DE2538462C3 - Bistabile Schaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine bistabile Schaltung mit einem ersten und einem zweiten Transistorsatz, wobei von jedem Satz die Emitter- und Kollektorelektroden miteinander verbunden sind, wobei erste gleichnamige miteinander verbundene Elektroden durch jeweils einen getrennten ersten Widerstand mit einer ersten Versorgungsklemme und zweite gleichnamige miteinander verbundene Elektroden durch einen für beide Sätze gemeinsamen zweiten Widerstand in einer Stromquellenschaltung mit einer zweiten Versorgungsklemme verbunden sind, wobei pro Satz jeweils mindestens eine Steuerelektrode mit den erwähnten ersten gleichnami gen miteinander verbundenen Elektroden des anderen Satzes kreuzweise gekoppelt ist, und wobei mindestens eine weitere Steuerelektrode jedes Satzes mit einem Ausgang einer additionellen kombinatorischen Logik-

=> schaltung verbunden ist Bistabile Schaltungen Finden häufig Anwendung. Namentlich in ausgedehnten Schaltungen mit vielen Logikbausteinen taucht das Problem auf, daß durch Toleranzen in Schaltzeiten der Bausteine das logische Ergebnis einer Bearbeitung störenden

ίο Einfluß von vorübergehenden, logisch ungei-echtfertigten Zuständen erfahren kann, die unter dem Namen »hazards« (Fehlstellungen) oder »critical race conditions« bekannt sind. In bezug auf einen einzigen Baustein können sie an einem Ausgang vorübergehend

ι? oder auch bleibend auftreten, letzteres selbstverständlich nur in sequentiellen Logikschaltungen. Es wurde bekannt, daß durch bestimmte logische Zugaben an eine Schaltung derartige vorübergehende, ungerechtfertigte Zustände ohne Einfluß bleiben können Derartige Zugaben können aus einer additionellen Gatterfunktion bestehen oder aus einer zusätzlichen logischen Rückkopplungsschleife. Namentlich in integrierten Schaltungen taucht jedoch dabei ein folgendes Problem auf, nämlich daß durch allerhand Defekte ein Teil der Funktion verloren gehen kann. Es zeigt sich sehr schwer, zu detektieren, ob die Freistellung gegen Effekte vorübergehender ungerechtfertigter Zustände noch besteht, we H dabei gerade diese ungerechtfertigten Zuständen selbst detektiert werden müßten.

μ Die Erfindung nimmt einen anderen Weg, was dadurch möglich ist daß namentlich der erwähnte zweite Widerstand in eine Stromquellenschaltung aufgenommen worden ist Eine Stromquellenschaltung ist eine Schaltung mit einem derart großen Ausgangs-

« widerstand, daß der von der Schaltung gelieferte Strom fast vollständig von der Schaltung selbst und vom Ausgangswiderstand (und also nahezu nicht von der Belastung) bestimmt wird. Namentlich sind hier die Werte der erwähnten ersten Widerstände klein in bezug

4« auf den erwähnten zweiten Wi<Hrstand. Die Erfindung gibt eine Schaltung, bei der im bistabilen Teil keine zusätzlichen logischen Zugaben gegen die Effekte vorübergehender ungerechtfertigter logischer Zustände erforderlich sind, die in der erwähnten additionellen kombinatorischen Logikschaltung auftreten könnten. Die Erfindung schafft eine bistabile Schaltung mit einer Einbaumöglichkeit zum Durchführen einer Prüfung in Anwesenheit aller erforderlichen Verbindungen, darunter die redundante, in der additionellen kombinatori-

vt sehen Logikschaltung. Die Erfindung gibt eine bistabile Schaltung, aus der drei verschiedene Dauersignale abgegriffen werden können, von denen ein Signal ein Prüfsignal ist. Die Erfindung gibt eine Schaltung mit zwei stabilen, selbst erhaltenden Logikzuständen, sowie

Vt mindestens einer dritten kombinatorischen Zwischenstellung. Dabei treten die Zwischenstellung bzw. das Prüfsignal ausschließlich auf, wenn in der kombinatorischen Logikschaltung ein Fehler vorhanden ist.

Die Erfindung ist zur Erfüllung seiner Aufgabe

w) dadurch gekennzeichnet, daß eine eingebaute Redundanz der erwähnten kombinatorischen Logikschaltung dadurch prüfbar ist, daß unter der Steuerung koexistenter Signale an den erwähnten weiteren Steuerelektroden beide Transistorsätze gemeinsam leitend gemacht

ιλ werden können, wodurch die erwähnten ersten Widerstände mit einem in bezug auf den erwähnten zweiten Widerstand kleinen Widerstandswert, ungefähr gleiche Ströme führen, wodurch ein Ausgangssignal der

bistabilen Schaltung einen stationären Zwischenwert aufweist Auf diese Weise kann der erste bzw. der zweite Transistorsatz durch entsprechende Signale an ihren Steuerelektroden leitend gemacht werden, wodurch die erwähnten ersten Widerstände stromführend parallel geschaltet sind und an denselben Ausgängen eine Prüfspannung vorhanden ist, die zwischen den beiden Werten liegt, die angenommen werden, wenn nur einer der beiden Widerstände Strom führt Es ist vorteilhaft wenn beide erste Widerstände gleiche Werte haben, wodurch die Prüfspannung in der Mitte zwischen den beiden haltenden Zuständen liegt und eine gute Diskriminierung erhalten wird. Dabei können die erwähnten koexistenten Signale ausschließlich dann auftreten, wenn die erwähnte eingebaute Redundanz durch einen Defekt unterbrochen ist

Es ist vorteilhaft wenn zwischen den erwähnten getrennten ersten Widerständen und den erwähnten miteinander verbundenen Elektroden vorhandene Ausgänge mit Steuerelektroden weiterer Transistoren verbunden sind, von denen jeweils eine erste weitere Elektrode durch einen getrennten Widerstand mit der ersten Speiseklemme und eine zweite weite-e Elektrode durch einen für die weiteren Transistoren gemeinsamen Widerstand mit der zweiten Speiseklemme verbunden ist Dies ergibt eine vorteilhafte linear arbeitende Ausgangsschaltung für die bistabile Schaltung. Durch eine derartige Schaltung kann das Prüfsignal einem Ausgang zugeführt werden, auch wenn der Ausgang (die Ausgänge) der Schaltung mit Eingängen weiterer Logikschaltungen verbunden ist (sind). Auf diese Weise ist es gut möglich, zwischen den drei möglichen Stellungen zu diskriminieren.

Es ist vorteilhaft wenn von dem erwähnten ersten und zweiten Transistorsatz jeweils eine weitere Steuerelektrode mit einer weiteren Eingangsklemme der Schaltung verbunden ist. Dadurch vergrößert sich die Anzahl Verwendungsmöglichkeiten der Schaltung.

Es ist vorteilhaft wenn eine einzige erste weitere Elektrode der erwähnten weiteren Transistoren mit einer Aurgangsklemme der Schaltung verbunden ist. Es reicht aus, nur einen einzigen Ausgang der integrierten Schaltung zu verwenden. Dies ist vorteilhaft im Zusammenhang mit dem allgemeinen Bestreben, die Anzahl dieser Ausgänge herabzusetzen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger Figuren näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 symbolisch ein weiter in der Beschreibung universal benutztes logisches Gatter,

Fig.2 ein Schema einer Schaltung, bei der die Zielsetzungen der Erfindung nicht verwirklicht sind,

F i g. 3 eine erfindungsgemäße Schaltung, bei der die gesonderten Transistoren angegeben sind und

Fig.4 die gleiche Schaltung, bei der eine symbolischere Kennzeichnung benutzt worden ist.

F i g. 1 gibt eine symbolische Kennzeichnung für ein logisches Gatter mit UND/NICHT-UND-Funktion. Das Gatter hat zwei Eingänge 50, Sl und zwei Ausgänge 52, 53. Wenn die Eingänge 50 und 51 ein logisches »!«-Signal führen, führt der Ausgang 52 auch ein logisches »!«-Signal (UND-Funktion). In allen anderen Fällen führt der Ausgang 53 ein logisches »!«-Signal. Der Ausgang 53 führt ein in bezug auf den Ausgang 52 immer invertiertes Signal. Diese logische NICHT-UND-Funktion wird mit einem Querstrich angegeben. Eine Anzahl der Verbindungen 50 ... 53 kann ausgelassen werden. Wenn beispielsweise 51 und 53 ausgelassen werden, arbeitet di: Schaltung wie ein Verstärker.

Werden Sl und 52 ausgelassen, wirkt die Schaltung wie eine Umkehrstufe.

Fig.2 gibt eine Schaltung, bei der die erfindungsgemäßen Zielsetzungen nicht verwirklicht worden sind.

Die Schaltung enthalt sechs logische Gatter 11, 12,13, 14, 60, 61 nach Fig. 1, zwei Eingänge 17, 18, zwei Ausgänge 62,63 und weiter die Leitungen 21,22,23,24, 25. Am Ausgang 62 liegt das Signal Q, auf der Leitung 24 das Signal E und auf der Leitung 25 das Signal F. Die

in Klemme 63 führt also das Signal: E ■ Q. Die Klemme 62 führt also das Signal:

E- Q- F= E- 0+F=Q.

Hierbei indiziert der Punkt eine logische UND-Funktion, das Pluszeichen die logische ODER-Funktion und der Horizontalstrich den invertierten Wert der Variabein. Die kombinatorische Schaltung, die aus den Gattern 11,12, 13,14 nach F i g. 1 besteht hat folgende Funktion: an der Klemme 17 liegt das Eingangssignal A, an der Klemme 18 das Eingangssignal B. Das Gatter 11 arbeitet wie ein Verstärker. An der Leitung 21 liegt also das Signal A. Das Gatter 12 arbeuvt. wie ein Verstärker (Leitung 22) und wie eine Umkehrstufe (Leitung 23). Die Gatter 13 und 14 arbeiten wie logische NICHT-UND-Gatter. Die Leitung 22 führt somit das Signal B-, auf der Leitung 23 ist also das Signal B vorhanden; auf der Leitung 24 liegt also das Signal A ■ B= A + B. Auf der Leitung 25 liegt also das Signal A ■ B=A +B. Für die ganze Schaltung gilt somit:

Q+ F=(A + B)- Q + A A- B.

B= A- B- Q +

Die bistabile Schaltung ist ein sogenannter Datenflip-

flop, bei dem der ß-Eingang der Dateneingang ist. Wenn

r, das Signal A logisch 0 ist, ist der haltende Zustand verwirklicht 1st das Signal A logisch 1, reduziert sich die Gleichung nach:

Q + ~B

Q=B-

In diesem Falle nimmt ζ) den invertierten Wert von B an. Es ist klar, daß im letzten Fall einer der beiden Terme B redundant ist (überflüssig). In Fig.2 kommt dies darauf heraus, daß eine der Verbindungen des Gatters 12 zu den Gattern 13 und 14 überflüssig ist und also

4"i keinen Einfluß auf die statischen Erscheinungen ausübt.

Dies gilt nicht für die dynamischen Erscheinungen. Es

sei angenommen, daß die Leitung 23 fortgelassen ist und die Leitung 22 führt ein logisches »1 «-Signal. Wenn sich nun das Signal an der Leitung 21 ändert, ändern sich die

v) beiden Signale auf den Leitungen 24 und 25. Dadurch können beide Terme im jetzt geltenden Ausdruck für Q-.

Q=A- Q+ A ~B

im entgegengesetzten Sinne ändern, so daß es in ■y, bestimmten Fällen möglich ist, daß der Ausgang 62 für kurze Zeit in ungerechtfertigtes logisches Signa! abgibt. Wenn beide Verbindungen 22 und 23 vorhanden sind, tritt diese Erscheinung jedoch nicht auf.

Auf folgende Weise kann die Schaltung auf das

M) Vorhandensein redundanter Verbindungen geprüft werden: das Signal A sowie das Signal Bkönnen logisch I gemacht werden. Ist die Leitung 23 unterbrochen, sind jetzt beide Signale E und F gleich Null. Dadurch liegt an beiden Ausgängen 62 und 63 eine logische 1: dies

ι.', bedeutet einen Fehler. Die Anwesenheit der Leitung 22 wird dadurch gepnift, daß das Signal A logisch 1 und das Signal B logisch 0 gemacht wird. Auch dabei gibt eine Unterbrechung gleiche logische Signale an den

Ausgängen 62 und 63. Wenn es nur einen Ausgang gibt, kann die bistabile Schaltung nicht geprüft werden. Die Notwendigkeit zweier Ausgänge ist sehr beschwerlich: es ist ein bekanntes Bestreben, die Anzahl der Verbindungen zu minimalisieren.

F i g. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung. Neben einer mit Fig.2 identischen kombinatorischen Logikschaltung gibt es zwei weitere Eingangsklemmen 19 und 20, acht Transistoren 32, 33, 34, 35, 36, 37, 44, 45, sechs Widerstände 38, 39, 40, 42, 43, 46, eine Ausgangsklemme 31 und Speiseklemmen 41, 47 und 48. Weiter sind noch die Leitungen 28 und 29 angegeben.

Die Speiseklemme 4t ist an eine Spannungsquelle von 0 Volt angeschlossen, und die Speiseklemmen 47 und 48 an eine Spannungsquelle von - 2 Volt. Die Transistoren 32, 33 und 34, sowie 35, 36 und 37 bilden jeweils einen Satz, von denen je Satz die Emitter- und die Kollektorelektroden miteinander verbunden sind. Die Basiselektroden der Transistoren 34 und 35 sind kreuzweise mit den verbundenen Kollektorelektroden des anderen Transistorsatzes verbunden. Es sei angenommen, daß die Transistoren 32, 33, 36 und 37 gesperrt sind und der Transistor 34 leitend ist. Dadurch führt die Leitung 28 ein verhältnismäßig niedriges Potential, ebenso wie die Basiselektrode des Transistors 35. Dadurch sperrt der Transistor 35 und die Leitung 29 führt ein verhältnismäßig hohes Potential, ebenso wie die Basiselektrode des Transistors 34. Dies entspricht dem leitenden Zustand des Transistors 34. Wenn durch ein hohes Signal an der Basiselektrode des Transistors 32 oder 33 dieser vorübergehend leitend wird, hat dies für die Schaltung keine bleibenden Folgen. Wenn durch ein hohes Signal an der Basiselektrode der Transistor 36 oder 37 vorübergehend leitet, wird die Basiselektrode des Transistors 34 niedrig, und wird er gesperrt. Dadurch nimmt die Basiselektrode des Transistors 35 ein verhältnismäßig hohes Potential an, wodurch er in den leitenden Zustand übergeht. Dieser geänderte Zustand hält sich aufrecht, wenn durch Beendung des hohen Signals an ihren Basen die Transistoren 36 und 37 wiederum beide gesperrt sind. Auf diese Weise sind zwei stabile Zustände definiert.

Die Wiciersiänue 40 und 39 haben beispielsweise gleiche Werte im Bereich zwischen 30 und 300 0hm. Der Wert des Widerstandes 38 ist z. B. das Sechsfache. Wenn einer der Transistoren 34 und 35 leitet und die Widerstände haben die Werte 100 bzw. 600 0hm, beträgt der Strom ungefähr 1,72 mA, unter Berücksichtigung eines Spannungsabfalls von ungefähr 0,8 Volt am Basis-Emitter-Elektrodenübergang des leitenden Transistors. Leitet der Transistor 34, beträgt das Potential der Leitung 29 ungefähr 0,-Volt Leitet der Transistor 35, ist das Potential der Leitung 29 ungefähr — 172 mV.

Die kombinatorische Schaltung (Gatter 11 ... 14) wurde bereits oben beschrieben. Wie bekannt geben bekannte kombinatorische Schaltungen mit eingebauter Redundanz keine ungerechtfertigten kurzen Logiksignale ab. Das Umgekehrte ist keine Regel, weil üblicherweise diese Redundanz keinen merklichen Einfluß auf das Ausgangssignal ausübt: die Fehlstellungen werden erst bemerkbar, wenn bestimmte Toleranzen überschritten werden. Dies kann z. B. passieren bei einem sehr bestimmten Temperaturbereich oder nur bei einer gewissen Störung der vorgeschriebenen Impulsform. Auch andere Ursachen können wirksam sein, gegebenenfalls sogar durch einen spezifischen !nforniationszustand benachbarter logischer Bausteine in Verbindung mit einer oder mehreren der obenerwähnten Ursachen. Wenn die Toleranzen nicht überschritter werden, treten die Fehlstellungen nicht auf, sogar nicht wenn die Redundanz gestört ist. Letzteres kann durcr eine unterbrochene Verbindung verursacht sein oder ϊ bei einer integrierten Schaltung, durch einen der vieler Herstellungsfehler, die darin auftreten. Der Zusammen bau der kombinatorischen Logikschaltung, die aus der Gattern 11 ... 14 und der bistabilen Schaltung besteht die aus den Transistoren 32 ... 37 besteht, macht di<

in kombinatorische Schaltung auf das Vorhandensein de redundanten Verbindung zwischen den Gattern 12 unc 13/14 prüfbar. Die bistabile Schaltung erfüllt ebenso wii die nach F i g. 2 die Funktion eines einfachen Datenflip flops (D-Iatch). Bekannte Datenflipflops haben nur zwe

ι > stabile Zustände. Erfindungsgemäß ist durch dei Zusammenbau einer redundanten kombinatorischer und einer bistabilen Schaltung die Redundanz de Erstgenannten prüfbar. Dies geschieht dadurch, daß be der Unterbrechung der Redundanz eine stationär!

;o Zwischensteilung erzeugbar ist, bei der beide Transisto ren 33 und 36 unter der Steuerung einer logischen »0< an den Ausgängen der Gatter 13 und 14 gesättig werden. Dieser leitende Zustand entsteht, wenn da Signal A logisch 1 ist, und die Verbindung des Gatters Ii

2") nach einem der Gatter 13 und 14 führt ebenfalls ein< logische »I« (das andere wird unterbrochen angenom men). Beide Leitungen 24 und 25 führen dabei eini logische »0«, was bei der hier benutzten negativei Logik einen hohen Signalpegel bedeutet Dadurcl

in treten beide Transistoren 33 und 36 in den leitendei Zustand. Infolgedessen werden die Widerstände 39 um 40 stromführend parallel geschähet. Das Potential de Leitungen 28 und 29 wird bei nahezu gleichbleibenden Strom durch den Widerstand 38 ungefähr -86 mV

r> Diese Spannung läßt sich gut detektieren.

Die Transistoren 44 und 45 bilden eine linean Endstufe. Die Emitterelektroden sind über einer gemeinsamen Widerstand von beispielsweise 300 Ohn mit einer Spannungsquelle von -2 V, die Kollektor elektroden über getrennte Widerstände 42 und 43 vor beispielsweise 50 Ohm mit der Speiseklemme 41 verbunden. An der Ausgangsklemme 31 kann außer der zwei stabilen Spannungszusiäiiüen aiu.ii bei Auwcscii heit einer redundanten Verbindung eine Zwischenstel lung abgenommen werden, wodurch ein Fehlei detektierbar ist. Nach F i g. 2 müßten immer zwe Messungen zum Detektieren der Unterbrechung ausge führt werden. Die Zwischenstellung ist auch an dei Klemme 31 detektierbar, wenn sie außerdem mit der

so Eingängen weiterer Gatterschaltungen verbunden ist wie z. B. einer weiteren Gatterschaltung nach F ■ g. 3 Die weiteren Eingangsklemmen 19 und 20 geben noch eine Erweiterung an, wodurch die Schaltung nach Fig.; auch als S/?-Flipflop brauchbar ist: ein hohes Signal ar der Klemme 19 bzw. 20 steuert den Transistor 37 bzw 32 auf und macht damit den Transistor 35 bzw. 3i leitend.

Fig.4 gibt eine mehr symbolische Kennzeichnung der Fig.3. Die Leitungen sind analog numeriert. Di<

ω bistabile Schaltung (Transistoren 32 ... 37) ist als eir einziges Element mit vier äußeren Eingängen 19,25,20 24 und zwei Rückkopplungsschleifen 28 und 29, die punktiert sind, dargestellt. Letztere entsprechen alsc den kreuzweise gekoppelten Leitungen zu den Steuer elektroden der Transistoren 34 und 35 in F i g. 3. Di« Endstufe nach F i g. 3 (Transistoren 44 und 45) ist jetz als ein einziges rautenförmiges Element 16 mit einen einzigen Ausgang dargestellt

Selbstverständlich beschränkt sich der Erfindungsgedanke weder auf die dargestellte kombinatorische Schaltung, noch auf die gegebenen Widerstandswerte. Durch die Erfindung wird jedoch Redundanz dadurch priifbar, daß eine kombinatorische und eine sequentielle Schaltung auf spezifische Weise zusammengefügt worden sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Bistabile Schaltung mit einem ersten und einem zweiten Transistorsatz, wobei von jedem Satz die Emitter- und Kollektorelektroden miteinander verbunden sind, wobei erste gleichnamige miteinander verbundene Elektroden jeweils durch einen getrennten ersten Widerstand mit einer ersten Speiseklemme und zweite gleichnamige miteinander verbundene Elektroden durch einen für beide Sätze gemeinsamen zweiten Widerstand in einer Stromquellenschaltung mit einer zweiten Speiseklemme verbunden sind, wobei pro Satz jeweils mindestens eine Steuerelektrode mit den ersten erwähnten gleichnamigen miteinander verbundenen Elektroden des anderen Satzes kreuzweise gekoppelt ist und wobei mindestens eine weitere Steuerelektrode jedes Satzes mit dem Ausgang einer additionellen kombinatorischen Logikschaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine eingebaute Redundanz der erwähnten kombinatorischen Logikschaltung dadurch prüfbar ist, daß unter der Steuerung koexistenter Signale an den erwähnten weiteren Steuerelektroden beide Transistorsätze gemeinsam leitend gemacht werden können, wodurch die erwähnten ersten Widerstände mit einem in bezug auf den erwähnten zweiten Widerstand kleinen Widerstandswert ungefähr gleiche Ströme führen, wodurch ein Ausgangssignal der bistabilen Schaltung einen stationären Zwischenwert aufweist

2. Bistabile Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß zwischen den erwähnten getrennten ersten Y/iderstanden und den erwähnten miteinander verbundenen Elektroden angeordnete Ausgänge mit Steuerelektro en weiterer Transistoren verbunden sind, von denen jeweils eine erste weitere Elektrode durch einen getrennten Widerstand mit der ersten Speiseklemme und eine zweite weitere Elektrode durch einen für die weiteren Transistoren gemeinsamen Widerstand mit der zweiten Speiseklemme verbunden ist.

3. Bistabile Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine weitere Steuerelektrode des erwähnten ersten und zweiten Transistorsatzes mit einer weiteren Eingangsklemme der Schaltung verbunden ist.

4. Integrierte Schaltung mit einer Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige erste weitere Elektrode der erwähnten weiteren Transistoren mit einer Ausgangsklemme der Schaltung verbunden ist.