DE2611863C2

DE2611863C2 - Schaltungsanordnung zur Umsetzung von Signalpegeln

Info

Publication number: DE2611863C2
Application number: DE2611863A
Authority: DE
Inventors: David A. Phoenix Ariz. Bird; Darrell L. Scottsdale Ariz. Fett; Jerry L. Crystal Minn. Rauser
Original assignee: Honeywell Information Systems Inc
Current assignee: Bull HN Information Systems Inc
Priority date: 1975-03-26
Filing date: 1976-03-20
Publication date: 1984-12-20
Also published as: FR2305893A1; BE840019A; FR2305893B1; DE2611863A1; JPS51120143A; US3974402A; GB1518455A; CA1085515A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine

Schaltungsanordnung zum Umsetzen von Signalen eines ersten logischen Pegels in Signale eines zweiten logischen Pegels nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.

In Datenverarbeitungsanlagen werden heutzutage verschiedene logische Schaltkreise zur Verarbeitung der binären Signale verwendet, so beispielsweise TTL (Transistor-Transistor-Logic)-, CML (Current-Mode-Logic)- und ECL (Emitter-Coupled-LogicJ-Schaltkreise. In vielen der heutigen Datenverarbeitungssysteme gelangen verschiedene Arten von Logikschaltkreisen in verschiedenen Teilen des Systems zur Anwendung. Um die Daten aus einem Teil der Datenverarbeitungsanlage in einen anderen Teil der Anlage zu übertragen, ist es oämals erforderlich, eine logische Signalart in eine andere logische Signalart umzusetzen. Im Stand der Technik bekannte Signalumsetzer, wie beispielsweise der aus der US-PS 37 66 406 bekannte ECL/TTL-Umsetzer. benutzen Dioden und andere Halbleitereinrichtungen, um einen vorgegebenen Spannungsabfall zu erzeugen und auf diese Weise den einen binären Signaltyp in den anderen binären Signaltyp umzusetzen. Diese bekannten Umsetzer benutzen ein gemeinsames Massepotential sowohl für die Eingangs- als auch für die Ausgangssignale. So benutzen beispielsweise bei dem bekannten Umsetzer ein ECL-Fmgangssignal und ein TTL-Ausgangssignal die gleiche Schaltungsschicne als gemeinsame Masse. Die nach der gemeinsamen Schaltungsschiene fließenden Ströme innerhalb des ECL-Schaltkreises erzeugen Slörsignalc im TTL-Ausgangsteil des Umsetzers. Ebenso werden Schwankungen der Spannungsversorgung innerhalb des ECL-Schaltkreises auf den TTL-Ausgangstcil des Schaltkreises übertragen. Weiterhin erzeugen die einen Schaltkreise selbstinduzierte Stör-Ti spannungen mit einem Pegel, der bei einer Überführung der Signale auf die anderen Schaltkreise nicht akzeptierbar ist. Die hinsichtlich der bekannten Umsetzer erzeugten Störsignale müssen daher eliminiert werden, wenn man sicherstellen will, daß am Ausgang des Datenverarbcitungssyslemes keine fehlerhaften Signale erzeugt werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß etwa erzeugte Störsignale bei der Umsetzung von einem Logikpegel auf den anderen Logikpcgel nicht mit übertragen werden, wobei gleichzeitig eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit des Umsetzers sichergestellt werden soll. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Pc- gclumsetzcrs sind den Untcransprüchcn entnehmbar.

nnhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbcispiclcs sei die Erfindung im folgenden näher beschrieben. Ls zeigt

Y) F i g. I ein detailliertes Schaltungsschema eines Pegelumsctzcrs gemäß der vorliegenden Erfindung; und

F i g. 2 Impulsformcn zur Erläuterung der Arbeitsweise des Pcgelutnsetzersgemäß Fig. 1.

Gemäß Fig. I ist ein Pegelumsctzer dargestellt, der ho ein logisches CML-Signal in ein logisches TTL-Signal umsetzt und aus einem Stromschaltcr I, einem Spannungsteiler 2, einem TTL-Logikgalicr 3 und einer Klemmschaltung 4 besteht. F.in an die Fingangsklcmine Vi angelegtes CMI.-Pcgelsignal wird durch diese Sclialtungsanordnung in ein an der Ausgangsklemmen V₁₁ auftretendes TTL-Pcgclsignal umgesetzt. Zwischen dem Massepolcntial des TTl.-Logikgattcrs und dem Massepotential des CML-Schaltkrciscs ist eine Potentiallrcn-

nung vorgesehen, um die Störspannungen zu reduzieren, welche von der Masseschiene des TTL-Schaltkreises auf die Masseschiene des CML-Schaltkreises übertragen werden könnten. Auf diese Weise erhält man ein relativ störungsfreies Ausgangssignal V₀ am Ausgang des TTL-Schalücreises. Durch die Potentialtrennung zwischen dem TTL- und dem CML-Massepotential können ferner die in dem TTL-Schaltkreis erzeugten selbstinduzierten Störsignale die Wirkungsweise des CML-Schaltkreises nicht beeinflussen. Auf Grund der hohen in dem TTL-Schaltkreis erzeugten Obergangsströme und der durch die Zuleitungen von den integrierten Schaltkreisen zu dem logischen Pegelumsetzer gegebenen hohen Induktanzpegel werden Übergangs-Störspannungen auf den Masseschienen und den Stromversorgungsschienen erzeugt. Die Übergangsspannungen in dem TTL-Schaltkreis verursachen Veränderungen der Bezugsspannung des CML-Schaltkreises. wenn die CML-Masseschiene an die TTL-Masseschiene angeschlossen ist, wodurch sich eine Verzögerung oder Voreilung der Schaltoperation des Transistors Q₂ ergibt, was sich hinsichtlich des Betriebes des logischen Pegelumsetzers als schädlich erweist.

Das TTL- Logikgatter 3 weist Transistoren Qj, Qt, Qi und Qt auf. Jedem der Transistoren Q₁, Q₄ und Q, ist eine entsprechende Schottky-Diode SD₂, SD₃ und 5O₄ zugeordnet, wobei die Dioden jeweils zwischen der Basis und dem Kollektor des entsprechenden Transistors angeordnet sind, um einen Sättigungsbetrieb dieser Transistoren zu vermeiden, indem die Speicherzeit derselben auf bekannte Weise reduziert wird. Wahlweise kann ebenfalls eine Schottky-Diode zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistors Qi angeordnet werden.

Der Stromschalter 1 weist Transistoren Q₁ und Q₂ auf, deren Emitter an die CML-Spannungsversorgung von —3,3 V über einen Widerstand A₁ angeschlossen sind. Die Basis des Transistors Qt ist über einen Widerstand Rt an die Eingangsklemme Vi des Pegelumsetzers angeschlossen. Dw Basis des Transistors Q₂ liegt an einer konstanten Bezugsspannung von ungefähr —0,26 V, die durch den Spannungsteiler 2 erzeugt wird. Der Spannungsteiler 2 weist zwei hintereinander geschaltete Widerstände Ri und Rb auf, die zwischen der CML-Versorgungsspannung von -3,3 V und dem CML-Massepotential angeordnet sind. Der Kollektor des Transistors Qi ist an die Basis des Transistors Q₁ des TTL-Logikgatters 3 und ferner über einen Widerstand R_t an die Versorgungsspannung von 5,0 V des TTL-Logikgatters 3 angeschlossen. Der Kolbktor des Transistors Q, des Stromschalters 1 ist einerseits mit der Basis des Transistors Qt des TTL-Logikgat:ers 3 verbunden und andererseits an die Versorgungsspannung von 5,0 V über einen Widerstand Rj angeschlossen.

Das Schalten des Transistors Q₂ verursacht bzw. verhindert einen StromfluQ in dem TTL-Logikgatter 3, wodurch die gewünschte Umsetzung des Logikpegels an der Ausgangsklemme des Gatters in einer noch weiter zu beschreibenden Weise erfolgt. Der Transistor Q\ des Stromschalters 1 dient in erster Linie der Steuerung der Schaltoperation des Transistors Q₂ und in zweiter Linie einer raschen Stromabschaltung des durch die Basisemitterstrecke des Transistors Qa des Gatters 3 fließenden Stromes, falls der Transistor Q₂ den nicht-leitenden Zustand einnimmt, wodu^rch die Störungen in dem TTL-Schaltkreis in einer ebenfalls noch weiter zu beschreibenden Weise reduziert v'nrden.

Der Klemmschaitkreis 4 weist einen Transistor Q als Emitterfolger auf, wodurch hinsichtlich des Klemmschaltkreises ein hoher Eingangswiderstand und ein niedriger Ausgangswiderstand vorgegeben wird. Die Transistoren Q* und Q> sind hintereinandergeschaltet, wobei jeweils die Basis eines jeden Transistors und der Kollektor kurzgeschlossen sind, so daß die Transistoren als in Durchlaßrichtung betriebene Dioden arbeiten, von denen jede einen Spannungsabfall von ungefähr 0,8 V aufweist.

Zusammen mit dem Impulsdiagramm gemäß F i g. 2 to sei im folgenden die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 beschrieben.

Hinsichtlich der binären Eingangssignale der CML-Logikschaltung wird eine negative Logik verwendet dergemäß eine binäre Null durch 0 Volt und eine binäre Eins als -03 Volt dargestellt wird. Hinsichtlich der binären Ausgangssignale des TTL-Logikschaltkreises wird eine positive Logik verwendet, dergemäß eine binäre Null durch ungefähr 0,4 V und eine binäre Eins durch 3.5 V dargestellt wird. Wenn ein CML-Signal von

—0,5 V entsprechend einer binären Ew-ά an die Basis des Transistors Q, angelegt wird, so gelangt -Jieser Transistor in den nicht-leitenden Zustand, da die Basis-Emitterspannung über dem Transistor Q₁ auf einen Wert abfällt, der unterhalb der Aussteuerspannung liegt.

Gleichzeitig nimmt der Transistor Q₂ den leitenden Zustand ein, so daß ein Strom von der TTL-Spannungsversorgung von 5,0 V über den Widerstand R 4, durch die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors Q₂ und den Widerstand R₃ zu der Spannungsversorgung von

—33 V des CML-Schaltkreises fließt. Das Potential an der Basis des Transistors Q₃ fällt somit auf eine Spannung ab, die nicht unter 0,3 V liegt. Die Spannung von 03 Volt an der Basis des Transistors Q₁ wird durch die Klemmschaltung 4 erzeugt. Das Potential am Schal-

J5 tungspunkt V, der Klemmschaltung 4 nimmt konstant den Wert von 1,6 V ein. wobei dieser Wert durch Änderungen des Stromes durch die Klemmschaltung 4 nicht beeinflußt wird. Der Spannungsabfall zwischen dem Schaltungspunkt V₁ und dem TTL-Massepotential wird

-to durch einen jeweiligen Spannungsabfall von 0.8 V über der Kollektor-Emitterstrecke des Transistors Q, bzw. Qi erzeugt. Auf diese Weise tritt ein Spannungsabfall von 1.6 V zwischen dem Schaltungspunkt V, und dem TTL-Massepotential auf. Auf Grund des Spannungsab-

falles von 0,8 V über der Basis-Emitterstrecke des Transistors Q₁ und dem Spannungsabfall von 0,5 V über der in Durchlaßrichtung betriebenen Schottky-Diode SD₁ ergibt sich an der Basis des Transistors Q_s eine Spannung von ungefähr 0,3 V.

so Die npn-Transisto;-en der Schaltungsanordnung gemäß F i g 1 gelangen in den leitenden Zustand, wenn das Potential über der Basis-tmitterstrecke ungefähr 0,8 V en eich*. Der Transistor Q₃ ist daher auf Grund der Potentialdifferenz über der Basis-EmitterstrecVe von nur 0,3 V gesperrt, so daß sich an der Basis des Transistors Qt ein Potential von Null Volt einstellt und sich diese ebenfalls im nicht-leitenden Zustand befindet. Das Potential im Schaltung ,punkt V₃ nimmt einen Wert ein, der den Transistor <?« durchschaltet, wodurch ein Stromweg

von der 5,0-Voli-Spannungsversorgung über den Widerstand R₇, durch die Schottky-Diode SO₃, über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors Q, und über den Widerstand Ä, nach dem TTL-Massepotential geschaltet wird. Hierbei steigt das Potential an der Basis

b^r des Transistors <?, an, so daß dieser durchschaltet und die Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme V₀ entsprechend einer binären Eins auf ungefähr 3,5 V ansteigt.

ΔΌ 11 ÖOJ

5 6

Der Klemmschaltkreis 4 begrenzt den unteren Pegel dem Zeitpunkt in den nicht-leitenden Zustand, zu dem der Spannung im Schaltungspunkt V₂ auf 0,3 V. Infolge· der Transistor Q* in den leitenden Zustand gelangt, wo· dessen ist der Transistor Qi daran gehindert, seine Sätti- durch der zuvor erwähnte Stromanstieg über die Trangung zu erreichen, falls negative Spannungsänderungen sistorcn Qi und Qt im wesentlichen verhindert wird, auf der Leitung 13 auftreten, die durch Veränderungen <> Es ist dem Fachmann ohne weiterei ersichtlich, daß der TTL-Spannungsversorgung oder durch Störungen der vorstehend beschriebene Pegelumsctzer in verzwischen dem TTL-und dem CML-Massepotential ver- schicdener Weise modifiziert werden kann, ohne den ursacht werden können. Durch die Verhinderung des Erfindungsgedanken zu verlassen. Beispielsweise kann Sättigungsbetriebes hinsichtlich des Transistors Q₂ wird der Widerstand Ria des Schaltkreises entfernt werden, für diesen eine schnelle Abschaltzeit sichergestellt, wo- io da seine einzige Funktion darin besteht, einen unzuläsdurch die Operationsgeschwindigkeit des Pegelumset- sig hohen StromfiuB im Falle eines Kurzschlusses zwizers gesteigert wird. Der Klemmschaltkrcis hat ferner sehen der TTL-Spannungsversorgung und dem Massedie Aufgebe den Effekt der parasitären Kapazität zwi- potential zu verhindern. Ebenso kann auf den dem sehen dem Emitter und der Basis des Transistors Q₂ zu Stromschalter 1 vorgeschalteten Widerstand Ri verreduzieren, da der Strom über diese Strecke durch die is ziehtet werden. Zusätzlich können die Leitungsverbingeringe Spannungsänderung im Schaltungspunkt V₂ düngen 13 und 14 vertauscht werden, so daß die Leitung zwischen 0,3 Volt und 1,6 Volt begrenzt ist. Durch Redu- 13 mit dem Leitungsabschnitt 17 und die Leitung 14 mit zierung der Spannungsänderung über der Basisemitter- dem Leitungsabschnitt 15 verbunden wird, wodurch die strecke des Transistors Q₂ wird somit die Schaltfre- Funktion der Transistoren Qt und φ? vertauscht und das quenz des Transistors Q₂ im Betrieb erhöht. 20 Ausgangssignal V₀ gegenüber dem in F i g. 2 dargestell-Wenn entsprechend einer binären Null eine Span- ten Wert gerade vertauscht wird. Ferner kann jeder der nung von 0 Volt an die Eingangsklemme V₁ angelegt Transistoren Qj, Q₄ und Qt zusammen mit ihren zugewird, so gelangt der Transistor Q, in den leitenden Zu- ordneten Schottky-Dioden SD}, SDj und SDt durch entstand und der Transistor Q₂ wird gesperrt. Bei gesperr· sprechende Schottky-Transistoren ersetzt werden. Der tem Transistor Q₂ führt der Transistor Qy Strom, wenn 25 Kollektor des Transistors Qi kann ferner anstelle an die die Basisspannung des Transistors Qj ungefähr 0,8 V er- Basis des Transistors Q* auch an den Emitter dieses reicht. In diesem Fall fließt ein Strom von der Span- Transistors angebunden werden. Schließlich kann der nungsversorgung von 5,0 V des TTL-Logikgatters 3 Spannungsteiler 2 durch irgendeine andere Vorrichtung über den Widerstand Ri, die Kollektor-Emitterstrecke ersetzt werden, die eine Bezugsspannung von —0,26 V des Transistors Qi und den Widerstand Rt nach dem 30 an die Basis des Transistors Q₂ abgibt. TTL-Massepotential. Hierbei fällt das Potential im

Schaltungspunkt V₃ ab, so daß der Transistor Qt in den Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

nicht-leitenden Zustand gelangt. Wenn die Basis des

Transistors Qi ein Potential von ungefähr 1,6 V aufweist,

so weist die Basis des Transistors Qt ein Potential von 35

ungefähr 0,8 V auf. und der Transistor Qt wird durchgeschaltet Entsprechend dem Spannungsabfall von 0,4 V

über der Schottky-Diode SD* ergibt sich als tatsachliche

Ausgangsspannung Vo an der Ausgangsklemme eine Spannung von ungefähr 0,4 V. was dem Binärwert 0 *o

entspricht

Es sei nunmehr die Funktion des Transistors Q\ des Stromschalters 1 im Hinblick auf seine eliminierende Wirkung bezüglich Störungen im TTL-Logikgatter 3

beschrieben. Hierbei sei vermerkt, daß bei Vorliegen 45

einer Eingangsbedindung, bei der der Transistor Qi in

den stromführenden Zustand gelangt, der Transistor Qj

die zweifache Aufgabe hat. nämlich das Abschalten des

Transistors Qt und das Einschalten des Transistors Qb

zum gleichen Zeitpunkt Wenn das Potential im Schal- so

tungspunkt V₃ an äer Basis des Transistors Q₄ zu lange

den hohen Wert beibehält, nachdem der Transistor Qi in

den leitenden Zustand gelangt ist, so verbleibt der Transistor Qs ebenfalls im leitenden Zustand und bewirkt

einen großen Stromanstieg des von der Versorgungs- 55

spannung über den gerade eingeschalteten Transistor

Qb nach dem Massepotential fließenden Stromes. Die

Beziehung zwischen dem Kollektorstrom I_cQi im Transistor Qi und dem Kollektorstrom IcQi im Tiansistor Q₂

ist im unteren Teil der F i g. 2 dargestellt, woraus man bo

entnehmen kann, daß bei einem Anstieg des Kollektor-Stromes durch den einen Transistor der Kollektorstrom

durch den anderen Transistor abfällt Der Transistor Qi

erzeugt bei seiner Durchschaltung einen schnellen . - ,

Spannungsabfall am Schahungspunkt V₃. hervorgerufen <>5

durch die CML-Versorgungsspannung von —33 V.

Durch eine schnelle Absenkung des Potentials an der Basis des Transistors Qt gelangt der Transistor Qs vor

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Umsetzen von Signalen eines ersten logischen Pegels in Signale eines zweiten logischen Pegels mit einem TTL-Logikgatter, das auf Grund eines angelegten Eingangssignales am Ausgang Signale auf dem zweiten logischen Pegel abgibt, einem Stromschalter, dessem Eingang Signale des ersten logischen Pegels zugeführt werden und der das Eingangssignal für das TTL-Logikgauer liefert und mit einem an den Stromschalter angeschlossenen Klemmschaltkrcis zur Begrenzung des Stromes durch den Schalter auf einen vorbestimmten Wert, dadurch gekennzeichnet, daß das TTL-Logikgatter (3) an ein erstes Massepotentiai (TTL-Massse) und der Stromschalter (1) an ein zweites von dem ersten Massepotential elektrisch getrenntes Massepotential (CML-Masse) angeschlossen U.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch i ffiii einem CM L-Stromschalter, welcher zwei Transistoren aufweist, deren Emitter miteinander verbunden sind, wobei die Basis des ersten Transistors an das Eingangssignal mit dem ersten logischen Pegel angeschlossen ist. die Basis des zweien Transistors an ein konstantes Bezugspotential angeschlossen ist und der Kollektor des zweiten Transistors mit dem Eingang des TTL-Logikgatters verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die konstante Bezugsspannung durch einen Spannungsteiler (2) gewonnen wird, der zwischen die Betriebsspannup·» (—33 V) und das Massepotential des CML-Stromschalters (1) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das TTL- Logikgatter (3) aufweist:

einen ersten Transistor (Qi), dessen Emitter an den Ausgang (V₀) und dessen Kollektor an eine Betriebsspannung (+5 V) angeschlossen ist. einen zweiten Transistor (Qa), dessen Emitter mit der Basis des ersten Transistors (Qi) verbunden isi und dessen Basis und Kollektor einerseits gemeinsam an die Betriebsspannung (+5 V) angeschlossen sind und andererseits mit dem Kollektor des ersten Transistors (Q₁) des Stromschalters (1) verbunden sind, und einen dritten Transistor (Qt). dessen Kollektor an den Ausgang (V₀) und dessen Emitter an das Massepotential (TTL-Masse) angeschlossen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor-Emitterstrecke eines vierten Transistors (Qi) die Basis des zweiten Transistors (Q*) mit dem Massepotential verbindet und daß die Basis des vierten Transistors (Qi) an den Kollektor des zweiten Transistors (Qi) des Stromschalters (1) und an den Ausgang der Klemmschaltung (4) angeschlossen ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1—4. dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmschaltung (4) zwei zwischen der Betriebsspannung in Reihe geschaltete als Dioden betriebene Transistoren (Qi, Q,) aufweist, denen ein Emitterfolger (Qi) nachgeschaltet ist.