DE1464340B2

DE1464340B2 - Schneller kopplungsschaltkreis

Info

Publication number: DE1464340B2
Application number: DE1962P0029987
Authority: DE
Inventors: James L. Panorama City Calif. Buie (V.StA.)
Original assignee: TRW Semiconductors Inc., Lawndale, Calif. (V.StA.)
Priority date: 1961-09-08
Filing date: 1962-08-09
Publication date: 1973-05-10
Also published as: GB1002734A; JPS5144638B1; US3283170A; JPS4812661B1; NL282779A; DE1464340A1

Description

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lung mit zwei antiparallelgeschalteten Dioden ist be- hatten die Kopplungstransistoren getrennt gemessene

sonders empfindlich gegenüber einer Fehlanpassung. Speicherzeiten von annähernd 20 Nanosekunden.

Alle bekannten Kopplungsarten erfordern ge- Ähnlich kurze Schaltzeiten ließen sich mit Dioden

trennte Lastimpedanzen in der angesteuerten Stufe nur erzielen, wenn diese eine Erholungszeit von

und sind daher in bezug auf die Zahl der erforder- 5 zwei Nanosekunden hatten.

liehen Bauelemente unwirtschaftlich. Besonders Durch die Einprägung eines konstanten, Sätti-

hoch ist die Zahl der erforderlichen Bauelemente, gung hervorrufenden Basisstromes mittels einer

wenn eine Mehrfachkopplung verwirklicht werden Konstantstromquelle und die entsprechende, oben

soll. erläuterte Wirkungsweise unterscheidet sich der er-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen io findungsgemäße Kopplungsschaltkreis grundsätzlich

sehr schnell arbeitenden und gegenüber Anpassungs- von anderen bekannten Schaltungen mit Transisto-

fehlern unempfindlichen Kopplungsschaltkreis für ren, bei denen eine Transistorstufe dadurch, daß sie

binärarbeitende Transistorschaltungen zu schaffen, zwischen zwei anderen Transistorstufen angeordnet

der einfach ausgebildet und insbesondere in Form ist, neben einer bestimmten Hauptfunktion auch die

der integrierten Schaltung einfach herstellbar ist. 15 Funktion der Kopplung der beiden anderen Transi-

Der diese Aufgabe lösende Kopplungsschaltkreis storstufen hat. So ist z. B. aus der deutschen Ausnach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß legeschrift 1054118 eine regenerative wahlweise der Kopplungsschaltkreis einen Kopplungstransistor Oder-Schaltung bekannt, bei welcher ein Transistor vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der erste und mit seiner 'KoJlektor-Emitter-Strecke zwischen zweite Transistor umfaßt, dessen Emitter-Kollektor- 20 einem eine binäre Schaltvariable erzeugenden Schal-Strecke den ausschließlich an den Kopplungstransi- ter, der dadurch einem Schalttransistor vergleichbar stör angeschlossenen Emitter oder Kollektor des ist, und der Basis eines zweiten Transistors liegt. Der ersten Transistors mit der Basis des zweiten Transi- erste Transistor hat nicht die Funktion, den Schaltstors verbindet und dessen Basis an eine Konstant- zustand der Schaltvariablen zum zweiten Transistor stromquelle angeschlossen ist, welche den Kopp- 25 rein passiv weiterzugeben, sondern bildet zusammen lungstransistor stets im Sättigungszustand hält. mit dem zweiten Transistor eine funktionelle Einheit

Der erfindungsgemäße Kopplungsschaltkreis hat zur Erzielung des bistabilen Verhaltens der Schaldie wesentliche Eigenschaft, daß der Kopplungs- tung. Die Basis des ersten Transistors ist zwar mit transistor durch die Konstantstromquelle einen Ba- einer Spannungsquelle verbunden, doch ist diese sisstrom eingeprägt erhält, durch den der Kopp- 30 keine Konstantstromquelle und außerdem derart gelungstransistor ständig in der Sättigung leitend ist. polt, daß sie den ersten Transistor keinesfalls im Je nach Leitzustand des ersten Transistors, von dem Sättigungszustand zu halten vermag. Aus der deutein Signal auf einen zweiten gekoppelt werden soll, sehen Auslegeschrift 1 069 909 ist ein logisches Netzfließt der Basisstrom des Kopplungstransistors zum werk bekannt, bei welcher in ähnlicher Weise ein einen als Emitter- oder Kollektorstrom des ersten 35 Transistor mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke zwi- und zum anderen als Basisstrom des zweiten Transi- sehen einem eine Schaltvariable erzeugenden Schalstors. Entsprechend dem ununterbrochen gleichsin- ter und der Basis eines zweiten Transistors liegt, nigen Stromfluß des Basisstromes des Kopplungs- Auch hier dient der erste Transistor nicht lediglich transistors ist dessen Basis in bezug auf den Kollek- der Kopplung, sondern ist funktioneller Bestandteil tor stets in Durchlaßrichtung vorgespannt, wodurch 40 der Schaltung und notwendig für die Erzielung der die in der Kollektorzone anwesenden Minoritäts- angestrebten logischen Verknüpfung. Dies geht unter träger eine praktisch konstante Gesamtladung haben. anderem daraus hervor, daß zwei Elektroden des Es tritt höchstens eine sehr geringe Änderung der Transistors, wovon die eine die Basiselektrode ist, durch die Minoritätsträger gegebenen Ladungsver- Schaltvariable zugeführt werden. Durch eine Vorteilung in der Basis- und der Kollektorzone während 45 spannung zur Basis des ersten Transistors, die auch eines Schaltvorganges ein. Da also eine Trägerspei- fortgelassen werden kann, wird dieser nicht ständig cherung im Basisstrom des Kopplungstransistors im Sättigungszustand gehalten. Aus der deutschen nicht wirksam werden kann, hat der erfindungsge- Auslegeschrift 1 065 876 sind Schaltungen für einen mäße Kopplungsschaltkreis sehr kurze Schaltzeiten, impulsgesteuerten Schalttransistor bekannt, durch die die wesentlich niedriger als bei einer Widerstands- 50 dessen Schaltgeschwindigkeit erhöht werden soll. Der oder Widerstands-Kondensatorkopplung sind und in Emitter des Schalttransistors ist über eine Konstantder Größenordnung der mit der Diodenkopplung stromquelle mit Masse verbunden. Parallel zur Konerzielbaren Schaltzeiten liegen. Hierbei kommt es stantstromquelle verläuft ein Strompfad über die jedoch im Gegensatz zur Diodenkopplung nicht auf Emitter-Kollektor-Strecke eines weiteren, mit seiner die der Erholungszeit der Dioden entsprechenden 55 Basis an Masse liegenden Transistors. Der Strompfad Speicherzeit des Kopplungstransistors, nämlich die übernimmt im Abschaltfalle den sonst durch den zum Abbau der Sättigung des Transistors erforder- Schalttransistor fließenden Strom der Konstantstromliche Zeit an, da sich, wie ausgeführt, die Gesamt- quelle. Der weitere Transistor arbeitet in der übliladung an Minoritätsträgern im Transistor durch den chen Basisschaltung und befindet sich in Abhängig-Schaltvorgang nicht ändert, während dies bei Dioden 60 keit vom Schaltzustand des Schalttransistors höchstens als Kopplungsmittel der Fall ist. Obwohl es schwie- zeitweise im Sättigungszustand. Weitere Anordnunrig ist, die obige Hypothese über den Wirkungs- gen, in denen ein Transistor in üblicher Weise in mechanismus des erfindungsgemäßen Kopplungs- Basisschaltung, also mit festem Potential an der Basis, Schaltkreises meßtechnisch zu bestätigen, haben arbeitet, sind z. B. aus der deutschen Auslegeschrift Messungen der Schalt- bzw. Verzögerungszeiten von 65 1 099 244 und aus »Frequenz«, Band 14/1960, Nr. 1, Kopplungsschaltkreisen nach der Erfindung mit S. 6 bis 10, insbesondere im Zusammenhang logi-Silicium-npn-Kopplungstransistoren typische Werte scher Verknüpfungsschaltungen, bekannt. Aber auch von weniger als eine Nanosekunde gezeigt. Dabei bei keiner dieser bekannten Anordnungen ist ein

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Transistor ausschließlich zur Kopplung vorgesehen liehe Kopplung zwischen mehreren ersten Transisto-

oder wird wie bei der Erfindung an der Basis mit ren und einem oder mehreren zweiten Transistoren

einem Konstantstrom beaufschlagt, der ihn stets im ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ein

Sättigungszustand hält. Kopplungstransistor mit mehreren Emittern vorge-

Der erfindungsgemäße Kopplungsschaltkreis hat 5 sehen, welche jeweils mit dem Kollektor eines der

den bereits erwähnten Vorteil der sehr kurzen Schalt- ersten, in Emitterschaltung arbeitenden Transistoren

oder Verzögerungszeit. Diese ist natürlich nicht kür- verbunden sind. Auf diese Weise ist die Mehrfach-

zer als bei einer direkten Kopplung. Gegenüber die- Kopplung sehr einfach mit nur einem einzigen Kopp-

ser ergibt sich jedoch mit der Erfindung der Vorteil, lungstransistor verwirklicht. Eine bevorzugte Kon-

daß die beiden Transistoren, zwischen denen der io struktion eines für die Mehrfach-Kopplung geeigne-

Kopplungstransistor liegt, durch diesen elektrisch ■ ten Kopplungstransistors geht von einer Struktur

voneinander getrennt sind. Dies führt zu einer größe- etwa gemäß der USA.-Patentschrift 2 981 877 aus,

ren Freiheit beim Schaltungsentwurf. So müssen bei bei der in einen Körper aus Halbleitermaterial hohen

einer direkten Kopplung alle Emitter der Transisto- spezifischen Widerstandes mindestens drei ineinander

ren jeweils eines bestimmten Teils einer Schaltung 15 liegende Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps

auf gemeinsamem Potential liegen. Bei Anwendung eingelassen, z. B. eindiffundiert sind, und ist gemäß

erfindungsgemäßer Kopplungsschaltkreise ist eine der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß in die

derartige Einschränkung nicht notwendig. Zwar kön- zweite, die Basis des Transistors bildende Zone min-

nen trotzdem auch bei einer direkten Kopplung die destens zwei voneinander getrennte Zonen unterein-

gleichen Schaltungsfunktionen erreicht werden, je- ao ander gleichen Leitfähigkeitstyps als Emitterzonen

doch nur durch Verwendung von mehr komplexen eingelassen sind. -

Schaltelementen mit entsprechend höheren Kosten Andere zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin- ([· g

und einer geringeren Betriebssicherheit. Bei der Er- dung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet. Im

findung gibt es ferner keine Strom-Instabilität, die bei folgenden wird die Erfindung mit weiteren vorteil-

einer direkten Kopplung nur durch sehr enge Her- 25 haften Einzelheiten an Hand mehrerer in den Zeich-

stellungstoleranzen insbesondere in bezug auf die nungen schematisch dargestellter Ausführungsbei-

Basiskennlinien und durch eine mäßige Erhöhung spiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

des Basiseingangswiderstandes, dies jedoch auf F i g. 1 das Schaltbild eines Kopplungsschaltkreises

Kosten der Schaltgeschwindigkeit vermieden werden zwischen einem ersten und einem zweiten npn-Tran-

könnte. Von besonderem Vorteil ist die Unempfind- 30 sistor,

lichkeit des erfindungsgemäßen Kopplungsschaltkrei- F i g. 2 das Schaltbild eines Kopplungsschaltkreises

ses gegenüber einer Fehlanpassung zu den Transisto- zwischen einem ersten und einem zweiten pnp-Tran-

ren bzw. Transistorstufen, zwischen die der Kopp- sistor,

lungsschaltkreis eingefügt ist. Dies wird in der Figu- F i g. 3 das Schaltbild eines Kopplungsschaltkreises renbeschreibung an Hand eines Beispiels genauer er- 35 zwischen mehreren ersten und einem zweiten Tranläutert. Auf Grund der Unempfindlichkeit gegenüber sistor,

Fehlanpassung mit einer entsprechend niedrigen An- F i g. 4 das Schaltbild zweier Kopplungsschaltforderung an die Gleichmäßigkeit der zu koppelnden kreise zwischen einem gemeinsamen ersten Transistor Transistorstufen eignet sich der neue Kopplungs- und jeweils einem zweiten Transistor,
Schaltkreis insbesondere für die Herstellung integrier^ 40 F i g. 5 die Draufsicht auf einen Ausschnitt aus ter Schaltungen, bei der ja keine so genaue Einhai- einer integrierten Schaltung, welcher einen Kopptung der Schaltungsparameter wie bei der Herstel- lungstransistor mit zwei Emittern enthält,
lung diskreter Bauelemente möglich ist. Der neue F i g. 6 den Querschnitt zu F i g. 5, ( Kopplungsschaltkreis gewährleistet im Gegensatz zu F i g. 7 das Schaltbild einer logischen Transistoreiner direkten Kopplung daher eine hohe Ausbeute 45 schaltung mit bekannter, direkter Kopplung,
bei der Herstellung integrierter Schaltungen. Bei An- F i g. 8 das Schaltbild einer logischen Transistorwendung des neuen Kopplungsschaltkreises können schaltung mit Kopplung nach der Erfindung, die die ferner logische Schaltungen mit unterschiedlichem gleiche logische Funktion wie die Schaltung nach Spannungsbedarf bezüglich der zu verarbeitenden F i g. 7 verwirklicht,

Schaltvariablen zusammengeschaltet werden. So kön- 50 F i g. 9 das Schaltbild einer anderen logischen nen z. B. vom gleichen Ausgang aus gleichzeitig ein Transistorschaltung mit bekannter direkter Kopp-Modul mit Kopplungsschaltkreisen nach der Erfin- lung,

dung, bei dem die Schaltvariable die Spannungen 0,2 F i g. 10 das Schaltbild einer logischen Transistor- ! und 0,8 Volt haben soll, und eine andere logische schaltung mit Kopplung nach der Erfindung, die die

Schaltung, die eine Eingangsvariable mit 0,2 und 55 gleiche logische Funktion wie die Schaltung nach

5 Volt erfordert, angesteuert werden. Trotz dieser be- F i g. 9 verwirklicht.

achtlichen Vorteile ist der erfindungsgemäße Kopp- In F i g. 1 ist ein Kopplungstransistor 10 vom npn-

lungsschaltkreis sehr einfach aufgebaut und mit wenig Typ gezeigt, der zwischen einem ersten Transistor 11

Aufwand zu verwirklichen. Der erforderliche Auf- und einem zweiten Transistor 12 liegt, die beide vom

wand wird auch dann nicht höher, wenn mehrere 60 gleichen npn-Typ sind. Die Emitterelektrode 15 des

erste Transistoren parallel mit einem oder mehreren Kopplungstransistors 10 ist mit der Kollektorelekzweiten, parallel arbeitenden Transistoren gekoppelt trode 20 des Transistors 11 verbunden, während die

werden sollen. Ob es sich bei den zu koppelnden Kollektorelektrode 16 des Kopplungstransistors 10

Transistoren und dem Kopplungstransistor um npn- mit der Basiselektrode 30 des Transistors 12 verbun-

oder pnp-Typen handelt, spielt keine Rolle. Es müs- 65 den ist. Die Emitterelektroden 21 und 31 der Tran-

sen lediglich alle Transistoren vom gleichen Leit- sistoren 11 und 12 sind beide mit Masse verbunden,

fähigkeitstyp sein. Die Basiselektrode 17 des Kopplungstransistors 10

Für die mit dem neuen Kopplungsschaltkreis mög- ist mit einer Quelle positiven Potentials +B über

einen Widerstand 14 verbunden, durch den die Quelle praktisch als Konstantstromquelle wirkt.

Die Wirkungsweise der Transistorschaltung gemäß F i g. 1 ist die folgende:

An der Basiselektrode 22 des Transistors 11 wird ein Signal empfangen, das diesen Transistor einschaltet. Die Kollektor-Emitterspannung V_CE dieses Transistors wird dann bei ihrem Sättigungswert liegen, von dem angenommen werden soll, daß er etwa 0,2VoIt beträgt. Von der Quelle +B fließt Strom durch den Widerstand 14 und die in Vorwärtsrichtung vorgespannte Basis-Emitter-Strecke des Kopplungstransistors 10 zur Kollektorelektrode 20 des ersten Transistors 11 und durch diesen nach Masse. Der Emitter 15 des Kopplungstransistors 10 hat daher ein oberhalb Massepotential liegendes Potential. Der Kopplungstransistor 10 kann also als eingeschaltet betrachtet werden oder als gesättigt, da er einen starken Strom von der Basis zum Emitter führt. Die Kollektor-Emitter-Spannung des Kopplungstransistors ist daher sehr niedrig; ein typischer Wert liegt bei 0,1 Volt oder weniger. Diese Spannung wird mit Vi bezeichnet, wobei

KT

In— und

0,026 Volt ist.

*⁵

B ist die Kurzschluß-Stromverstärkung, vorwärts, für Emitterschaltung und B₁ die Stromübersetzung, rückwärts, für Emitterschaltung.

Daher ist die Spannung zwischen dem Kollektor des Kopplungstransistors 10 und Masse annähernd ^vcß(Sät) + Vi *=» 0,3 Volt, wenn der Transistor 12 keinen Strom liefert. Wenn ein »Fehler« an der Basis des Transistors 12 und dadurch eine wesentliche Stromlieferung zum Kopplungstransistor 10 aufträte (in einer Höhe, die sich dem Gesamtstrom nähert, der zum Transistor 11 geliefert wird), würde die Kollektor-Masse-Spannung des Kopplungstransistors 10 nur bis etwa 2 F_C£(Säy oder 0,4 Volt steigen. Der Transistor 12 würde ausgeschaltet bleiben, da die erforderliche Spannung für das Arbeiten des Transistors zwischen Basis und Masse annähernd V_BE(Sät) oder 0,75 Volt ist. Es ergibt sich daraus, daß der Kopplungstransistor einen Weg niedriger Impedanz vom Kollektor 20 des Transistors 11 zur Basis 30 des Transistors 12 schafft. So wirkt der Kopplungstransistor während dieser Periode wie ein direkter Leiter zwischen den beiden Stufen, was eine erwünschte Verbindungsart ist.

Wenn der Transistor 11 abgeschaltet ist, fließt kein Strom aus dem Emitter 15 des Kopplungstransistors 10. Daher erhöht sich die Basisspannung bis zu +B. Wenn sich die Basisspannung bis zur Sättigungsspannung V_BE erhöht oder bis annähernd 0,7 Volt, fließt Strom von +B durch den Widerstand 14 und die in Vorwärtsrichtung vorgespannte Basis-Kollektor-Strecke des Kopplungstransistors zur Basis 30 des Transistors 12, wodurch dieser Transistor eingeschaltet wird.

Die nachfolgende Diskussion wird zeigen, daß Fehler in den über die neue Schaltungsanordnung miteinander gekoppelten Stufen zulässig sind. Unter »Fehler« sei ein Nebenschluß verstanden. Er kann verursacht sein durch innere oder äußere Impedanzen, die nicht vorgesehen, sondern unbeabsichtigt vorhanden sind. Der zulässige Grad des Fehlers hängt von der Transistortype ab, die für die Kopplung verwendet wird, d. h. er hängt davon ab, ob der Transistor ein hohes oder niedriges inverses Beta hat. Er hängt auch ab von der Höhe der Speisespannung und dem Wert des Widerstandes zwischen der Quelle und der Basis des Kopplungstransistors. Spezieller ausgedrückt kann man sagen, daß ein Fehler eines Wertes, der größer oder gleich dem Wert R des Widerstands 14 ist, z. B. von der Basis 30 des Transistors 12 zur Masse zugelassen werden kann. In dem Falle, daß der Transistor 12 abgeschaltet ist, soll er abgeschaltet bleiben auch in Gegenwart eines fehlerhaften Widerstandsweges. Wenn sich in diesem Falle der Wert des Fehlers Null nähert, d. h. praktisch bei einem Kurzschluß zur Masse, so bleibt der Transistor sicherlich abgeschaltet, da dieser Weg eine niedrige Impedanz für den Stromfluß von +B bildet und entsprechend das vorhandene Potential nicht .ausreicht, um den Transistor einzuschalten. Wenn der Wert von R gegen Unendlich zunimmt, würde die Wirkungsweise der Schaltung unbeeinflußt sein, da dies dem Idealfall nahekommt, bei dem überhaupt kein Nebenschluß vorhanden ist.

In dem Falle, in dem der Transistor 12 eingeschaltet ist, muß jedoch der Nebenschluß eine gewisse Mindestimpedanz haben. Wenn R sich dem Wert Unendlich nähert, bleibt die Wirkungsweise der Schaltung wiederum unbeeinflußt. Aber wenn der Fehlerwiderstand kleiner wird und sich R nähert, muß dafür gesorgt werden, daß mindestens eine gewisse Spannung an der Basis des Transistors 12 aufrechterhalten bleibt, damit er nicht abschaltet. Wenn man annimmt, daß wenigstens 0,75 Volt erforderlich sind, um den Transistor eingeschaltet zu halten, und daß der Wert von +B festliegt, daß ferner der innere Spannungsabfall der Basis-Kollektor-Diode des Transistors 10 0,7VoIt beträgt, dann muß der Fehlerwiderstand von der Basis des Transistors 12 zur Masse wenigstens gleich R sein. Daraus folgt im Beispiel, daß +B wenigstens 2 · (0,75) + 0,7 = 2,2 Volt sein muß. Ein typischer Wert von R, d. h. dem Widerstand 14, ist 1000 Ohm. Dann kann der von der Schaltung tolerierte Fehlerwiderstand in allen Fällen eines Fehlers zwischen Basis und Masse beim Transistor 12 von 1000 Ohm bis unendlich variieren, was ein beträchtlicher Bereich ist. Wenn R 100 Ohm wäre, könnte sich der Bereich von annähernd 100 Ohm bis unendlich erstrecken.

In ähnlicher Weise kann ein Fehler mit einem Wert größer oder gleich R zugelassen werden zwischen der Basis 30 und dem Kollektor 32 des Transistors 12. Es wird zunächst angenommen, daß der Kollektor 32 mit einem weiteren Kopplungstransistor ähnlich dem Transistor 10 abgeschlossen ist. Dann könnte der Transistor 12, der abgeschaltet sei, wegen der Quelle -\-B für diesen zweiten Kopplungstransistor einzuschalten versuchen..Dies wird jedoch nicht eintreten, da der Kopplungstransistor 10 eine niedrige Impedanz für den Eingangstransistor 12 bildet und dieser eine niedrige Impedanz nach Masse hat. Kollektor und Emitter des Kopplungstransistors haben annähernd gleiches Potential, das sich nur um einen Betrag von etwa 0,1 Volt unterscheidet. Es kann in ähnlicher Weise gezeigt werden, daß ein Fehler mit einem Wert größer oder gleich R zugelassen werden kann vom Kollektor 20 des Transistors 11 nach Masse. Wenn der Transistor 11 eingeschaltet ist und dieser Fehlerwiderstand existiert, ist die Wirkungsweise im wesentlichen unbeeinflußt, da der

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Transistor einen Weg niedrigerer Impedanz nach kopplung. Ihre Wirkungsweise ist derart, daß der-

Masse bildet als der Fehlerwiderstand. Wenn ande- jenige erste Transistor, der eingeschaltet ist, die Be-

rerseits der Transistor 11 abgeschaltet ist, ist die triebsweise steuert. Es brauchen also nicht beide

Spannung am Kollektor des Kopplungstransistors ersten Transistoren gleichzeitig eingeschaltet zu sein;

etwas höher als die des Emitters. Sie hat den erfor- S Ein gegebenenfalls abgeschalteter erster Transistor

derlichen Wert von 0,75 Volt, um den Transistor 12 zieht keinen Strom, und der mit diesem abgeschalte-

einzuschalten. Der Transistor 12 bleibt beim Vor- ten Transistor verbundene Emitter des Kopplungs-

handensein eines Widerstands parallel zum Transi- transistors nimmt ein beliebiges positives Potential in

stör 11 eingeschaltet, da zwischen Basis und Emitter der Nähe der Durchbruchspannung der Emitter-

des Transistors 12 0,75 Volt auch dann noch erschei- io Basis-Grenzschicht des abgeschalteten ersten Transi-

nen, wenn nur 0,65 Volt über dem Widerstand vom stors an.

Kollektor "20 des Transistors 11 zur Masse abfallen. Zwei allgemeine Fälle müssen diskutiert werden. Dies setzt einen Spannungsabfall von 0,7VoIt zwi- Wenn beide ersten Transistoren 80 und 81 abgeschalschen Basis und Kollektor des Kopplungstransistors tet sind, liefert der Kopplungstransistor 70 Strom und einen ' Spannungsabfall von 0,8 Volt zwischen 15 zum Einschalten des zweiten Transistors 90. Wenn Basis und Emitter des^H'Kopplungstransistors 10 vor- nur einer der beiden ersten Transistoren eingeschaltet aus. Auch daraus, daß die Spannung +B annähernd ist, liefert der Kopplungstransistor Strom zu diesem 2,2 Volt beträgt, ergibt sich der Spannungsabfall von eingeschalteten Transistor (im allgemeinen Falle, in 0,65 Volt über dem Fehlerwiderstand. Immer wurde dem mehr als zwei Emitter entsprechend mehr erste angenommen, daß nur ein im Vergleich zum Speise- ao Transistoren vorgesehen sind, wird Strom zu allen strom sehr kleiner Basisstrom erforderlich ist, um den jeweils eingeschalteten ersten Transistoren geliefert). Transistor 12 einzuschalten. Das dabei an der Basis 91 des zweiten Transistors "Fig. 2 zeigt eineSchaltungsanordnung, die derjeni- entstehende Potential reicht zum Einschalten oder gen nach Fig. 1 nach Aufbau und Wirkungsweise zur Aufrechterhaltung der Einschaltung des zweiten weitgehend gleicht. Wie bei dieser ist ein Kopplungs- 25 Transistors nicht aus. Daher ist im zweiten allgemeitransistor 50 zwischen einen ersten Transistor 40 und nen Fall der zweite Transistor abgeschaltet,
einen zweiten Transistor "60 eingefügt. Im Gegensatz F i g. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung mit npnzur Schaltungsanordnung nach F i g. 1 sind alle Tran- Transistoren. Es sind zwei Kopplungstransistoren 140 sistoren vom pnp-Typ. Entsprechend ist eine Quelle und 141 vorgesehen, die zur gegenseitigen wirksamen negativen Potentials — B gegenüber Masse und damit 30 Isolierung und zur Verbindung eines einzigen ersten den Emittern 41 und 61 der beiden zu koppelnden Transistors 150 und zweier zweiter Transistoren 160 Transistoren vorgesehen. Diese Quelle bildet wie bei und 161 dienen. Die Emitterelektroden 142 und 144 der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 zusammen mit der beiden Kopplungstransistoren sind über einer dem Widerstand 52 eine an die Basiselektrode 51 des Leitung 145 untereinander und mit der Kollektor-Kopplungstransistors 50 angeschlossene Konstant- 35 elektrode 151 des ersten Transistors 150 verbunden, stromquelle. Die von der Quelle abgegebene Span- Jede der Basiselektroden 146 und 147 der beiden hung muß größer als die Einschaltspannung des Kopplungstransistoren ist über einen Widerstand 148 Kopplungstransistors und die des Ausgangstransistors bzw. 149 mit einer Quelle positiven Potentials +B sein. Im anderen Fall, wenn alle Transistoren vom verbunden. Die Kollektorelektroden 152 bzw. 153 npn-Typ sind, muß bei mit Masse verbundenem 40 der beiden Kopplungstransistoren sind an die Basis-Emitter des zweiten Transistors die Speisespannung elektroden 162 bzw. 164 der beiden zweiten Transipositiv -und größer als die Summe der Basis-Kollek- stören 160 bzw. 161 angeschlossen.
tor-Sättigurigsspannung des Kopplungstransistors und Es sei angenommen, daß die beiden zweiten Trander Basis-Emitter-Sättigungsspannung des Ausgangs- sistoren 160 und 161 nicht aneinander angepaßt sind transistors sein. 45 und z. B. der Transistoren 160 zum Einschalten einer F i g. 3 zeigt eine Transistorschaltung, die der Basis-Emitter-Spannung von 0,75 Volt erfordert, nach F i g. 1 ähnlich ist und durchweg npn-Transisto- während 0,90 Volt Basis-Emitter-Spannung zum Einren verwendet. Es ist ein Kopplungstransistor 70 mit schalten des Transistors 161 erforderlich sind. Im zwei Emitterelektroden 71 und 72 vorgesehen. Die Falle einer direkten Kopplung ohne Verwendung Emitterelektrode 71 ist mit der Kollektorelektrode 82 50 der beiden Kopplungstransistoren 140 und 141 wären eines ersten Transistors 81 auf der Eingangsseite ver- die Basen der beiden zweiten Transistoren unmittelbunden, während die Emitterelektrode 72 mit der bar mit dem Kollektor 151 des ersten Transistors Kollektorelektrode 83 eines weiteren, ersten Transi- verbunden. Unter diesen Umständen würde der Traristors 80 auf der Eingangsseite verbunden ist. Die sistor 161 niemals eingeschaltet werden, da bei einer Emitterelektrode 84 und 85 der beiden ersten Tran- 55 Spannung von 0,75 Volt am Kollektor des Transisistoren liegen an Masse. Die Eingangssignale werden stors 150 der Transistor 160 praktisch den gesamten an den Basiselektroden der beiden ersten Transisto- Strom ziehen und dadurch die erforderliche Einren empfangen. Der einzige Kollektor des Kopp- schaltspannung von 0,90 Volt für den Transistor 161 lungstransistors 70 ist mit der Basiselektrode 91 nicht erreicht werden würde. Durch Verwendung der eines zweiten Transistors 90 auf der Ausgangsseite 60 beiden Kopplungstransistoren wird eine Isolation verbunden, dessen Emitterelektrode 93 an Masse zwischen dem Kollektor des ersten Transistors 150 liegt und an dessen Kollektorelektrode 92 das Aus- und den Basiselektroden der zweiten Transistoren ergangssignal der Schaltung entsteht. Der Unterschied zielt. Die dabei an verschiedenen Punkten der SchalderSchaltungsanordnung nach Fig. 3 gegenüber der- tung entstehenden Spannungen sind in Fig. 4 angejenigen nach F ig. 1 liegt also in einer weiteren Emit- 65 geben. Während beispielsweise nur 0,65VoIt am terelektrode des Köpplungstransistors, die mit einem Emitter 142 des Kopplungstransistors 140 notwendig weiteren ersten' Transistor verbunden ist. Die Schal- sind, führen 0,8 Volt lediglich zu einer Vorspannung tungsanordnung verwirklicht also eine Mehrfach- der Emitter-Basis-Diode des . Transistors 140 in

Sperrichtung; dabei wäre aber der von der Quelle +B über den Widerstand 148 und die Basis-Kollektor-Diode des Transistors fließende Strom immer noch groß genug, um den Transistor 160 einzuschalten. Das vorstehende trifft für Kopplungstransistoren zu, die eine niedrige Rückwärts-Stromverstärkung haben, wie dies bei vielen Silicium-Schalttransistoren der Fall ist. Durch Verwendung von Kopplungsschaltkreisen nach der Erfindung können also die bei direkter Kopplung mit nicht genau aneinander angepaßten Transistoren auftretenden Strom-Instabilitäten vermieden werden.

An Hand der Fig. 7 bis 10 werden zwei Beispiele für die Anwendung der neuen Kopplungsschaltkreise erläutert. Die logische Transistorschaltung nach F i g. 7 verwirklicht die in der Zeichnung angegebene logische Funktion in der üblichen Weise unter Anwendung direkter Kopplung. Es sind sechs Transistoren und drei Widerstände erforderlich. Die logische Transistorschaltung nach F i g. 8 verwirklicht unter Anwendung der Erfindung die gleiche logische Funktion mit nur zwei Widerständen und nur vier Transistoren, wovon zwei in der oben erläuterten Weise jeweils zwei Emitter besitzen. Darüber hinaus ist die Zahl der internen Verbindungen geringer. Bei der logischen Funktion handelt es sich um die exklusive Oder-Funktion. Die Ausbreitungszeit der Schaltung nach F i g. 8 beträgt ungefähr 10 Nanosekunden, während sie bei der Schaltung nach F i g. 7 annähernd doppelt so lang ist.

In F i g. 9 ist eine vollständige Flip-Flop-Schaltung mit Sperrmitteln unter Anwendung direkter Kopplung gezeigt. Es sind acht Transistoren und vier Widerstände erforderlich, um die in der Zeichnung angegebene logische Funktion zu verwirklichen. Die » Ausbreitungszeit der Schaltung beträgt annähernd * 20 Nanosekunden. Die Schaltung nach F i g. 10 verwirklicht, bis auf eine traviale Inversion, die gleiche logische Funktion, benötigt aber auf Grund der Anwendung der Erfindung nur vier Widerstände und sechs Transistoren, von denen zwei mal zwei Transistoren jeweils leicht in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefaßt werden können. Die Ausbreitungszeit dieser Schaltung beträgt nur ungefähr 10 Nanosekunden.

In den F i g. 5 und 6 ist die bevorzugte Konstruktion eines npn-Kopplungstransistors mit mehreren Emittern dargestellt. Der Kopplungstransistor ist in einem Grundkristall 100 aus p-Silicium ausgebildet, das einen hohen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10 bis 200 · 10³ Ohm/cm besitzt. Zentral innerhalb des Grundkristalls 100 ist eine n-Kollektorzone 101 mit einem spezifischen Widerstand von vorzugsweise mehr als 0,04 Ohm/cm vorgesehen, die sich aufwärts bis dicht unter die Oberfläche des Grundkristalls erstreckt. An die Kollektorzone 101 grenzt eine ringförmige Kollektor-Kontaktzone 102 an, die vom Leitfähigkeitstyp n⁺ ist und bis zur Oberfläche des Grundkristalls reicht. Zentral innerhalb der Kollektorzone 101 ist die Basiszone 103 angeordnet, die p-Leitfähigkeit besitzt. In die

ίο Oberfläche der Basiszone 103 sind zwei Emitterzonen 110 und 111 von η+-Leitfähigkeit eingelassen. Die gesamte Oberfläche des Grundkristalls 100 ist mit einer Oxydschicht 115 bedeckt. Durch Öffnungen in der Oxydschicht sind metallisierte Kontakte zu allen erwähnten Zonen hergestellt. Der Kollektorkontakt ist mit 120, der Basiskontakt mit 122 und die Emitterkontakte sind mit 123 und 124 bezeichnet.

Die Kollektorzone 101 ist von einer ringförmigen p-Zone 130 und diese von einer weiteren ringförmigen n⁺-Zone 131 umgeben. Beide Zonen sind nicht kontaktiert. Sie sind auch nicht unbedingt erforderlich. Jedoch verbessert die stark dotierte p-Zone 130 die Stabilität des Kollektorübergangs, indem sie gegen Inversionskanäle schützt, die anderenfalls auf der Oberfläche entstehen und hohe, Verluste darstellende Leckströme begünstigen würden. Dazu ist es aber erforderlich, daß die p-Zone 130 möglichst dicht an die Kollektorzone 101 angrenzt. Die n⁺-Zone 131 an der Außenseite der p-Zone 130 dient zur gegenseitigen elektrischen Isolation mehrerer dicht nebeneinander in einem gemeinsamen Grundkristall hergestellter Transistoren. Indem sich die n+-Zonen über den größten Teil der Oberfläche des Grundkristalls erstrecken, erhöhen sie die Leitfähigkeit des Grundkristalle und dienen als Masseanschluß. Die n+-Zone ist an mehreren nichtgezeigten Stellen mit dem Grundkristall elektrisch verbunden, so daß beide das gleiche elektrische Potential haben. Die n⁺-Zone 131 braucht nicht, wie in F i g. 6 gezeigt, dicht an die p-Zone 130 anzugrenzen. Durch einen Abstand zwischen der n+-Zone 131 und der p-Zone 130 wird die Durchbruchspannung zwischen dem Grundkristall und dem Kollektor erhöht.

Auch kann eine nichtgezeigte Abwandlung vorgesehen sein, bei der die Kollektor-Kontaktzone 120, die einen niedrigen spezifischen Widerstand hat, nicht unmittelbar an die Basiszone 103 angrenzt, sondern so ausgebildet ist, daß zwischen ihr und der Basiszone die Kollektorzone 101 in einem ringförmigen Streifen bis unter die passivierende Oxydschicht 115 reicht. Durch diese Maßnahme wird die Kollektor-Basis-Durchbruchspannung erhöht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 gegengesetzten Leitfähigkeitstyp (N+) umPatentansprüche: geben ist. 9. Kopplungsschaltkreis nach Anspruch 6, 7

1. Schneller Kopplungsschaltkreis zwischen oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in die mindestens einem ersten und einem zweiten 5 zweite Zone (103) eingelassenen Emitterzonen Transistor gleichen Leitfähigkeitstyps in Emitter- (HO, 111) stärker (N⁺) als die erste (N) Zone oder Kollektorschaltung, dadurch gekenn- (101) dotiert sind.

zeichnet, daß der Kopplungsschaltkreis einen
Kopplungstransistor (10; 50; 70) vom gleichen

Leitfähigkeitstyp wie der erste und zweite Tran- io

sistor (11; 40; 80; 81 bzw. 12; 60; 90) umfaßt,

dessen Emitter-Kollektor-Strecke (15, 16; 53,

54; 71, 72, 73) den ausschließlich an den Kopp- Die Erfindung betrifft einen schnellen Kopplungs-

lungstransistor angeschlossenen Emitter (21; 41; schaltkreis zwischen mindestens einem ersten und

84; 85) oder Kollektor (20; 43; 82; 83) des er- 15 einem zweiten Transistor gleichen Leitfähigkeitstyps

sten Transistors mit der Basis (30; 62; 91) des in Emitter- oder Kollektorschaltung.

zweiten Transistors verbindet und dessen Basis Bisher sind zur Erzielung einer Kopplungsfunk-

(17; 51; 74) an eine Konstantstromquelle (B, 14; tion zwischen zwei binär arbeitenden, d. h. zwischen

52; 75) angeschlossen ist, welche den Kopp- zwei Schalt-Transistoren, wie sie insbesondere in lo-

lungstransistor stets im Sättigungszustand hält 20 gischen Schaltungen vielfach enthalten sind, die di-

(Fig. 1 bis 3). rekte Kopplung, die Diodenkopplung, die Wider-

2. Kopplungsschaltkreis nach Anspruch 1 mit Standskopplung und die Widerstands-Kondensatoreinem ersten Transistor in Emitterschaltung, da- kopplung bekannt. Die bekannten Techniken haben durch gekennzeichnet, daß der Emitter (15; 54) eine Reihe von Nachteilen.

des Kopplungstransistors (10; 50) mit dem KoI- 25 Die einfachste Kopplung, nämlich die direkte

lektor (20; 43) des ersten Transistors (11; 40) Kopplung mittels einer unmittelbaren Leitungsver-

verbunden ist (Fig. 1, 2). bindung wurde in den frühen Tagen des Germanium-

3. Kopplungsschaltkreis nach Anspruch 1 mit Transistors entwickelt, aber weitgehend abgelehnt, mehreren ersten Transistoren in Emitterschal- da sie eine relativ genaue Einhaltung der Transistortung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kopp- 30 Parameter verlangte, die in wirtschaftlicher Weise lungstransistor (70) mit mehreren Emittern (70; nicht erzielbar war. Bei den neueren Silicium-Tran-72) vorgesehen ist, welche jeweils mit dem KoI- sistoren ist zwar die direkte Kopplung wieder interlektor (82; 83) eines ersten Transistors (81; 80) essanter geworden, da die Silicium-Transistoren gröverbunden sind (F i g. 3). ßere Einschalt- und Ausschaltspannungen besitzen

4. Kopplungsschaltkreis nach Anspruch 1, 2 35 und sich ihre Parameter auf Grund der Diffusionsoder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kon- technik bei der Herstellung genauer einhalten lassen, stantstromquelle durch eine Spannungsquelle (B) Letzteres kann aber nur mit einem Verlust an Ausmit einem relativ hochohmigen Vorwiderstand beute, insbesondere bei den integrierten Schaltungen, (14; 52; 75) gebildet ist. erreicht werden. Hierbei ist der kritischste Transi-

5. Kopplungsschaltkreis nach Anspruch 2, 3 4° stor-Parameter die Basis-Emitter-Einschaltspannung, oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Emit- Nachteilig ist ferner, daß die direkte Kopplung keine ter (21; 41; 84; 85 und 31; 61; 93) des bzw. der sachgemäße Isolation der angesteuerten, zweiten ersten und zweiten Transistoren (11; 40; 80; 81 Transistorstufe gestattet, so daß der Transistor mit und 12; 60; 90) alle an ein gemeinsames Poten- der niedrigsten Basis-Emitter-Sättigungsspannung tial, vorzugsweise an Masse angeschlossen sind. 45 den größten Teil des verfügbaren Stroms aufnimmt.

6. Kopplungsschaltkreis nach Anspruch 3, 4 Eine der wichtigsten Forderungen, die an einen oder 5 mit einem Kopplungstransistor, bei dem Kopplungsschaltkreis gestellt werden, besteht darin, in einen Körper aus Halbleitermaterial hohen daß der Kopplungsschaltkreis keine merkliche Verspezifischen Widerstandes mindestens drei inein- zögerung beim Schaltvorgang vom Eingang zum anderliegende Zonen abwechselnden Leitfähig- 50 Ausgang erzeugt, also eine hohe Schaltgeschwindigkeitstyps eingelassen sind, dadurch gekennzeich- keit hat. Durch die Widerstandskopplung wird die net, daß in die zweite, die Basis des Transistors Schaltgeschwindigkeit auf einen relativ niedrigen bildende Zone (103) mindestens zwei voneinander Wert begrenzt, weshalb die Widerstandskopplung getrennte Zonen (110; 111) untereinander glei- z. B. für Rechenautomaten hoher Geschwindigkeit chen Leitfähigkeitstyps (N⁺) als Emitterzonen 55 nicht brauchbar ist. Die Widerstands-Kondensatoreingelassen sind (F i g. 5, 6). kopplung ist zwar in bezug auf die Schaltgeschwin-

7. Kopplungsschaltkreis nach Anspruch 6, da- digkeit etwas besser als die Kopplung durch Widerdurch gekennzeichnet, daß die erste, den KoI- stände allein, dennoch ist auch bei ihr die Schaltlektor des Transistors bildende Zone (101), in geschwindigkeit begrenzt. Außerdem toleriert sie welche die zweite Zone (103) eingelassen ist, 60 keine Anpassungs-Fehler. Bei beiden Kopplungsarten von einer ringförmigen Zone (130) ohne Elek- treten unerwünschte Leistungsverluste in den der trode umgeben ist, welche vom gleichen Leit- Kopplung dienenden Widerständen auf.
fähigkeitstyp (P) wie die zweite Zone und unge- Bei einer Diodenkopplung läßt sich eine hohe fähr so tief wie diese ist. Schaltgeschwindigkeit nur durch ausgewählte oder

8. Kopplungsschaltkreis nach Anspruch 7, da- 65 sehr sorgfältig hergestellte Dioden-Anordnungen erdurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Zone zielen, die eine sehr kurze Erholungszeit haben. Eine (130) von einer weiteren, weniger tiefen ringför- kurze Erholungszeit ist entscheidend für eine geringe migen Zone (131) ohne Elektrode und vom ent- Verzögerung im Kopplungsschaltkreis. Eine Kopp-