-
Universelles Verknüpfungsglied für den Subnanosekundenbereich.
-
Die Erfindung betrifft eine Logikschaltung mit einem, zwei Verstärkerstufen
mit Jeweils einem Transistor enthaltenden Differenzverstärker.
-
Logikschaltungen für die logischen Grundoperationen UND, ODER sowie
NICHT werden in vielen Bereichen der Elektronik bis zu sehr hohen Schaltfrequenzen
eingesetzt. Durch die Ausführung dieser Logikschaltungen in integrierter Technik
konnte der Raum- und Leistungsbedarf verringert, die Zuverlässigkeit erhöht und
der wirtschaftliche Aufwand erniedrigt werden.
-
Möglichkeiten für eine weitere Verbesserung dieser Parameter würde
ein universell verwendbares Verknüpfungsglied bieten, dessen innere Impulsverzögerungen
im Subnanosekundenbereich liegen, das gute Voraussetzungen für eine Integrierung
auch für niedrigere Impulsfolgefrequenzen bietet und zur Durchführung der logischen
Grundoperationen UND, ODER sowie NICHT geeignet ist.
-
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine derartige Universalschaltung
zu entwickeln. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Basisanschlüsse
der beiden Transistoren T1, T2, die vorzugsweise vom npn-Typ sind, miteinander über
eine Stromquelle mit Masse verbunden sind, daß als Transistor in der ersten Verstärkerstufe
ein Multiemittertransistor vorgesehen ist, dessen Anzahl an Emitteranschlüssen mindestens
gleich der Anzahl der miteinander zu verknüpfenden Signale ist und dessen Emitteranschlüsse
getrennt jeweils über einen Widerstand mit der ersten Betriebsspannung
und
außerdem direkt mit dem Emitteranschluß jeweils eines Emitterfolgers verbunden sind,
daß der Kollektoranschluß des Transistors der ersten Verstärkerstufe mit einem ersten
Signalausgang und über einen Widerstand mit Masse verbunden ist, daß der Kollektoranschluß
des Transistors der zweiten Verstärkerstufe mit einem zweiten Signalausgang und
über einen Widerstand mit Masse verbunden ist, daß der Emitteranschluß des Transistors
der zweiten Verstärkerstufe über einen Widerstand mit Masse und außerdem mit den
zusammengeführten Emitteranschlüssen weiterer Emitterfolger verbunden ist, daß die
Basisanschlüsse der Emitterfolger die Signal eingänge darstellen und daß die Zahl
der mit jeder der beiden Verstärkerstufen verbundenen Emitterfolger mindestens gleich
der Zahl der zu verknüpfenden Eingangssignale ist.
-
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß eine Verbesserung
der in den älteren Vorschlägen beschriebenen BCL-Logikschaltungen durch Ansteuerung
derselben mit Gegentaktspannungen möglich ist. Die Notwendigkeit der Erzeugung nicht
nur des Steuersignals sondern auch des invertierten Steuersignals zur Ansteuerung
dieser Schaltungen ist dabei kein schwerwiegender Nachteil, da als Ausgangssignal
aller anderen BCL-Schaltungen das invertierte Ausgangs signal immer zur Verfügung
steht und bei den vorzugsweise zur Anwendung kommenden sehr hohen Impulsfolgefrequenzen
ein aus zwei Einzelleitern bestehender Wellenleiter üblicherweise verwendet wird.
Durch die Verwendung symmetrischer Ubertragungsleitungen ergibt sich dabei gleichzeitig
eine erhöhte Störsichnrheit.
-
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Logikschaltung liegt
darin, daß man durch die Gegentaktansteuerung bei einem bestimmten Ausgangsspannungshub
mit dem halben Eingangsspannungshub -auskommt, so daß sich die Leistungsaufnahme
vermindert,
oder - falls der volle Eingangsspannungshub von anderen
Baugruppen ohnehin zur Verfügung steht - die Logikschaltung bis zur wesentlich erhöhten
Impulsfolgefrequenz betrieben werden kann. Die Verringerung der benötigten Eingangsspannung
bei der Gegentaktansteuerung ergibt sich dadurch, daß die Differenz der beiden,
zueinander inversen Signale als Steuerspannung wirkt. Besondere Vorteile bietet
die erfindungsgemäße Logikschaltung dadurch, daß die logischen Grundfunktionen UND,
ODER sowie NICC durch unterschiedliche Beschaltung der äußeren Anschlußklemmen ein
und derselben Logikschaltung in einfacher Weise realisiert werden können. Insbesonders
einfacher Weise kann die logische Grundfunktion nu NIMTdadurch realisiert werden,
daß die beiden Ausgangsanschlüsse vertauscht werden und dadurch als erster Ausgang
der Ausgangsanschluß für die invertierte Ausgangsspannung verwendet wird. Eine bevorzugte
Ausführungs form der Erfindung ergibt sich dadurch, daß zur Realisierung einer UND-VerknUpfung
sowie einer NICHT-UND;Verknüpfung an die Basisanschlüsse der an den Transistor der
ersten Verstärkerstufe angeschlossenen Emitterfolger getrennt die zu verknüpfenden
Eingangssignale und an die Basisanschlüsse der an den Transistor der zweiten Verstärkerstufe
angeschlossenen Emitterfolger jeweils getrennt die inversen Eingangssignale zugeführt
werden.
-
In ähnlich einfacher Weise kann alternativ zur Realisierung einer
ODER-Verknüpfung sowie einer NICHT"ODER-Verknüpfung an die Basisanschlüsse der mit
dem Transistor der ersten Verstärkerstufe verbundendenen Emitterfolger die inversen
Eingangssignale und an die Basisanschlüsse der mit dem Transistor der zweiten VerStärkerstufe
verbundenen Emitterfolger jeweils getrennt die Eingangssignale angelegt werden.
-
Durch besonders geringen Aufwand zeichnet sich eine Weiterbildung
der erfindungsgemäßen Logikschaltung aus, bei der
die Stromquelle
durch einen Widerstand realisiert ist.
-
Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Logikschaltung ergibt
sich dadurch, daß dbe Stromquelle durch eine Quelle für eine zweite Betriebsspannung
ersetzt ist.
-
Bei dieser Variante begrenzen die Emitterstände der Transistoren der
beiden Verstärkerstufen die Jeweiligen Kollektorströme, so daß es auch hier nicht
zu einer Steuerung in den Sättigungsbereich kommen kann, außerdem wirken sich bei
dieser Variante unterschiedliche Stromverstärkungen der beiden Transistoren wenig
auf deren Aussteuerung auf.
-
Die erfindungsgemäßen Logikschaltungen sind besonders im Hinblick
auf Integrierbarkeit geschaffen worden. Durch das Auftreten sehr geringer Laufzeiten
ergibt sich eine besondere Eignung der erfindungsgemäßen Logikschaltung für sehr
hohe impulsfrequenzen durch ihren Aufbau ïn integrierter Technik und dadurch, daß
die Basiszonen der Transistoren der beiden Verstärkerstufen zusammenhängend ausgebildet
sind.
-
Eine Vereinfachung dieser Anordnung ist dadurch möglich, daß an die
zusammenhängenden Basiszonen ein gemeinsamer Basisanschluß angebracht ist.
-
Der sich dabei ergebende Aufbau der integrierten Schaltung läßt eine
Herstellung nicht nur durch Anwendung des üblichen Planarprozesses zu, sondern auch
durch einen sehr vereinmachten M-erstellungsprozeß, bei dem keine Isolationsdiffusion
erforderlich ist und das zusammenhängende Basisgebiet durch eine epitaktisch aufgebrachte
p-leitende Schicht auf einen p-leitenden Substrat realisiert ist.
-
Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert
werden: Dabei zeigt Fig. 1 eine Prinzipschaltung zur Realisierung von Logikfunktionen
mit Gegentaktsignalen, Fig. 2 Gegentaktschaltungen für die Grundfunktonen UND sowie
ODER, Fig. 3 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Logikschaltung,
Fig. 4 charakteristische Signalverläufe bei einer UND-Verknüpfung zweier Eingangssignale
und Fig. 5 charakteristische Signalveräufe bei einer ODER-Verknüpfung zweier Eingangssignale.
-
Die in der Fig. 1 gezeigte Prinzipschaltung besteht aus der Teilschaltung
I, der Teilschaltung II und einem Differenzverstärker. Die Teilschaltung.I und II
verfügen jeweils über eine Reihe von Eingängen für die binären Eingangssignale E10..En
beziehungsweise die entsprechenden komplementären Eingangssignale E1...En. In der
Teilschaltung I wird die gewünschte Logikfunktion Y1, beispielsweise die U1-Funktion
erzeugt. In der Teilschaltung II wird die zu Y1 komplementäre Ausgangsfunktion Y2
= Y1 erzeugt.
-
Die Ausgangssignale Y1 und Y2 der beiden Teilschaltungen werden anschließend
als Gegentaktsignal den Eingängen eines Differenzverstärkers zugeführt, an dessen
Ausgangsklemmen A und X die gewünschte Logikfunktion in Form eines Gegentaktsignals
abgegeben wird.
-
Das an den Ausgangsklemmen A und A auftretende Gegentaktsignal kann
anschließend noch zur Realisierung einer NICHT-Funktion auf einfache Weise invertiert
werden. Dazu werden lediglich die Anschlüsse der Signalleitungen an die Ausgangsklemmen
A bzw. A vertauscht, so daß sich also die angeschlossenen Signalleitungen überkreuzen.
-
In der Fig. 2 sind Gegentaktschaltungen für die Grundfunktionen UND
sowie ODER für jeweils zwei binäre Gegentakt-Eingangs-Signale dargestellt. Beide
Grundschaltungen stellen Prä zisierungen der Prinzipschaltung nach der Fig. 1 dar,
die ebenfalls einen ausgangsseitigen Differenzverstärker und zwei Teilschaltungen
enthalten, wobei es sich bei der einen Teilschaltung um ein UND-Verknüpfungsglied
und bei der anderen Teilschaltung um ein ODER-Verknüpfungsglied handelt.
-
Beide Gegentaktschaltungen für die Grundfunktionen sind also im Hinblick
auf die Verwendung als universelles Verknüpfungsglied volldommen gleich aufgebaut.
Es entscheidet also nur die Beschaltung der äußeren Anschlußklemmen darüber, ob
eine UND, UND-NICHT, ODER bzw. ODER-NICHT-Verknüpfung ausgeführt wird. Zur Realisierung
einer UND-Verknüpfung werden beispielsweise die beiden GegentasrLt-Eingangssignale
SEI und SF- in Einzelsignale El, El, E2, E2 aufgeteilt in der gezeigten Welse den
Anschlüssen 1 bis 4 der beiden Tellschaltungen zugeführt. An den Klemmen 5 und 6
ergibt sich das aus den beiden Einzel signalen bestehende Gegentakt-Ausgangssignal
in der gewünschten UND-Verknüpfung.
-
Die zweite in der Fig. 2 dargestellte Schaltung zeigt die realisierte
ODER-Verknüpfung. Es zeigt sich, daß die ODER Verknüpfung der beiden Gegentakt-Eingangssignale
SEI und SE2 dadurch erhalten wird, daß deren Teilsignale anderen Anschlußklemmen
als bei der UND-Verknüpfung zugeführt werden.
-
An den Klemmen 6 bzw. 5 kann wieder das gewünschte Gegentakt-Ausgangssignal
abgenommen werden. Die schaltungsmäßige Realisierung der in der Fig. 2 dargestellten
Gegentaktschal tungen für die Grundfunktionen UND bzw. ODER erfolgt mittels eines
basisgekoppelten Differenzverstärkers, dessen Eingängen Emitterfolger vorgeschaltet
sind.
-
In der Fig. 3 ist das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Logikschaltungen zur Durchführung der
Grundfunktionen UND, ODER
sowie NI( für zwei miteinander zu verknüpfende Gegentaktsignale dargestellt.
-
Das Ausführungsbeispiel entsprechend der Fig. 3 wurde mittels sieben
npn-Transistoren vom Typ BF35 A aufgebaut, wobei zur Realisierung des Multiemittertransistors
T1 zwei derartige Transistoren hinsichtlich ihrer Basis- und ihrer Kollektoranschlüsse
parallel geschaltet werden. Diese Kollektoranschlüsse bilden den ersten Ausgang
5 der Logikschaltung, sie sind gleichzeitig über den Widerstand R5, dessen Widerstandswert
50 Ohm beträgt, mit Masse verbunden. Die Basisanschlüsse des Multiemittertransistors
T1 sind mit dem Basisanschluß des Transistors T2 und außerdem über den Widerstand
R3, dessen Widerstandswert 2,2 K Ohm beträgt, mit Masse verbunden. Die Emitteranschlüsse
des Multiemittertransistors T1 sind über je einen Emitterwiderstand R1, R2 mit einem
Widerstandswert von je 100 Ohm mit der Betriebsspannung -UB = 2,8 V verbunden, außerdem
ist jeder Emitteranschluß des Multiemittertransistors getrennt mit dem Emitteranschluß
eines Emitterfolgers T3 beziehungsweise T4 verbunden.
-
Die Basisanschlüsse der durch die Transistoren T3 und T4 gebildeten
Emitterfolgern bilden die Eingangsklemmen 1, 3 der Logikschaltung. Beide Eingangsklemmen
sind vollkommen identisch, so daß sie miteinander vertauschbar sind.
-
Der Kollektoranschluß des Transistors T2 stellt den anderen Ausgang
6 der Logikschaltung dar, gleichzeitig ist dieser Kollektoranschluß über den Widerstand
R6 mit einem Widerstandswert von 50 Ohm mit Masse verbunden. Der Emitteranschluß
des Transistors T2 ist über den Widerstand R4 mit einem Widerstandswert von 100
Ohm mit den Emitteranschlüssen zweier weiterer durch die Transistoren T5 und T6
gebildeter Emitterfolger verbunden. Auch diese Emitterfolger sind unter sich völlig
identisch, so daßdie die Anschlußklemmen 2, 4
der Logikschaltung
bildenden Basisanschlüsse der beiden Emitterfolger miteinander vertauschbar sind.
Statt des Widerstandes R3 wurde außerdem mit Erfolg eine Vorspannungsquelle erprobt,
die an den gemeinsamen Basisanschluß der beiden Transistoren T1 und T2 eine vorspannung
von etwa -0,4 V abgeben kann. Eine derartige Vorspannungsquelle bietet den Vorteil,
daß der Spannungshub an den Kollektoren der Transistoren T1 und T2 von Streuungen
der Stromverstär-Kung dieser Transistoren unabhängiger wird, der durch das Verhältnis
des jeweiligen Kollektor- zum jeweiligen Emitterwiderstand sowie durch die Größe
der Betriebsspannung festgelegt ist. Beim Betrieb der Schaltung nach der Fig. 3
ergaben sich dadurch, daß die Transistoren Ti und T2 nicht in den Sättigungsbereich
ausgesteuert werden und durch die Verb dung der beiden Basisanschlüsse der Transistoren
T1 und T2 sehr geringe Umschaltzeiten, die im Bereich von 200 ps liegen.
-
In der Fig. 4 sind die charakterIstischen Signalverläufe einer UND
Verknüpfung zweier Eingangssignale für zwei Signalwechsel dargestellt. Zu Beginn
der Betrachtung ist das Eingangs signal El auf den Wert logisch Nill und damit das
inverse Eingangssignal El auf den Wert logisch Eins; gleichzeitig ist das zweite
Eingangs signal E2 auf den Wert logisch Eins und entsprechend das inverse Eingangssignal
E2 auf den Wert logisch Null. In diesem Fall ergibt sich entsprechend der UND-Verknüpfung
ein Ausgangssignal A mit dem Wert logisch Null, während das entsprechende inverse
Ausgangssignal A den Wert logisch Eins hat. Im folgenden Zeitraum springt das Eingangssignal
E1 auf einen Wert von logisch Eins1 so daß das entsprechende invers Eingangssignal
ER auf den Wert logisch Null zurückgeht. Da der Wert des Eingangssignals E2 weiterhin
gleich logisch Eins und der Wert des entsprechenden inversen Signals E2 gleich logisch
Null ist, ergibt sich ein Ausgangssignal A mit dem logischen Pegel gleich Eins und
ein
inverses Ausgangssignal A mit dem logischen Pegel gleich Null.
-
Im dritten betrachteten Zeitraum geht der Wert des Eingangssignals
E2 auf logisch Null zurück, so daß damit auch das Ausgangssignal A wieder auf den
Wert gleich logisch Null zurückgeht und das inverse Ausgangs signal A entsprechend
einen Wert von logisch Eins annimmt.
-
In der Fig. 5 sind die charakteristischen Signalverläufe einer ODER-Verknüpfung
zweier ebenfalls binärer Eingangssignale dargestellt, die ebenfalls als Gegentaktsignale
auftreten. Im ersten betrachteten Zeitraum ist das Eingangssignal El auf dem Wert
logisch Null, da jedoch das Eingangssignal E2 noch den Wert logisch Eins hat, ist
auch der Pegel des Ausgangssignals A auf dem Wert logisch Eins. Im zweiten betrachteten
Zeitraum sind beide Eingangssignale auf den Wert logisch Null, so daß auch das Ausgangssignal
A den Wert logisch Null annimmt. Im dritten betrachteten Zeitraum ist der Pegel
des Eingangssignals Ei auf den Wert logisch Eins gestiegen, so daß auch der Wert
des Ausgangssignals A logisch Eins beträgt. Die Aussteuerung der Emitterfolger erfolgt
dabei entsprechend der Verwendung von npn-Transistoren mit gegenüber dem bei beispielsweise
-0,80 V liegenden Pegel für- logisch Null positiveren Potentialen; dies bedeutet,
daß der logische Pegel Eins einer positiveren Spannung als der logische Pegel Null
entspricht.
-
Die Realisierung des in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiels
in einer integrierten Schaltung ist vergleichsweise einfach, da zwei Drittel aller
Transistoren als Ernitterfolger betrieben werden, keine Kondensatoren vorhanden
sind und die Widerstände nach ihrer Anzahl gering und nach ihrem Widerstandswert
gut beherrschbar sind. Bei einer Integrierung können außerdem durch eine zusammenhängende
Ausbildung der Basiszonen der beiden Transistoren T1 und T2 noch geringere
Schaltzeiten
erreicht werden. Eine Weiterentwicklung der Schaltung im Hinblick auf die Verarbeitung
weiterer Eingangssignale ist durch die Einfügung zusätzlicher Emitterfolger leicht
möglich, dabei ist aber zu beachten, daß durch das veränderte Verhältnis von Kollektor
zu Emitterwiderständen eine Wahl anderer Widerstandswerte notwendig wird.
-
8 Patentansprüche 5 Figuren