DE2900539B2

DE2900539B2 - Logische Schaltung

Info

Publication number: DE2900539B2
Application number: DE2900539A
Authority: DE
Inventors: Takashi Matsumoto; Isokazu Hiratsuka Matsuzaki; Yutaka Watanabe; Katsumi Yokohama Yabe; Akira Kanagawa Yamagiwa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-01-09
Filing date: 1979-01-08
Publication date: 1981-01-22
Also published as: GB2012137A; US4516039A; GB2012137B; DE2900539C3; DE2900539A1; JPS5494269A

Description

Logische Schaltung mit wenigstens zwei Transistoren (Qn, QrX deren Emitter gemeinsam an eine Konstantstromquelle (9) angeschlossen sind, wobei wenigstens einer der Transistoren an seinem Kollektor ein Ausgangssignal abgibt dessen Basis.ein Eingangssignal zugeführt ist

Der Stand der Technik und die Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert: Es zeigt

F i g. IA das Schaltbild einer CML-Schaltung,

Fig. IB ein logisches Symbol für die Schaltung der Fig. IA,

F i g. IC die Übertragungskennlinie der Schaltung der Fig. IA, wobei die logische Amplitude gleich 1 ist,

Fig.2 das Schaltbild einer herkömmlichen ECL-Schaltung,

F i g. 3A das Schaltbild einer NTL-Schaltung,

Fig.3B das logische Symbol der Schaltung der Fig.3A,

F i g. 3C die Obertragungskennlinie der Schaltung der F i g. 3A, wenn die logische Amplitude gleich 1 ist

Fig.4A das Schaltbild einer erfindungsgemäßen logischen Schaltung,

F i g. 4B die Obertragungskennlinie der Schaltung der Fig.4A,

F i g. 4C einen abgewandelten Aufbau der Schaltung derFig.4A,

Fig.5A das Schaltbild einer weiteren Ausführungs-

form der erfindungsgemäßen logischen Schaltung, bei der mehrere Schaltungen der Fig.4A miteinander verbunden sind, die je als logische Grundschaltung

verwendet werden,

Fig.5B das logische Symbol der Schaltung der Fig.5A,

F i g. 6A das SchaJibild einer weiteren Ausführungsform der erfindungemäßen logischen Schaltung, bei der die logische Grundschaltung der Fig.4A mit einer Formierschaltung verbunden ist

Fig. 6B in einem Diagramm die Übertragungskennlinie der Schaltung der F i g. 6A und

Fig.6C das Schaltbild einer Abwandlung der Schaltung der F ig. 6 A.

Als schnell arbeitende logische Schaltung ist ein logischer Stromschaltkreis (CM L-Schaltung) mit bipolaren Transistoren bekannt (Fig. IA). Für solche Schaltungen wurden verschiedenerlei Verbesserungen vorgeschlagen, beispielsweise in den US-PS 35 02 900, 37 51 680 und 37 58 791.

Es ist zwar bekannt daß die logische Arbeitsweise der CML-Schaltung, die eine Art Stromschaltkreis ist auf dem Betrieb von Transistoren im nichtgesättigten Bereich basiert, trotzdem sei die logische Operation solcher Schaltungen zunächst anhand der Fig. IA, IB und IC erläutert.

Fig. IA zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer CML-Schaltung, Fig. IB ihr logisches Symbol. Die Schaltung der Fig. IA enthält zwei Eingänge A und B und zwei Ausgänge, nämlich einen ODER-Ausgang (A 4 B) und einen NOR-Ausgang (A+ BX Die Schaltung besteht aus einem Grundteil 18 der CML-Schaltung und einem Bezugsspannungsgenerator 19. Der Grundteil 18 enthält Transistoren Qn, Qn und <?„ die mit 6,7 bzw. 8 bezeichnet sind. Das Eingangssignal A wird der Basis des Transistors Qn über einen Eingang 1 und das Eingangssignal B der Basis des Transistors Q₁₂ über einen Eingang 2 zugeführt Die im Bezugsspannungsgenerator 19 erzeugte Bezugsspannung wird über einen Eingang 5 der Basis des Transistors Q_n zugeführt. Die Emitter der Transistoren Qn, Qn und Q_r sind gemeinsam mit einer Konstantstromquelle 9 verbunden. Die Kollektoren der Transistoren Qn und Qn sind gemeinsam über einen Widerstand R₁, der mit 10 bezeichnet ist an Masse geführt Der Kollektor des Widerstandes Q_r ist über einen mit 11 bezeichneten Widerstand R₂ an Masse geführt. Je nach dem, ob wenigstens eine der Eingangsspannungen an den Eingängen 1 und 2 höher ist als die Bezugsspannung am Bezugsspannungseingang 5 oder nicht, fließt durch die Transistoren Qn und Qn oder durch den Transistor Q_r ein konstanter Strom zur Konstantstromquelle 9. Durch den Spannungsabfall am Widerstand R\ oder Ri infolge des fließenden konstanten Stroms entsteht ein NOR- oder ODER-Ausgangssignal. Das heißt, an dem mit den Kollektoren der Transistoren Qn und Qn verbundenen Ausgang 4 entsteht ein Ausgangssignal Onor, während an dem mit dem Kollektor des Transistors Q_r

ng *J cill nüagafigäSigfiei IA)R(ODER)

entsteht Unter den zu derartigen CML-Schaltungen gehörenden logischen Schaltungen wird eine sogenannte emittergekoppelte logische (ECL)-St'naltung praktisch verwendet, deren logische Amplitude 0,8 V beträgt und von der die Ausgangssignale gemäß F i g. 2 aber als Emitterfolger geschaltete Transistoren 12 und 13 abgegriffen werden und bei der eine Quellenspannung von - Vee gleich -5,2 V verwendet wird. Die ECL-Schaltung eignet sich zur Verwendung bei herkömmlichen wenig oder mäßig integrierten Schaltungen, die in einem auf ι ο einer gedruckten Schaltung befestigten Gehäuse untergebracht sind. Die logische Amplitude von 0,8 V wird verwendet, um einen Bereich für Störungen vorzusehen, die in einem solchem Fall in den langen Verbindungsdrähten zwischen den Chips entstehen. Die als Emitterfolger geschalteten Transistoren 12 und 13, die mit den Anschlußwiderständen 14 und 15 verbunden sind, dienen dazu, die langen Verbindungsdrähte 16 und 17 zwischen den Schaltungen zu speisen, die Kollektorspannungen der Transistoren Qn, Qn und Q_r im eingeschalteten Zustand auf einem vorbestimmten Pegel zu halten (F i g. 2\ und um zu verhindern, daß die Transistoren in ihren gesättigten Bereich gelangen. Die ECL-Schaltung hat jedoch den Nachteil, daß, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit arbeitet, der Leistungsverbrauch nicht nur in dem Grundschaltungsteil 18. sondern auch in den als Emitterfolger geschalteten Transistoren 12 und 13 und in den Anschlußwiderständen 14 und 15 hoch wird, und daß zusätzlich zu den integrierten Schaltungen eine große Anzahl von Anschlußwiderständen wie den Widerständen 14 und 15 notwendig ist

Abgesehen von den vorstehend beschriebenen ECL-Schaltungen wurde vorgeschlagen, mit der CML-Schaltung selbst logische Operationen durchzuführen, die in in großem Maße integrierten Schaltungen verwendbar ist Danach ist es aus folgenden Gründen möglich, die Absgangssignale direkt von den Kollektoren der Transistoren abzugreifen.

1. Da bei der CML-Schaitung weniger Störungen entstehen und sie durch verschiedene Parameter wie die Temperatur und die angelegte Spannung bei hohem Integrationsgrad weniger beeinflußt wird als bei herkömmlicher Befestigung oder Unterbringung, ist es möglich, eine kleine logische Amplitude zu verwenden, die etwa halb so groß ist wie die herkömmliche Amplitude von 03 V. Der Ausdruck »im hohen Maße oder stark integriert« bedeutet hier nicht nur die Erhöhung der Packungs- oder Integrationsdichte der Schaltungen auf einem Siliziumplättchen, sondern auch solche Anordnungsmethoden, durch die sich verglichen so mit dem herkömmlichen Vorgehen eine wesentlich höhere Packungsdichte erreichen läßt, indem die integrierten Schaltungen auf mehreren keramischen Substanzen angeordnet werden.

2. Bei der ECL-Schaltung müssen die als Emitterfolger geschalteten Transistoren verwendet werden, um zu verhindern, daß die Transistoren Qn, Qn und Q_r im eingeschalteten Zustand in Abhängigkeit von den Vorspannbedingungen in den gesättigten Bereich gelangen. Wie unter (1) erwähnt, läßt sich durch die Verwendung einer geringen logischen Amplitude die Schwierigkeit der Sättigung des Transistors vermeiden, so daß die als Emitterfolger geschalteten Transistoren überflüssig werden. Bei hoher Integrationsdichte ist daher die CML-Schaltung (Fig. IA), bei der die Ausgangssignale direkt von den Kollektoren abgegriffen werden, hinsichtlich einer geringen Anzahl von Schäiiüilgäcicnienien und eines möglichst geringen Leistungsverbrauchs vorteilhaft Die in Fi g. IA gezeigte CML-Schaltung hat jedoch andere Nachteile.

1. Wird bei der CML-Schaltung in üblicher Weise eine Bezugsspannung von einem Bezugsspannungsgenerator zugeführt, der ständig eine Spannung mit einem festen Wert erzeugt, beginnt die Umschaltung des Stroms nicht bis die Eingangsspannung einen .konstanten Wert überschreitet Um diese Tatsache genauer zu erläutern, ist in F i g. 1C die Übergangs- oder Übertragungskennlinie der CML-Schaltung gezeigt In dem Diagramm der Fig. IC ist auf der Abszisse und Ordinate die relative Eingangs- bzw. Ausgangsspannung aufgetragen. Beispielsweise wird bei einem Ausgangssignal Ohor die relative Ausgangsspannung bei etwa 1 gehalten, bis die Eingangsspannung sich auf einen Bereich von 0,2 bis 03 ändert Mit anderen Worten, es entsteht eine Übertragungs- oder Umschaltverzögerung der logischen Operation, die der Zeitspanne entspricht während der die Ausgangsspannung unverändert bleibt Eine abrupte Änderung der Eingangsspannung wird benötigt um die Übertragungs- oder Uinschaltverzögerung zu vermindern. Das heißt, es ist nicht möglich, diese Verzögerung zu vermindern, ohne als Eingangssignal einen Impuls zu verwenden, dessen Anstiegs- und Abfallzeit kurz ist. Je kürzer aber die Abstiegs- und Abfallzeit des Impulses ist um so stärker machen sich Störungen infolge von Reflexionen, Übersprechen oder dergleichen bemerkbar. Bei der normalen CML-Schaltung besteht daher die Schwierigkeit daß, wenn mit hoher Geschwindigkeit gearbeitet werden soll, die Einschränkungen hinsichtlich der Befestigung oder Packung sehr einschneidend werden.

Die US-PS 35 58 914 bezieht sich auf eine logische Schaltung, bei der eine Bezugsspannung verwendet wird. Hierbei wird der Basis eines Transistors eine konstante Spannung zugeführt, wobei die Schwellenspannung entsprechend eingestellt wird, je nach dem, ob das Ausgangssignal C der Schaltung einen hohen oder niedrigen Pegel aufweist Die Kollektoren des ersten und zweiten Transistors 1, 2 sind durch Widerstände 6 bzw. 7 miteinander verbunden. Der Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände ist an die Basis des zweiten Transistors 2 angeschlossen, so daß dessen Basis vorgespannt ist und auf diese Weise eine Bezugsspannung erzeugt wird.

Es ist daher nicht notwendig, zur Erzeugung einer Bezugsspannung weitere Schaltungsbestandteile vorzusehen.

Bei der aus der US-PS 35 58 914 bekannten Anordnung werden temperaturbedingte Änderungen der Bezugsspannung dadurch kompensiert daß die Widerstände 6 und 7 gleiche Widerstände haben. Da der Transistor 2 über die Widerstände vorgespannt ist arbeitet die Schaltung verhältnismäßig langsam.

2. Gemäß Fig. IA benötigt die normale CML-Schaltung zusätzlich zur Grundschaltung 18 die Bezugsspannungsquelle 19.

Um die obigen Schwierigkeiten zu lösen, wurde eine ohne Schaltschwelle arbeitende logische Schaltung (im folgenden als NTL-Schaltung bezeichnet) vorgeschlagen, wie sie in den F i g. 3A bis 3C gezeigt ist (US-PS 37 67 737). Ein wesentliches Merkmal der NTL-Schaltung besteht darin, daß der Widerstandswert eines Widerstandes Ra kleiner ist als der eines Widerstandes Rb, und daß der Arbeitspegel der Transistoren Qn und Qi 2 innerhalb eines begrenzten Bereichs gehalten wird, der zwischen dem gesättigten und dem nicht nichtgesättigten Bereich liegt. Die übertragungs- oder limschait-

kennlinie der Schaltung ist so gewählt, daß die in Relativwerten aufgetragene Ausgangsspannung zu fallen beginnt (Fig.3C), sobald die ebenfalls in Relativwerten aufgetragene Eingangsspannung angelegt wird, und daß in der Umschaltkennlinie keine Schwelle vorhanden ist. In F i g. 3C sind auf der Abszisse und Ordinate die gleichen Spannungen wie in Fig. IC aufgetragen. Wegen der vorstehend beschriebenen Umschaltkennlinie ist die NTL-Schaltung hinsichtlich der Übertragungsverzögerung der CML-Schaltung überlegen. Die Grundschaltung der NTL-Schaltung kann jedoch entgegen der CML-Schaltung nur ein einziges Ausgangssignal bereitstellen, so daß bei Verwendung von NTL-Schaltungen hinsichtlich der logischen Auslegung eine große Anzahl von Grundschaltungen erforderlich ist Da bei der NTL-Schaltung die Transistoren in der Nähe des gesättigten Bereiches arbeiten, arbeitet diese Schaltung darüber hinaus langsam und ist daher verglichen mit dem Fall nachteilig, daß die Transistoren vollständig im nichtgesättigten Bereich arbeiten. Ferner ist, obwohl jede logische Einheitsschaltung der NTL-Schaltung keine Schwelle zu haben braucht, für die gesamte logische Schaltung eine gewisse Schwelle notwendig. In der letzten Stufe einer Gruppe logischer Schaltungen wird daher die sich von der Schaltung der Fig.3A unterscheidende CML-Schaltung der Fig. IA benötigt. Obwohl verglichen mit dem Fall, daß nur CML-Schaltuigen verwendet werden, bei einem solchen Schaltungsaufbau eine sehr geringe Anzahl von Bezugsspannungsquellen notwendig ist, kann doch auf die Bezugsspannungsquelle nicht völlig verzichtet werden.

Als Abwandlungen der NTL-Schaltungen wurden außer der der Fig.3A verschiedene Schaltungen vorgeschlagen. All diese Schaltungen haben jedoch die vorstehend erwähnten Eigenschaften, so daß der Widerstandswert des Widerstandes /?i (F i g. 1 A) größer sein muß als der des Widerstandes R₂, und der Arbeitspegel der Transistoren Qn und Qn innerhalb eines begrenzten Bereichs zwischen dem nichtgesättigten und dem gesättigten Bereich gehalten wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Mangel und Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Stromschaltkreis mit einer schwellenlosen Übertragungs- oder Umschaltcharakteristik geschaffen werden, der mit hoher Geschwindigkeit arbeiten kann.

Dies wird bei einer logischen Schaltung der eingangs genannten Gattung dadurch erreicht, daß Kollektor und Basis des zweiten Transistors unmittelbar miteinander verbunden sind.

Da Basis und Kollektor des zweiten Transistors unmittelbar miteinander verbunden sind, wird die Spannung an der Basis auf den Kollektor rückgekoppelt Dabei folgt die Spannung an der Basis der am Emitter bzw. ist von dieser abhängig. Die Spannung am Emitter ist die gleiche wie die am Emitter des ersten Transistors, dem das Eingangssignal zugeführt wird, weil die Emitter des ersten und des zweiten Transistors miteinander verbunden sind. Ferner ändert sich die Spannung am Emitter des ersten Transistors, dem das Eingangssignal zugeführt wird, entsprechend der Spannung des Eingangssignals. Daraus ergibt sich, daB die Spannung am Kollektor des zweiten Transistors sich in Abhängigkeit von der Spannungsänderung des Eingangssignals ändert Das Ausgangssignal an der Kollektorseite des zweiten Transistors hat daher für das Eingangssignal keine Schwelle, und es treten zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal kaum Verzögerungszeiten auf. Dabei ist die Schaltung ein Stromschaltkreis. Daher hat auch das Ausgangssignal vom Kollektor des ersten Transistors, dem das Eingangssignal zugeführt wird, eine Kennlinie ohne Schwelle.

Wie erläutert, wird bei dem Stromschaltkreis wegen der Gleichstromkopplung zwischen Kollektor und Basis des zweiten Transistors die Spannung an der Basis auf den Kollektor rückgekoppelt, wodurch der Schaltvor gang gesteuert und somit eine Umschaltkennlinie ohne Schwelle erzielt wird. Da die Spannung am Kollektor des ersten Transistors durch die Spannung an der Basis begrenzt wird, können die Transistoren bei geeigneter Vorspannung im nichtgesättigten Bereich betrieben

is werden, ohne daß als Emitterfolger geschaltete Transistoren notwendig wären.

Bei diesem Schaltungsaufbau läßt sich ein Stromschaltkreis mit schwellenloser Übertragungskennlinie realisieren und es ist durch Anwendung des beschriebe nen Stromschaltkreises möglich, eine logische Schaltung bereitzustellen, die praktisch unverzögert arbeitet Weiter ist die hohe Arbeitsgeschwindigkeit dadurch erzielbar, daß die Vorspannungen so eingestellt werden, daß die Transistoren im nichtgesättigten Bereich arbeiten. Da der Stromschaltkreis als logische Grundschaltung verwendet wird und auch als Signalformschaltung verwendet werden kann, können die logische Grundschaltung und die Signalformschaltung, die beide aus dem Stromschaltkreis bestehen, durch ähnliche Elementanordnungen realisiert werden- Die den Stromschaltkreis enthaltende logische Schaltung kann daher in starkem Maße integriert werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbei spiele erläutert

Bei dem in F i g. 4A gezeigten ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen logischen Schaltung wird ein Eingangssignal A einem Eingang 1 zugeführt, der an die Basis des Transistors Qn angeschlossen ist Ein Eingangssignal B wird einem Eingang 2 zugeführt der an die Basis des Transistors Qi₂ angeschlossen ist Der Emitter des Transistors Q_n dessen Kollektor und Basis direkt miteinander verbunden sind, ist zusammen mit den Emittern der Transistoren Qn und Qn an eine gemeinsame Konstantstromquelle 9 angeschlossen. Die Kollektoren der Transistoren Qn und Q,-₂ sind über einen Widerstand R₁ und der Kollektor des Transistors Qr über einen Widerstand A₂ an Masse geführt Dem Leistungseingang der Konstantstromquelle 9 ist eine

so Speisespannung - V_EE zugeführt Demzufolge wird zwischen dem Leistungsanschluß und Masse elektrische Energie zugeführt

Wird bei dem vorstehend beschriebenen Schaltungsaufbau ein Eingangssignal mit hohem Potential (etwa

gleich Massepotential) dem Eingang 1 zugeführt, so wird das Potential des Verbindungspunktes zwischen den Transistoren Q_n, Qn und Q_r und der Konstantstromquelle 9 auf einen Wert festgelegt, der sich durch Subtraktion der Durchlaßspannung der Basis-Emitter- Strecke des Transistors Qn vom Massepotential ergibt (0,8 V). Am O₀R-Ausgang 3 erscheint dann ein Potential, das höher ist als der festgelegte Spannungspegel, und zwar um die Durchlaßspannung an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q_n d. h. das Massepotential; dies

es Hegt an der direkten Kopplung zwischen Basis und Kollektor des Transistors Q₁. Wenn also die Transistoren Qn und Q_r die gleiche Kennlinie haben, tritt am Cbn-Ausgang 3 eine Potentialänderung ein, die etwa

gleich ist der Änderung des Eingangspotentials unmittelbar nach der Änderung des Eingangssignals. Gleichzeitig fließt fast der gesamte in die Konstantstromquelle 9 fließende Strom über den Kollektor des Transistors Qn, so daß infolge des Spannungsabfalls am Widerstand R\ am QNOR-Ausgang 4 ein Potential von beispielsweise — 0,4 V erscheint

Um den Transistor Qn im nichtgesättigten Bereich zu betreiben, sind der Widerstandswert des Widerstands /?i, der konstante Strom und die logischen Eingangs- und Ausgangspegel so gewählt, daß der Spannungsabfall an der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Qn selbst bei einer möglichen Änderung Speisespannung und einer möglichen Temperaturänderung größer ist als der maximale Kollektor-Emitter-Spannungsabfall des Transistors Qn, wenn dieser im gesättigten Bereich betrieben wird. Der Widerstandswert des Widerstandes A₂ wird in der Nachbarschaft eines Wertes festgelegt, der durch Teilung der logischen Amplitude durch den konstanten Strom erhalten wird, um eine Verschiebung des logischen Pegels auf der NOR-Seite vom logischen Pegel am Eingang zu unterdrücken. In der vorliegenden Ausführungsform wird die logische Amplitude zu 0,4 V gewählt Die Widerstandswerte der Widerstände Ri und A₂ sind so festgelegt, daß sie etwa im gleichen Bereich liegen und die obigen notwendigen Bedingungen erfüllen, so daß sämtliche Transistoren im nichtgesättigten Bereich arbeiten. Wenn daher das Potential am CVicm-Ausgang 4 etwa gleich — 0,4 V (niedriger Pegel) ist, ist das Potential am ObR-Ausgr,ng 3 etwa gleich Massepotential (hoher Pegel). Nimmt das Potential des dem Eingang 1 zugeführten Eingangssignals vom hohen Pegel (Massepotential) zum niedrigen Pegel (—0,4 V) ab, beginnt über den Transistors Q₁- mit der negativen Rückkopplung unmittelbar auf die Potentialänderung des zugeführten Eingangssignals ein elektrischer Strom zu fließen. Der durch den Transistor Q₁-1 geflossene Strom wird um den Betrag des Stroms durch den Transistor Q_r vermindert Die Ausgangspotentiale am (^ioR-Ausgang 4 und am ObR-Ausgang 3 ändern sich daher fast linear, wie durch die Übertragungskennlinien der Fig.4B angedeutet In Fig.4B ist auf der Abszisse die Eingangs- und auf der Ordinate die Ausgangsspannung aufgetragen. Wie ersichtlich, hat die Obertragungskennlinie keine Schwelle. Nimmt das Potential des dem Eingang 1 zugeführten Eingangssignals auf den niedrigen Pegel (-0,4 V) ab, so fließt fast der gesamte konstante Strom über den Transistor Q^ Somit erscheint am OnoR-Ausgang 4 ein Potential (hoher Pegel), das etwa gleich dem Massepotential ist, während am ObR-Ausgang 3 ein Potential (niedriger Pegel) erscheint das annähernd gleich —0,4 V ist In der vorstehenden Beschreibung wurde angenommen, daß dem Eingang 2 stets ein Eingangssignal mit niedrigem Pegel zugeführt wird. Die Schaltung arbeitet ebenso, wenn dem Eingang 1 stets ein Eingangssignal mit niedrigem Pegel und dem Eingang 2 stets ein anderes Eingangssignal mit variablem Pegel zugeführt wird. Als Konstantstromquelle 9 der F ig.4A kann eine bekannte Konstantstromquelle verwendet werden, bei der eine Kombination aus einem Widerstand und einem Transistor an eine negative Speisespannung — Vee angeschlossen ist Ebenso kann ein Widerstand mit der negativen Speisespannung — Vee verbunden werden, dessen Widerstandswert wesentlich höher ist als der der Widerstände R_x und R₂-

Statt, wie vorstehend erläutert, die Widerstände R_x und Ri gleich groß zu wählen, kann der Wert des Widerstandes R\ auch etwas größer als der des Widerstandes R₂ gewählt werden. In diesem Fall ist das Potential am Osicm-Ausgang bei eingeschaltetem Transistor Qn oder Qn annähernd gleich —0,4 V und im ausgeschalteten Zustand der Transistoren Qn und Q₁-₂ gleich 0 V. Das heißt, die Kennlinie verläuft gemäß der gestrichelten Kurve in F i g. 4B. Haben die Widerstände R] und A₂ den gleichen Widerstandswert, so läßt sich, weil die Ausgangsspannung gemäß der ausgezogenen Kurve in Fig. 4B gegenüber der Eingangsspannung etwas gedämpft wird, diese Dämpfung oder Absenkung nicht vernachlässigen, wenn eine große Anzahl logischer Schaltungen zu einer mehrstufigen Schaltung kombiniert ist Da das Ausgangssignal am Onor-Ausgang vorzugsweise verwendet wird, ist die Absenkung dieses Ausgangssignals ein ernstes Problem. Die Dämpfung des am ÜNOR-Ausgang abgegriffenen Ausgangssignals läßt sich jedoch gemäß der gestrichelten Kurve in Fig.4B verbessern, indem der Wert des Widerstandes R^ größer als der des Widerstandes R2 gewählt wird.

Es können Widerstände verwendet werden, die bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel weggelassen wurden. Das heißt es können Widerstände Rn bzw. Rj2 zwischen die Basis des Transistors Qn und den Eingang 1 sowie zwischen die Basis des Transistors Q12 und den Eingang 2 geschaltet werden. Ferner wird dabei zwischen den Kollektor und die Basis des Transistors Q_r ein Widerstand R_r gesetzt Durch diese Widerstände Rn, Rn und «_r lassen sich die Schwingungen der den Basen der jeweiligen Transistoren zugeführten Signale unterdrücken. Dabei wird der Widerstandswert dieser Widerstände durch die Beziehung zwischen dem angelegten Signal und die Kennwerte der Transistoren bestimmt

Wie in F i g. 4C gezeigt können ferner die Widerstände R\ und R₂ über einen gemeinsamen Widerstand R₁₂ an Masse geführt werden. In diesem Fall wird dem Ausgangspotential am CVior- und am Obit-Ausgang infolge des Spannungsabfalls am Widerstand R]₂ ein konstantes Potential hinzuaddiert

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Logikschaltung enthält diese zwei Eingänge, wobei den Basen der Transistoren Qn und Q₁₂ je ein Eingangssignal zugeführt wird. Statt dessen kann die erfindungsgemäße logische Schaltung auch nur einen Transistor Qn enthalten, dem ein einziges Eingangssignal zugeführt wird. Umgekehrt kann die erfindungsgemäße logische Schaltung zusätzlich zu den Transistoren Qn und Q_j2 weitere Transistoren Q₁₃, Qn, ..,Qi_n enthalten, so daß ihr eine entsprechende Anzahl von Eingangssignalen zugeführt werden kann. Außerdem kann die erfindungsgemäße logische Schaltung so aufgebaut sein, daß entweder nur am Ausgang 4 ein Ausgangssignal Onor oder am Ausgang 3 nur das Ausgangssignal O₀R abgegriffen werden kann.

Statt, wie im Ausführungsbeispiel der F i g. 4A direkt, können die Basis und er Kollektor des Widerstandes Q_r auch über einen Widerstand miteinander verbunden sein. Da die Basis mit dem Kollektor verbunden ist, um die Basisspannung negativ auf den Kollektor rückzukoppeln, reicht eine Gleichstromkopplung zwischen Basis und Kollektor vollständig aus.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.5A sind mehrere logische Grundschaltungen 21a, 21 ft, 21c und 2id gemäß Fig.4A zusammengeschaltet, um eine bestimmte logische Operation auszuführen. Dabei

haben die logischen Grundschaltungen 21a und J zwei Eingänge und sind damit identisch mit der Schaltung der F i g. 4A, während die Grundschaltungen 21 b und 21c nur einen Eingang aufweisen. F i g. 5B zeigt das logische Symbol der Schaltung der F i g. 5A. Den Eingängen 1 und 2 der logischen Schaltung 21a werden Eingangssignale von anderen, nicht gezeigten logischen Schaltungen zugeführt Der O^oR-Ausgang 4 der logischen Schaltung 21a ist mit dem Eingang 1 der logischen Grundschaltung 2\b verbunden, während der OoR-Ausgang 3 der logischen Schaltung 21a mit dem Eingang 1 der logischen Schaltung 21c/ verbunden ist Der ONOR-Ausgang 4 der logischen Schaltung 21 b ist mit dem Eingang 1 der logischen Schaltung 21c verbunden, die Ausgänge 3 und 4 der logischen Schaltung 21c sind mit den Eingängen anderer, nicht gezeigter Schaltungen verbunden. Dem Eingang 2 der logischen Schaltung 21t/ wird von einer weiteren, nicht gezeigten Schaltung ein Eingangssignal zugeführt, während ihre Ausgänge 3 und 4 mit den Eingängen anderer, nicht gezeigter Schaltungen verbunden sind. Wie aus dem Beispiel Fig.5A ersichtlich, haben die erfindungsgemäßen logischen Schaltungen einen weiten Funktionsbereich, wenn eine große Anzahl logischer Schaltungen 21a, 21 Z), ... des Grundaufbaues verwendet und der Ausgang 3 oder 4 jeder logischen Schaltung in geeigneter Weise mit dem Eingang 1 oder 2 einer anderen logischen Schaltung verbunden wird. Wie weiter aus dem Schaltungsaufbau der F i g. 5A ersichtlich ist, kann diese Logikschaltung durch wiederholte Anordnung ähnlicher Schaltungen aufgebaut werden, so daß sie sich sehr zur Anwendung in stark integrierten Schaltungen eignet

Weiter können die logischen Schaltungen 21 bund 21c der F i g. 5A durch logische Schaltungen des Grundtyps ersetzt werden, die mit den logischen Schaltungen 21a und 2\d in Fig.5A identisch sind, derart, daß nicht ausgenutzten Ein- oder Ausgängen feste Potentiale zugeführt werden. In diesem Fall kann eine gewünschte Logikschaltung realisiert werden, indem wiederholt identische logische Grundschaltungen verwendet werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.6A ist eine Signalformschaltung 22 mit einer logischen Grundschaltung 21 verbunden, die der logischen Schaltung der F i g. 4A entspricht. Die Schaltung der F i g. 6A eignet sich zur Verwendung in der letzten Stufe einer mehrstufigen Schaltung, die aus einer großen Anzahl der logischen Grundschaltungen besteht In diesem Fall wird der logischen Grundschaltungen besteht In diesem Fall wird die logische Amplitude des Ausgangssignals so am CVioR- und GoR-Ausgang 4 bzw. 3 gegenüber der vorbestimmten logischen Amplitude von 0,4 V abgesenkt Die Signalformschaltung 22 dient dazu, ein Signal mit abgesenkter logischer Amplitude in ein Signal mit der vorbestimmten logischen Amplitude umzuwandeln. Die Eingänge 23 und 24 der Signalformschaltung 22 sind mit dem CVior- bzw. Cbn-Ausgang 4 bzw. 3 der logischen Schaltung 21 der letzten Stufe verbunden. Die Eingänge 23 und 24 sind mit den Basen von Transistoren Q\ bzw. Q'r verbunden, die mit 25 bzw. 26 bezeichnet » sind. Die Emitter der Transistoren Q'i und Q'_r sind miteinander und mit einer Konstantstromquelle 27 verbunden. Die Kollektoren der Transistoren <?'und Q'_r sind mit den Ausgängen 30 bzw. 31 verbunden und beide über einen mit 28 bezeichneten Widerstand R3 bzw. ^ω einen mit 29 bezeichneten Widerstand Ä» mit Masse verbunden.

Die Übertragungskennlinien der Signalformschaltung

22 sind in Fig. 6B gezeigt. Sie ähneln denen der normalen CML-Schaltung (F i g. 1 C), jedoch ändern sich die Ausgangsspannungen vollständig in einem engeren Bereich der Eingangsspannung. Dies liegt daran, daß die den Eingängen 23 und 24 zugeführten Signale aus einem Ausgangssignalpaar der vorangehenden logischen Schaltung 21 bestehen, deren Polarität entgegengesetzt ist Selbst wenn daher das Ausgangssignal der logischen Schaltung 21 in der letzten Stufe auf die Hälfte des vorbestimmten Wertes sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Pegeln abgesenkt wird, d. h, selbst wenn das Ausgangssignal eine logische Amplitude zwischen —0,1 und — 0,3 V hat, führt die Signalformschaltung 22 eine befriedigende Schaltoperation durch.

Eine weitere günstige Eigenschaft der Signaiformschaltung besteht darin, daß sie selbstausrichtend wirkt so daß selbst wenn das Ausgangssignal der logischen Schaltung 21 der letzten Stufe nur in einen Pegel (hoch oder niedrig) abgesenkt wird, eine befriedigende Schaltoperation ausgeführt werden kann. Dies liegt daran, daß die Differenz zwischen dem hohen und dem niedrigen Pegel des den Eingängen 23 und 24 zugeführten Signals selbst dann unverändert bleibt, wenn sich der logische Pegel ändert In diesem Fall verschiebt sich die Mitte des Potentialbereichs des Eingangssignals, in dem die Stromumschaltung stattfindet, von — 0,2 V gemäß F i g. 6B auf einen Pegel, der im Ausgangssignal von der logischen Schaltung 21 abgesenkt wurde.

Die Signalformschaltung 22 schaltet also sicher, selbst wenn das Ausgangssignal der vorangehenden logischen Stufe 21 auf die Hafte des vorbestimmten Wertes abgesenkt wird, und zwar gleichgültig, ob beide Pegel oder nur ein Pegel abgesenkt wird. Wenn nur die Schaltoperation ausgeführt wird, so erscheinen an den Ausgängen Ausgangssignale, deren Polarität entgegengesetzt ist und die eine vorbestimmte logische Amplitude haben. Die Polarität des Signals am Ausgang 30 der Signalformschaltung 22 ist entgegengesetzt der Polarität des dem Eingang 23 zugeführten Signals, die Polarität des Signals am Ausgang 31 ist die gleiche wie die des im Eingang 23 zugeführten Signals.

Die Signalformschaltung 22 kann so aufgebaut sein, daß die Widerstände /?₃ und R₄ miteinander verbunden und über einen Widerstand A₃₄ mit Masse verbunden sind (F i g. 6C). In diesem Fall wird, wie anhand F i g. 4C erläutert, zu den Ausgangsspannungen an den Ausgängen 30 und 31 wegen des Spannungsabfalls am Widerstand A₃₄ ein konstantes Potential hinzuaddiert

Gemäß F i g. 6A kann die Signalformschaltung durch eine Kombination von Schaltungselementen gebildet werden, die die logische Schaltung 21 bilden. Mit anderen Worten, die Widerstände R\, Ri, Rz und A₄ können gleiche Widerstandswerte, die Transistoren Qn, Qn und Qr können die gleichen Kenndaten wie die Transitoren Q'i und Q'_a und die Konstantstromquelle 9 kann den gleichen Schaltungsaufbau haben wie die Konstantstromquelle 27.

Entsprechend können sämtliche logischen Schaltungen durch Verwendung mehrerer Gruppen von Schaltungselementen gebildet werden, von denen eine Gruppe die wesentlichen Elemente darstellt, die zum Aufbau einer Grundschaltung benötigt werden. Zur Ausbildung einer großen Vielfalt logischer Schaltungen in Form integrierter Schaltungen werden in weitem Maße sogenannte »master-slices« verwendet, so daß die Herstellung der wesentlichen Elemente einer Grundschaltung mit der gleichen Maske erfolgt und nur der

letzte Verdrahtungsschritt je nach Art der Schaltung abgewandelt wird.

Nach der vorliegenden Erfindung kann eine bestimmte logische Schaltung mit geringen Kosten und hoher Ausbeute unter Verwendung der Grundschaltung als die Schaltung bildendem Element hergestellt werden, Integrierte Schaltungen der vorbestimmten logischen Schaltung können unter Verwendung von sogenannten »master-slices« hergestellt werden. Ferner kann eine integrierte Schaltung mit der erfindungsgemäßen logischen Schaltung mit hoher Geschwindigkeit arbeiten.

Da bei der erfindungsgemäßen Schaltung die

Übertragungsverzögerung unabhängig von den Anstiegs- und Abfallzeiten eines Signals ist, können Signalimpulse mit geringer Flankensteilheit verwendet werden, und zwar nicht ήιγ zur Signalübertragung innerhalb einer integrierten Schaltung, die eine logische Schaltung gemäß der Erfindung enthält, sondern auch zur Signalübertragung zwischen solchen integrierten Schaltungen. Die Einschränkungen hinsichtlich der gegenseitigen Zuordnung der integrierten Schaltungen werden daher durch die Erfindung wesentlich gemildert, so daß insgesamt billige und stabil arbeitende Schaltungen realisiert werden können.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

29 OO 539 Patentansprüche:

1. Logische Schaltung mit wenigstens zwei Transistoren (Qn, QrX deren Emitter gemeinsam an eine Konstantstromquelle (9) angeschlossen sind, wobei wenigstens einer der Transistoren an seinem Kollektor ein Ausgangssignal abgibt, dessen Basis ein Eingangssignal zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß Kollektor und Basis des zweiten Transistors (Q_r) unmittelbar miteinander verbunden sind.

2. Logische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (Qn, Qr) so vorgespannt sind, daß sie im nichtgesättigten Bereich arbeiten.

3. Logische Schaltung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen dritten Transistor (QnX dessen Kollektor und Emitter mit dem Kollektor bzw. Emitter des ersten Transistors (Qn) verbunden sind und dessen Basis ein Eingangssignal zugeführt ist

4. Logische Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Kollektoren der beiden Transistoren (Qn, Qr) je über einen Widerstand (R\, Rt) mit einem ersten Anschluß einer Spannungsquelle verbunden sind, und daß die Konstantstromquelle (9) mit dem zweiten Anschluß der Spannungsquelle verbunden ist

5. Logische Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anschluß der Spannungsquelle auf Masse geführt ist

6. Logische Schaltung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet daß die Widerstandswerte des ersten (Ri) und des zweiten Widerstandes (Rt) einander im wesentlichen gleich sind.

7. Logische Schaltung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet daß der Widerstandswert des zweiten Widerstandes (R\) größer ist als der des ersten Widerstandes (R₁)

8. Logische Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den ersten und zweiten Widerstand (Ru R2) und den ersten Anschluß der Spannungsquelle ein dritter Widerstand (Rn) geschaltet ist