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Diese Erfindung bezieht sich auf die Herabsetzung der Wirkung
von Übergängen beim Betrieb integrierter Schaltkreise und insbesondere
auf die Verringerung der Störungen von auf dem Chip angebrachten
Leistungsschienen und der Wirkung der Leistungsschienenstörungen auf den
Betrieb von hochgeschwinden digitalen integrierten Schaltkreisen.
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Leistungsschienenstörung ist eine Übergangsbedingung, die man
bei auf dem Chip angebrachten Leistungsverteilungsleitungen findet,
meistens Vcc und Masse, bei bestimmten Typen von hochgeschwinden digitalen
integrierten Schaltkreisen. Die Bedingung tritt während des Schaltens
von Hochstrom- oder Hochleistungsschaltkreisen des integrierten
Schaltkreises auf infolge der Wechselwirkung von parasitären Induktivitäten
mit lokalen Leistungssenken. Ein Typ von Leistungsschienenstörung, der
Masserücksprung, tritt auf, wenn das Potential der internen Masse der
Komponente sich relativ zu der Systemmasse ändert. Eine entsprechende
Bedingung bezüglich internem Vcc ist als Vcc-Quetschung bekannt.
Masserücksprung allein, Vcc-Quetschung allein oder die Kombination von beiden
bewirken das Auftreten von Störzuständen und -übergängen in den
geschalteten Schaltkreisen wie auch bei anderen Schaltkreisen, die an die
geschalteten Schaltkreise angekoppelt sind, wodurch gehaltene Daten
korrumpiert werden oder bewirkt wird, daß Störzustände oder -übergänge in
den Ausgang übertragen werden.
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Aus dem Dokument EP-A-0 147 635 ist eine integrierte
Ausgangspufferschaltung bekannt, enthaltend einen Eingangsschaltkreis, einen
Ausgangsschaltkreis mit einem Ausgangsniederziehtransistor und einem
Gleichspannungs-Miller-Killer-Schaltkreis. Die Gleichspannungs-Miller-
Killer-Schaltung besitzt einen ersten Transistor für das Entladen von
Ladung, gekoppelt durch die Miller-Kapazität des
Ausgangsniederziehtransistors, einen zweiten Transistor für das Schalten des ersten
Transistors in Reaktion auf ein Ausgangsentsperrsignal und einen Entladepfad
zwischen der Basis des ersten Transistors und Masse für das Entladen
gespeicherter Ladung von der Basis des ersten Transistors.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Verringerung der
Wirkung von Leistungsschienenstörungen auf das Verhalten des
integrierten Ausgangspufferschaltkreises. Die Erfindung wird durch Anspruch 1
definiert.
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Die integrierte Ausgangspufferschaltung wie beansprucht
besitzt einen Eingangsschaltkreis, einen Ausgangsschaltkreis mit einem
Ausgangsniederziehtransistor und einen Gleichspannungs-Miller-Killer-
Schaltkreis. Der Gleichspannungs-Miller-Killer-Schaltkreis wird
verbessert, um die Zunahme von Masserücksprung zu vermeiden. Die
Verbesserungen umfassen das Verzögern des Durchschaltens des Gleichspannungs-
Miller-Killer-Schaltkreises und Begrenzen der Entladerate des
Ausgangsniederziehtransistors durch den
Gleichspannungs-Miiler-Killer-Schaltkreis.
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Fig. 1 illustriert eine Latch-Schaltung, die modifiziert ist
zum Verringern von Leistungsschienenstörungen (nicht beansprucht).
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Fig. 2 illustriert eine Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 3 ist eine schematische Illustration einer Standard-
Gleichspannungs-Miller-Kiler-Schaltung.
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Ein schematisches Diagramm einer Latch-Schaltung 300 und eines
Ausgangspuffers 400, modifiziert zum Verringern der Wirkung von
Leistungsschienenstörungen, ist in Fig. 1 bzw. 2 gezeigt. Die Leistung wird
der Latch-Schaltung 300 und einigen Schaltkreisen im Puffer 400 über
isolierte Leistungsschienen 42 (IVcc) und 44 (IGND) zugeführt. Die
Leistung wird anderen Schaltkreisen im Puffer 400 über isolierte
Leistungsschienen 52 (OVcc) und 54 (OGND) zugeführt.
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Die Latch-Schaltung 300 ist transparent für Daten, die an die
Klemme 302 (DATA IN) angelegt werden, wenn das
Latch-Entsperreingangssignal Le im hochliegenden Zustand ist. Das Latch-Entsperrsignal Le
wird an die Klemme 340 angelegt, die mit der Basis von
Schottky-Transistor Q311 im Schalter 310 durch Schottky-Dioden D341 und D342 verbunden
ist und mit der Basis von Schottky-Transistor Q324 im Schalter 30 durch
Schottky-Diode 343. Der Transistor Q324 ist EIN infolge Basisansteuerung
über Widerstand 344 unter Durchlaßvorspannung der BE&sub2;-Sperrschicht von
Schottky-Transistor Q321 im Schalter 320 durch die BC-Diode 329
(Kollektor kurzgeschlossen). Das Potential an der Basis von Transistor
Q321 geht auf etwa 2Vbe+Vce+Vsd über Masse, was nicht ausreicht, um den
Transistor Q312 EINzuschalten. Solange wie Le HOCHliegt, ist demgemäß
Q312 unbeeinflußt von dem Pegel an DATA IN und bleibt AUS.
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Wenn DATA IN heruntergeht, leitet die Schottky-Diode D313 und
zieht die Basis von Schottky-Transistor Q311 im Schalter 310 nach unten,
womit er AUSgeschaltet wird. Schottky-Transistor Q312 ist AUS. Schottky-
Transistor Q322 im Schalter 320 schaltet AUS und ermöglicht Schottky-
Transistor Q323 in Schalter 320 EINzuschalten über Widerstand R325 und
Schottky-Diode D328. Im Ergebnis wird (a) die Ausgangsklemme 303 nach
UNTEN gebracht, und (b) die BE&sub1;-Sperrschicht von Mehrfach-Emitter-
Schottky-Transistor Q321 wird in Einschaltrichtung vorgespannt über
Widerstand R326 und Schottky-Diode D327, wodurch das Potential an der
Basis von Transistor Q321 zu Vbe+Vce+2Vsd über Masse wird. Der Transistor
Q312 bleibt AUS.
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Wenn DATA IN HOCHgeht, leitet der Transistor Q311 in Schalter
310 und schaltet Transistor Q322 in Schalter 320 EIN. Im Ergebnis
schaltet der Transistor Q323 in Schalter 320 AUS, wodurch die Ausgangsklemme
303 auf 3Vd gebracht wird durch Widerstand R330, pn-Dioden D331 und D332
und die BC-Diode D333 (Kollektor kurzgeschlossen).
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Daten werden zwischengespeichert durch Anlegen eines NIEDRIG
an die Le-Klemme 340. Die Basis von Transistor Q311 ist auf 2Vsd+Vce
begrenzt durch Schottky-Dioden 341 und 342 und die Vce des
Latch-Entsperrpuffers (nicht dargestellt), um sicherzustellen, daß der Transistor
311 AUSgehalten wird. Gleichzeitig wird die Basis von Transistor Q324 im
Schalter 320 nach UNTEN gebracht über Diode D343, und Transistor Q324
schaltet AUS. Als Ergebnis steuert der Zustand des Transistors Q323 vor
dem HL-Übergang von Le den Zustand von Transistor Q312 im Schalter 310,
was seinerseits den Zustand von Transistor Q323 aufrechterhält. Unter
der Annahme, daß Q323 EIN ist (logisch NIEDRIG am DATA OUT), ist das
Potential an der Basis von Q321 Vbe+2Vsd +Vce, was nicht ausreicht, um
die Transistoren Q311 und Q322 EINzuschalten. Der Transistor Q323 bleibt
EIN. Unter der Annahme, daß Q321 AUS ist (logisch HOCH an DATA OUT),
steigt das Potential an der Basis von Q321 von Vbe+2Vsd+Vce auf
2Vbe+2Vsd, wenn Le auf NIEDRIG geht, was ausreicht, um die
Transistoren
Q312 und Q322 EINzuhalten. Der Transistor Q323 bleibt AUS.
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Wie man erkennt, ist die Latch-Schaltung 300 gegenüber
Leistungsschienenstörungen empfindlich. Fehlerhafter Betrieb der
Latch-Schaltung 300 bei fehlender Leistungsschienenisolation tritt
beispielsweise auf, wenn die Latch-Schaltung 300 einen Versuch macht,
ein NIEDRIG zwischenzuspeichern,während der Transceiver sich von einem
negativen Masserücksprung erholt, welcher 2Vbe+Vsd(D328)-Vsd (D313)
übersteigt (weniger als etwa 1,5 V). In diesem Falle schalten die
Transistoren Q311 und D322 EIN, und der Schalter 320 speichert ein HOCH.
Das Isolieren der internen Vcc-Schiene 42 und Masseschiene 44 von den
internen Ausgangsleistungsschienen 52 und 54 (Fig. 12B) ermöglicht
keinen Ausgangsmasserücksprung hinreichender Höhe, um in die interne
IGND-Schiene 44 zu koppeln, wodurch fehlerhafter Betrieb infolge
Leistungsschienenstörungen vermieden wird.
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Ein verbesserter Schottky-geklemmter TTL-Ausgangspuffer 400
gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. Die
Schaltungsstufen in dem Puffer 400 umfassen vorzugsweise die
Eingangsstufe 410, eine Phasenaufspaltstufe 420, eine Ausgangsstufe 430,
ein Quadriernetzwerk 480, einen Wechselstrom-Miller-Killer-Schaltkreis
440 (einschließlich Abschnitten 440a und 440b) und einen
Gleichspannungs-Miller-Killer 450. Ein dynamischer Massereferenzänderer
470 kann vorgesehen sein, um weiter die Wirkung von Masserücksprung zu
reduzieren. Im übrigen ist der zweite Emitter von Transistor Q414
weggelassen. Die Schiene 42 ist die isolierte interne Schiene IVcc
(siehe Fig. 12a), Schiene 52 ist die interne Ausgangsschiene OVcc, und
die Schiene 54 ist die interne Ausgangsmasse-OGND-Schiene.
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Mit Oe an Klemme 402 Hochliegend erfolgt der Betrieb des
Ausgangspuffers 400 wie folgt. Die Eingangsstufe 410 umfaßt
Mehrfach-Emitter-Schottky-Transistor Q414, wobei der erste Emitter
desselben mit DATA IN über Klemme 401 verbunden ist. Wenn DATA IN
NIEDRIGliegt, ist Transistor Q414 vorwärts vorgespannt über Widerstand
R412 und zieht seinen Kollektor auf NIEDRIG. Das NIEDRIG wird angelegt
an die gemeinsamen Basen der Schottky-Transistoren Q426 und Q427 im
Phasenaufspalter 420. Die Transistoren Q426 und Q427 schalten nicht EIN.
Als Ergebnis leitet das Darlington-Paar von Schottky-Transistor Q432 und
Transistor Q433 in der Ausgangsstufe 430 über Schottky-Diode D431 und
hebt die Ausgangsklemme 403 auf HOCH. Es ist festzuhalten, daß der
Puffer 400 invertierend ist. Der Niederziehtransistor Q434 ist zu dieser
Zeit AUS.
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Wenn DATA IN hochgeht, schaltet Transistor Q4145 AUS, und
seine BC-Sperrschicht wird vorwärts vorgespannt, was seinerseits die
Transistoren Q426 und W427 vorwärts vorspannt. Der Transistor Q427 zieht die
Basis von Transistor Q432 im Darlington-Paar herunter und schaltet es
sowie Transistor Q433 AUS. Etwa zur gleichen Zeit wird auch der
Transistor Q434 vorwärts vorgespannt, wobei sein Basisstrom erhalten wird
durch Widerstand R428 und Transistor Q427, Widerstand R423 und
Transistor Q426 und Widerstand R412 und die Schottky-Klemme des Transistors
Q414. Der Transistor Q434 zieht die Ausgangsklemme 403 nach unten und
stellt damit ein NIEDRIG her.
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Die Dioden D424 und D425 sind Beschleunigungsdioden zum
Entladen von Kapazitäten. Wenn Transistor Q426 Einschaltet und seine
Kollektorspannung abfällt, schafft die Diode D424 einen Entladepfad für
interne Kapazität an der Basis des Transistors Q433. Die Diode D425 bildet
einen Entladepfad für die Lastkapazität an Klemme 403 über Transistor
Q426 zum Erhöhen des Basisstromes von Transistor Q434 und Verbessern
seiner Stromabführfähigkeit während des
HOCH-NIEDRIG-Ausgangsspannungsübergangs.
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Das Quadriernetzwerk 480 umfaßt Schottky-Transistor Q481 und
Widerstände R483 und R485, angeschlossen zwischen der Basis von
Transistor Q434 und der internen Ausgangsmasseschiene 54.
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Der Ausgangspuffer 400 wird zu einem Dreizustandspuffer durch
Anlegen eines NIEDRIG an Oe-Klemme 402. In diesem Falle wird die Basis
von Transistor Q414 in der Eingangsstufe 410 niedriggezogen durch
Schottky-Diode 406, die gemeinsame Basis der Transistoren Q426 und Q427
im Phasenaufspalter 420 wird niedriggezogen über Schottky-Diode D407 und
die Basis des Transistors Q432 in der Ausgangsstufe 430 wird
niedriggezogen durch Schottky-Diode D404. Demgemäß wird eine hohe Impedanz an
Ausgangsklemme 403 vorliegen.
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Der dynamische Massereferenzwechsler 470 dient dazu, die
Rauschschwelle an der Schnittstelle der Latch-Schaltung 300 und des
Puffers 400 zu verbessern, die sonst verschlechtert würde durch Isolation
der entsprechenden internen Leistungsschienen 42 und 44 gegenüber den
internen Ausgangsleistungsschienen 52 und 54.
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Bei Fehlen von Schaltkreis 470 unterliegt der NH-Übergang an
der Ausgangsklemme 403 Rauschen in Form eines flachen Flecks, einer
Spitze oder Schwingung wie folgt. Unter der Annahme, daß der Transistor
434 in der Ausgangsstufe 430 mit Strom von einer folgenden Komponente
(nicht dargestellt) belastet ist, bewirkt ein HN-Übergang an der Latch-
Eingangsklemme 302, daß der Transistor Q323 in Latch-Schalter 320
leitend wird. Nach einiger Ausbreitungsverzögerungszeit wird der Transistor
Q434 ausschalten, was ein hohes negatives di/dt längs
Ausgangsmasseschiene 54 hervorruft. Es ist festzuhalten, daß die Transistoren Q426
und Q427 im Phasenaufspalter 420 sowie Transistor Q434 in Ausgangsstufe
430 AUSgehalten werden durch den Pfad über Q414 in Eingangsstufe 410 und
Q323 und Diode D328 in Schalter 320. Wenn
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Vsat(Q323)+Vsd(D328)+Vsat(Q414) >
Vbe(Q426)+Vbe(Q434)+VMasserücksprung (2)
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wird, dann wird der NH-Übergang an dem Kollektor von Transistor Q434
einen flachen Fleck, eine Spitze oder eine Schwingung haben.
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Der dynamische Massereferenzwechsler 470 dient dazu, einen
zweiten Emitter von Q414 zu der internen Ausgangsmasseschiene 54 in
Bezug zu setzen anstelle der isolierten internen Masseschiene 44 während
des Masserücksprung. Während eines Ausgangs-NH-Übergangs an Klemme 403
beginnt die Katode der Diode D471 (verstärkt dargestellt), die mit dem
Emitter des Transistor Q432 in der Ausgangsstufe 430 verbunden ist,
anzusteigen. Die Diode D471 ist in Sperrichtung vorgespannt und koppelt
hinreichend Strom durch ihre Sperrschichtkapazität zur Basis des
Schottky-Transistors Q474 (verstärkt dargestellt), um ihn zu sättigen. Einmal
gesättigt, hält der Transistor Q474 den zweiten Emitter des Transistors
Q414 NIEDRIG, wodurch die gemeinsame Basis der Transistoren Q426 und
Q427 in dem Phasenaufspalter 420 gegen Ausgangsmasse bezogen wird.
Während eines NH-Übergang am Ausgang auf anderen Klemmen des oktalen, mit
Registern versehenen Transceivers, wenn die Klemme 403 hochliegt, fällt
das Potential an der Katode der Diode D471 etwas infolge des di/dt des
Ladestromes, der in der Vcc-Leistungsschiene fließt.
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Nichtdestoweniger wird ein Auftreten von Masserücksprung
bewirken, daß die Anode der Diode D471 schneller fällt als das abfallende
Potential an ihrer Katode. Die Diode D471 ist in Sperrichtung
vorgespannt und kuppelt wiederum hinreichend Strom auf die Basis des
Transistors Q474, um ihn zu sättigen. Ein geeigneter Wert für die
Sperrschichtkapazität der Diode D471 beträgt etwa 300 fF, wobei im Gedächtnis
zu behalten ist, daß der tatsächliche Wert abhängt von den Werten,
ausgewählt durch den Konstrukteur für die anderen Schaltungskomponenten.
Andere Elemente in dem Schaltkreis 470 umfassen Diode D472 und D473.
Diode D472 ist zwischen die Basis von Transistor Q474 und die Basis von
Niederziehtransistor Q434 geschaltet, um eine vollständige Entladung der
Basis von Transistor Q474 zu vermeiden, wenn ein abfallender Übergang
auf der N-Seite der Diode D471 vorhanden ist. Diode D473 ist zwischen
den Kollektor von Transistor Q474 und den zweiten Emitter des
Transistors Q414 geschaltet, um denselben NIEDRIG-Pegel vorzusehen, wie von
der Latch-Schaltung 300 vorgesehen wird.
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Die Wechselstrom-Miller-Killer-Schaltung 440 dient dazu, die
Ausgangsanstiegszeit zu verbessern und den Leistungsverbrauch während
wiederholter Umschaltungen zu minimieren. Im Prinzip stellt der
Wechselstrom-Miller-Killer-Schaltkreis 440 eine momentane niedrige Impedanz an
der Basis von Transistor Q434 bereit während eines
Ausgangs-NH-Übergangs, wodurch Verdrängungsstromfluß durch die Kollektor-Basis-Kapazität
von Transistor Q434 absorbiert wird. Im Betrieb bewirkt die ansteigende
Spannung am Emitter des Transistors Q432, daß Verdrängungsstrom durch
die BC-Diode D444 fließt, womit momentan Transistor Q447 eingeschaltet
wird. Der Transistor Q447 zieht die Basis von Transistor Q434 der
Ausgangsstufe 430 nach niedrig zur Absorption des Verdrängungsstromes, der
durch die KB-Kapazität von Q434 fließt. Wenn Q434 EINschaltet, wird die
Diode D444 durch D424 entladen. Diode D446 optimiert den Niederziehpegel
von Transistor 447.
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Leider begünstigt ein Standard-Wechselstrom-Miller-Killer
Schaltkreis die Leistungsschienenstörung während eines NZ-Übergangs bei
hoher Geschwindigkeit und mit hoher Belastung am Ausgang. In einer
Standard-Wechselstrom-Miller-Killer-Schaltungsanordnung würde die Katode
von D444 auf den Ausgang (Klemme 403) durch nur einen Widerstand (nicht
dargestellt) bezogen. Während der Ausgang relativ stabil ist während
eines NZ-Überganges, bewirkt eine Leistungsschienenstörung, wie
beispielsweise Masserücksprung, daß die interne Masse abfällt, wodurch die
Spannung über der Diode D444 erhöht wird. Die Diode D444 entlädt sich in
Transistor Q447, schaltet ihn EIN und zieht etwas Basisladung von Q434
ab. Als Ergebnis wird die Entladerate von Q434 beschleunigt, was den
Masserücksprung verstärkt.
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Dieses Problem wird gelöst in dem Wechselstrom-Miller-Killer-
Schaltkreis 440 durch Beseitigung des Entladeeffekts. Die Schottky-Diode
D405 (verstärkt dargestellt) dient dazu, den Schaltkreis 440 daran zu
hindern, während eines NZ-Überganges zu reagieren durch Ziehen der
Katode von Diode D444 auf einen Pegel Vsd oberhalb Oe, wodurch die
Enwicklung eines positiven dv/dt über Diode D444 während Masserücksprung
verhindert wird. Die Schottky-Diode D443 (verstärkt dargestellt) wird zu
der Schaltung hinzugefügt, die D444 auf den Ausgang 403 in Bzug setzt,
so daß die Oe-Klemme 402 keinen Strom über Widerstand 442 und Diode D405
abführt, wenn die Ausgangsklemme 403 im dritten Zustand ist und der Bus
auf HOCH gebracht wird.
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Der Gleichstrom-Miller-Killer- 450 bewirkt an der
Ausgangsstufe 430 Immunität gegenüber Rauschen auf dem Bus, wenn der Ausgangspuffer
400 im dritten Zustand ist. Eine große positive Spannungsspitze auf dem
Bus könnte Ladung über die Miller-Kapazität auf den Transistor Q434
koppeln und ihn fehlerhafterweise einschalten. In einer
Standard-Gleichstrom-Miller-Killer-Schaltung (Fig. 3) wird der Schottky-Transistor Q491
AUSgehalten durch ein NIEDRIGES Oe über Schottky-Diode D492. Der
Schottky-Transistor Q494 ist EIN, hält die Basis des
Ausgangsniederziehtransistors unten und liefert einen Pfad niedriger Impedanz zu Masse für
irgendwelche Ladung, die durch seine BK-(Miller)-Kapazität gekoppelt wird.
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Leider verschärft auch ein Standard-Gleichspannungs-Miller-
Killer-Schaltkreis die Leistungsschienenstörung während eines
NZ-Überganges bei hoher Geschwindigkeit und mit hohen Belastungen an dem
Ausgang. Wenn Oe auf NIEDRIG gebracht wird, schaltet Q494 rapid EIN und
entlädt rapid die Basis des Ausgangsniederziehtransistors, wodurch der
Masserücksprung verschärft wird.
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Dieses Problem wird gelöst in dem
Gleichspannungs-Miller-Killer-Schaltkreis 450 durch Verzögern seines Durchschaltens und durch
Begrenzen der Entladerate des Ausgangsniederziehtransistors durch
Schaltung 450. Das Einschalten von Schaltkreis 450 wird verzögert durch das
Hinzufügen von pn-Dioden D456 und D457 (verstärkt dargestellt) zwischen
dem Kollektor des Transistors Q454 und der Basis des Transistors Q455,
was den Spannungshub vergrößert, der für das Einschalten des Transistors
Q454 erforderlich ist und die Menge an Basistreiberstrom verringert, die
ihm zur Verfügung steht. Da die Dioden D456 und D457 die Entladung der
gespeicherten Ladung in der Basis von Q455 blockieren, ist ein
Entladepfad vorgesehen von der Basis von Q455 zur Masse über Widerstand R458
und Diode D459 (verstärkt dargestellt). Die Entladerate des
Ausgangsniederziehtransistors Q434 durch Schaltkreis 450 wird begrenzt
durch das Hinzufügen von Widerstand R460 (verstärkt gezeigt) mit einem
niedrigen Wert von beispielsweise 500 Ohm im Kollektorkreis des
Transistors Q455. Der Wert des Widerstandes R460 sollte so begrenzt
sein, daß der Zweck des Gleichspannungs-Miller-Killer-Kreises 450 nicht
negiert wird.