansteuerschaltungen.

Teile, die in mehreren Figuren auftreten, tragen immer dieselben Bezeichnungen.

Die logische Schaltung der F i g. 1 besteht aus zwei Transistoren Tl und Tl, deren Kollektorwiderstände i?l an Masse führen und deren Emitter zusammengeschlossen sind und über eine Stromquelle Ql ebenfalls an Masse führen. Die Stromquelle Ql liefert einen konstanten Strom/, der kleiner als der Sättigungsstrom der Transistoren ist. Die Basis des Transistors Tl ist mit einer Eingangsklemme A und die Basis des Transistors Tl über eine Spannungsquelle Ol mit einer Eingangsklemme B verbunden. Die an den Eingangsklemmen A und B auftretenden logischen Signale mögen hier wie auch im weiteren die Namen ihrer Klemmen tragen. Die relative Lage der Signalspannungen zeigt die Fi g. 2. Das Potential der Signale für A = I und B = I gibt die oberste Linie U_A(A = 1), U_B(B = 1) an, dasjenige für A — 0 und 5 = 0 die Linie U_A(A = 0), U_B(B = 0). Die gegenüber U_B um Ul verminderte Ansteuerspannung U_B, des Transistors Tl Hegt für B = I zwischen den Spannungen U_A(A =1) und U_A(A = 0),

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vorzugsweise in der Mitte zwischen beiden [Linie zwei Widerständen R 5 und R 4, die in der genannten U_B,(B = I)]. Entsprechend ist U₁₃₁(B = 0) um den Reihenfolge zwischen Masse und dem Quellengleichen Betrag Ul gegenüber U₁)(B = 0) abgesenkt. anschlußpunkt (Punkt B' für die Quelle β 2) liegen. Bedingt durch den differenzverstärkerartigen Auf- Am Verbindungspunkt der Widerstände R 4 und R S bau der logischen Schaltung der Fig. 1 befindet sich 5 liegt der Emitter eines Transistors T3. Die Basis des jeweils der Transistor im niederohmigen Zustand, letzteren liegt an dem anderen Anschlußpunkt des dem die positivere Steuerspannung (bei npn-Transisto- Widerstandes R 4. Der Kollektor des Transistors ist ren) zugeführt wird. Unter Berücksichtigung dieser mit einer Hilfsspannung U 5 verbunden. Die Wir-Tatsache ergibt sich die Wertetabelle der F i g. 3 und kungsweise dieser Schaltung beruht auf der stark aus dieser C = A + Έ, ü = Ά · B. ίο gekrümmten Emitterkennlinie des Transistors, die

Solange die Ausgangssignale C und U der Schal- kleine Änderungen der Basis-Emitter-Spannung in tung potentialmäßig von den Eingangssignalen A große Änderungen des Emitterstromes übersetzt. und B getrennt betrachtet werden können, ist es Eine Änderung der Basis-Emitter-Spannung bewirkt zwar für die Dimensionierung der Schaltung, nicht eine gleichsinnige Änderung des Emitterstromes, die aber für ihre Funktion von Belang, in welcher 15 eine gleichsinnige Änderung der Spannung am Polung die Spannungsquelle Ul in Serie zur Basis Widerstand RS bewirkt. Der Transistor 73 verdes Transistors Tl eingeschaltet wird, sofern nur die ursacht also eine Einströmung in den aus den WiderBedingungen zur Vermeidung der Transistorsätti- ständen R 4 und R 5 aufgebauten Spannungsteiler, gung eingehalten werden. Wenn jedoch die Not- die die Basis-Emitter-Spannung konstant hält. Da wendigkeit besteht, mit den Ausgangssignalen C 20 der Basisstrom des Transistors gegenüber dem Strom und U wiederum gleichartige Schaltungen ohne gro- durch den Widerstand R 4 vernachlässigbar klein ist, ßen weiteren Aufwand zur potentialmäßigen An- bedeutet eine konstante Basis-Emitter-Spannung an gleichung durchzuführen, muß die Polung bei Ver- dem Transistor T3 auch einen konstanten Strom wendung von npn-Transistoren nach Fig. 1 vor- durch diesen Widerstand. Die Werte der Widergenommen werden. 25 stände A4 und R5 sowie die Spannung U5 richten

Auch ist es für die Funktion der Schaltung be- sich nach dem zu erzielenden Strom. Die Stromlanglos, an welcher Stelle im Steuerkreis des Tran- quellen β 1 und β 2 werden daher in der Regel eine sistors Γ2 die Spannung U1 eingeführt wird. Dies unterschiedliche Dimensionierung aufweisen. Die zeigt die Fig. 4. In ihr wird die EingangsklemmeB wesentlichen Vorteile dieser Stromquelle liegen in der Schaltung nach Fig. 1 über einen Signalspan- 30 ihrer niedrigen Verlustleistung und ihrer Kapazitätsnungsgenerator G mit Masse verbunden, und der armut. Die letztere ist vor allem in bezug auf mono-Steuerkreis des Transistors schließt sich, von diesem lithisch integrierte Schaltungen wesentlich. In dieser Massepunkt ausgehend, über die Stromquelle Ql Technik weisen die Transistoren nämlich zwischen und seine Emitter-Basis-Strecke. Stellen, an denen dem Kollektor und Masse eine erhebliche Kapazität die Spannungsquelle Ul wahlweise eingefügt werden 35 auf, die die Verwendung der Kollektor-Emitterkann, sind angekreuzt. Danach kann diese in die Strecke solcher Transistoren als Stromregelglied bei Emitterzuleitung des Transistors Tl oder zwischen sehr hohen Frequenzen nahezu unmöglich macht,
seine Basis und den Signalgenerator an beliebiger In Verbindung mit der F i g. 4 wurde ausgeführt, Stelle oder zwischen den Signalgenerator G und daß die Spannungsquelle auch zwischen dem Signal-Masse eingefügt werden. Ihre Einfügung zwischen 40 generator G und Masse eingefügt werden kann. Jede der Basis und dem Signalgenerator, insbesondere Logikschaltung dient als Signalgenerator für andere hier zwischen Basis und der Eingangsklemme B ist ihr nachfolgende Schaltungen. Da als Innenwiderlediglich eine bevorzugte Ausführungsform, und auf stand der zur Diskussion stehenden Schaltungen die diese wird im folgenden weiter eingegangen. Kollektorwiderstände R1 der Transistoren Γ1 und

In Fig. 5 wird die Spannungsquelle Ul der 45 Tl (s. Fig. 1) betrachtet werden müssen, ist die Fig. 1 von einer Stromquelle β2 und einem Wider- Spannungsquelle Ul zwischen Masse und dem Kolstand R 2 gebildet. Die Stromquelle β 2 liegt zwi- lektorwiderstand R1 des betreffenden Ausgangs einschen der Basis des Transistors Tl und z.B. Masse zuführen. Diese Maßnahme zeigt die Fig. 7. Dort und liefert einen Strom UlIRl, gegen den der Basis- liegt eine Spannungsquelle Ul zwischen dem Widerstrom des Transistors Γ2 vernachlässigbar ist. Der 50 stand Rl des Ausgangs C und Masse. In einem Widerstand R1 liegt zwischen der Basis und der System, das Schaltungen nach F i g. 7 benutzt, dür-Eingangsklemme B. Unter der Voraussetzung einer fen C-Ausgänge nur auf ß-Eingänge und Ü-Ausniederohmigen Ansteuerung der Eingangsklemme B gänge auf Λ-Eingänge geschaltet werden. Diese Einist die Spannung an der Basis des Transistors Γ2 schränkung hat ihren Grund darin, daß die beiden um (UlIRl)Rl bei allen Ansteuerungen der Ein- 55 Transistoren Tl und Tl jeder Schaltung untergangsklemme B negativer als das Signal B. schiedliche Versorgungsspannungen und damit

Eine erste Realisierungsmöglichkeit für die Strom- unterschiedliche Kollektorspannungen haben und inquelle Q1 ebenso für die Stromquelle β 1 besteht in folgedessen aus Gründen des Transistorsättigungsder Hintereinanderschaltung einer Spannungsquelle Schutzes maximale Steuerspannungen unterschied- Ul mit einem Widerstand R 3, wobei der letztere 60 licher Größe zulassen. Natürlich ist es auch möggroß gegenüber dem Widerstand R2 sein muß (im lieh, eine Spannungsquelle i/l nur in den Kollektor-Fall Ql), um die in Verbindung mit Fig. 5 definier- zweig des Transistors Tl zu legen, wobei entspreten Eigenschaften der Stromquelle annähernd auf- chende Ansteuerungseinschränkungen zu berückzuweisen. Diese erste Realisierungsmöglichkeit zeigt sichtigen sind ebenso wie Potentialanpassungen für die Fig. 6a. 65 diesen Transistor.

Eine zweite Ausführungsform der Stromquellen Die Fig. 8 zeigt nochmals die Schaltung nach

zeigt die Fig. 6b. Hier besteht die Stromquelle aus F i g. 5, jedoch in erweiterter Form. Die Stromquellen

einer Reihenschaltung einer Spannungsquelle U3 mit ßl und β2 der Fig. 5 sind hier durch solche nach

F i g. 6 b ersetzt, wodurch die Schaltung gut geeignet wird zur Herstellung in monolithisch integrierter Technik. Beide Stromquellen haben eine gemeinsame Spannungsquelle t/3 = — U. Die EingangsklemmeA wird von zwei Emitterfolgern angesteuert. Diese werden von Transistoren Γ 41 und T 42 und einem beiden Transistoren gemeinsamen Emitterwiderstand R6 gebildet. Die Kollektoren dieser Transistoren liegen an Masse. Es ist also: A — A1 + A 2. In gleicher Weise bilden zwei weitere Transistoren T 51 und T52 mit dem Widerstand R 2 und der im Basiszweig des Transistors T 2 liegenden Stromquelle Q 2 zwei Emitterfolger. Da diese den von der Stromquelle gelieferten Strom aufnehmen, kann die letztere als geregelter Emitterwiderstand aufgefaßt werden. Die Einführung der Stromquelle Q 2 bringt danach keine zusätzliche Verlustleistung für die Schaltung mit sich. Dies ist vor allem für Schaltungen in integrierter Technik wesentlich. Für die Ansteuerung der Eingangsklemme B gilt: B = Bl + 52. Somit ist

Temperaturkoeffizient seiner Widerstände mit demjenigen der anderen Widerstände übereinstimmt.

Die Fig. 8b zeigt das Block-Schaltbild der Schaltung der F i g. 8 a. Durch eine Verbindung des Aüsganges U mit dem Eingang Bl (oder B 2) wird die Anordnung zu einem vollständigen Flip-Flop mit A1 oder A 2 als Setzeingang und B 2 als Löscheingang. Zur Durchführung dieser Aufgabe würden sonst zwei OR/NOR-Glieder nach dem angeführten Stand der Technik benötigt. Der Verknüpfungswert der Logik der erfindungsgemäßen Schaltung geht also weit über denjenigen der bekannten Schaltungen hinaus, ohne daß ihre Verlustleistung und ihre Schaltverzögerung durch die zusätzlichen Ansteuertransistoren Γ 51 und T 52 wesentlich gestiegen wären.

Die erfindungsgemäße Schaltung läßt sich in allen Technologien ausführen. Besonders vorteilhaft ist die Schaltung nach F i g. 8 zur Ausbildung in monolithisch integrierter Form.

Diese Funktion kann natürlich durch Anschaltung weiterer Transistoren T4i und TSi erweitert werden auf

= Al-.+ A 2 + ... +Αϊ

Ebenso ist es möglich, die Funktion durch Parallelschaltung mehrerer Transistoren zu den Transistoren Tl und Γ2 zu erweitern. In diesem Fall muß jeder dieser Transistoren in analoger Weise zu den Transistoren Tl und Γ2 in Fig. 8a angesteuert werden.

Die Transistoren T 41, Γ 42 und T 51, T 52 tragen neben der Verknüpfungsfunktion noch die der Potentialangleichung. Die Ausgangssignale C, C der Schaltung der Fig. 8a nehmen wahlweise die Spannungen OVoIt und —I'Rl an. Sie werden unmittelbar zur Ansteuerung der Transistoren T 41, Γ42 bzw. Γ 51, Γ 52 gleichartiger Schaltungen verwendet. Die Signalspannungen an den Punkten A und B sind somit um den Spannungsabfall an der Emitterdiode der ihnen jeweils vorgeschalteten Transistoren niedriger als die Ausgangsspannungen von C und C. Auf diese Weise ist ein sättigungsfreies Arbeiten des Transistors Tl (Kollektor-Basis-Spannung ist positiv) gewährleistet.

Bei vergleichenden Aufwandsbetrachtungen kann auf den ersten Blick der Eindruck entstehen, daß die erfindungsgemäße Schaltung bei Benutzung einer Stromquelle nach Fig. 6b zur Erzeugung der Spannung Ul einen Transistor mehr als vergleichbare Schaltungen nach dem Stand der Technik benötige. Dies ist aber nicht der Fall. Um nämlich das Arbeiten der bekannten Schaltungen in einem größeren Temperaturbereich zu ermöglichen, wird dem einen Transistor dieser Schaltungen die Vergleichsspannung über eine als Emitterfolger arbeitende Transistorstufe zugeführt, welche der Vergleichsspannung den gewünschten Temperaturgang verleiht. Diesen an sich notwendigen Temperaturgang der Ansteuerspannung des Transistors Γ2 zur Einhaltung eines optimalen Störabstandes und zur Vermeidung der Transistorsättigung bringt die Stromquelle Q 2 dann genau,'wenn der Temperaturkoeffizient seines Transistors mit dem der anderen Transistoren und der

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Logische Schaltung aus zwei in Stromübernahmeschaltung geschalteten Transistoren, deren Emitter über eine Stromeinprägeschaltung mit dem einen Pol und deren Kollektorwiderstände mit dem anderen Pol einer Versorgungsspannungsquelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zum Steuerkreis des einen Transistors (Γ2) eine Spannungsquelle (U 1) liegt, die eine gegenüber dem Spannungshub der Ansteuersignale kleinere Spannung, vorzugsweise die Spannung eines halben Ansteuersignalspannungshubes aufweist.

2. Logische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (Ul) so gepolt ist, daß sie die zwischen der Basis des einen Transistors (T 2) und dem einen Pol (-U) der Versorgungsspannungsquelle liegende Ansteuerspannung erniedrigt.

3. Logische Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erniedrigung der Ansteuerspannung zwischen der Basis des einen Transistors (T2) und einer Ableitspannung (!72) ein erster Widerstand (R 3) und zwischen dieser Basis und dem Impulszuführungspunkt (B) ein zweiter gegenüber dem ersten Widerstand niederohmiger Widerstand (R 2) liegt und daß die Ableitspannung eine solche Größe aufweist, daß die Teilspannung an dem zweiten Widerstand gleich der Spannung eines halben Ansteuer-Signalspannungshubes ist.

4. Logische Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet/daß der erste Widerstand (R 3) von einer Regelschaltung (R 4, R 5, Γ 3) gebildet wird, die unabhängig von ihrer Belastung einen im wesentlichen konstanten Strom liefert.

5. Logische Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung aus der Reihenschaltung zweier Widerstände (R 4, R 5) besteht, von deren Verbindungspunkt die Laststrecke eines dritten Transistors (T3) zu einer HilfsSpannung (U5) führt, dessen Steuerstrecke an dem der Basis des einen Transistors (T 2) zugewandten Widerstand (R 4) liegt, und daß die Hilfsspannung (U 5) eine derartige Größe

und die beiden Widerstände (R 4, R 5) derart bemessen sind, daß der Spannungsabfall an dem den dritten Transistor (T 3) steuernden Widerstand^ 4) unabhängig von der jeweiligen Ansteuerung des einen Transistors (Γ2) im wesentliehen konstant bleibt.

6. Logische Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ihre beiden Transistoren (Tl, Tl) über Emitterfolgestufen angesteuert werden und daß die Reihenschaltung des ersten (R3) und zweiten Widerstandes (R2)

den Emitterwiderstand der den einen Transistor (Tl) ansteuernden Emitterfolgestufe bildet.

7. Logische Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (Ul) zwischen dem Kollektorwiderstand (Rl) des einen Transistors (T 2) und dem anderen Pol der Versorgungsspannungsquelle (U) liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1196 241;
Elektronische Rechenanlagen, 1959, H. 1, S. 22.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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