DE1080605B - Bistabiler Schaltkreis mit Transistoren und einer Stromzwangsschaltsteuerung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft bistabile Schaltkreise und insbesondere bistabile Schaltkreise mit Transistoren, bei denen die Auslegung des Schaltkreises so vorgenommen wird, daß die durch die verwendeten Transistoren gezogenen Grenzen nicht überschritten werden. S

In der Entwicklung von Transistorschaltkreisen für Hochgeschwindigkeitselektronenrechenanlagen entstehen viele Probleme durch die Eigenschaften der benutzten Transistoren. Um die durch die Grenzwerte des Transistors in Schaltkreise übertragenen Aus- *° Wirkungen zu verringern, ist eine Schaltkreistechnik entwickelt worden, die als Stromzwangsschaltung zwischen zwei Pfaden bezeichnet wird.

Zum Erreichen von Schaltfrequenzbereichen in der Größenordnung von einigen Megahertz werden bei ¹S diesen Schaltungen sehr schnell schaltende Transistoren benötigt. Als geeignet erwies sich z. B. der als Drifttransistor bekanntgewordene Transistor. Den schnell schaltenden Transistoren sind zufolge ihres besonderen Aufbaues bestimmte Grenzbedingungen zu eigen, die den betreffenden Schaltkreis beeinflussen. Zwei dieser unerwünschten Grenzen sind bei Drifttransistoren der hohe Kollektarsättigungswiderstand und eine sehr niedrige Durchbruchsspannung der Emitter-Basisdiode.

Die vorliegende Erfindung betrifft den vorteilhaften Gebrauch solcher Schnellschalttransistoren in einem bistabilen Transistorschaltkreis im Megahertz-Frequenzbereich, wobei bestimmte .Grenzwerte des Transistors durch die Schaltkreisauslegung kompensiert werden und wobei andere dieser Grenzen benutzt werden, um die Schaltzeit günstig zu beeinflussen und bestimmte Komponenten aufzuheben. . . -

In der zugehörigen Hauptpatentanmeldung 113967 VIIIa/21a¹ wird die Anwendung, einer Stromzwangsschaltung zur Erzielung hoher Schaltgeschwindigkeiten von Transistoren vorgeschlagen. Insbesondere wird, parallel an eine Quelle konstanten Stromes zu einem Transistor ein zweiter Transistor geschaltet, der auf eine symmetrisch zur Belastung des ersten Transistors angeordnete Belastung wirkt, so daß der Konstantstrom alternativer, unter der Wirkung angelegter Steuersignale den einen oder den anderen Transistor durchfließt.

Diese Anordnung ist bei. dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung zum Aufbau eines im Bereich von IQ Megahertz arbeitenden bistabilen Schaltkreises benutzt, indem die Basiselektroden- der- parallel zu den Transistoren des bistabilen Schaltkreises an die Quelle konstanten. Stromes geschalteten Transistoren entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps über Kreuz galvanisch mit den Kollektorelektroden der ersten Transistoren verbunden sind, daß die Umschaltung von Transistoren eingeleitet wird, deren Emitter je mit Bistabiler Schaltkreis mit Transistoren
und einer Stromzwangsschaltsteuerung

Zusatz zur Patentanmeldung 113967 VIII a/21a¹
(Auslegeschrift 1 065876)

Anmelder:

IBM Deutschland
Internationale Büro-Maschinen

Gesellschaft m. b. H.,
Sindelfingen (Württ.), Tübinger Allee 49

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 23. Dezember 1957

Edwin J. Slobodzinski, Hopewell Junction, N. Y.

(V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

einem der Emitter der ersten Transistoren verbunden sind und deren Kollektoren mit je einem der Kollektoren der ersten ■ Transistoren über Kreuz verbunden sind, und. daß je zwei parallel geschaltete Belastungs·; zweige mit den Kollektoren der -ersten Transistoren verbunden sind und das Potential der in einem Belastungszweig angeordneten Batterie höher als das Potential der mit dem anderen Belastungszweig-verbundenen Batterie ist. . - ■ ■

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich an Hand der nachfolgenden Beschreibung, eines Beispiels einer Schaltung. . - . . " ..

In der Figur ist ein bistabiler Transistorschaltkreis gezeigt.

Einer der-besonderen Vorteile des bistabilen Schaltkreises gemäß der Erfindung ist die kurze ■Umschaltverzögerung von jeder der Eingangsklemmen zu jeder der Ausgangsklemmen. ■ Weiterhin bleiben während des Schaltvorgangs die Eingangswerte konstant.

Der Schaltkreis besteht.-aus den Transistoren· 1 bis 6. Die Transistoren 2 und 4 dienen als eigentliche Schaltelemente des bistabilen Kreises und sind mit geerdeter Basis geschaltet. Die Transistoren 3 und 5 dienen als Verriegelungselemente, -indem sie über Kreuz an die Schalttransistoren gekoppelt sind,= um den Kreis in einem bestimmten stabilen Zustand zu

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halten. Die Transistoren 1 und 6 dienen als Schaltumkehrer, die über Kreuz mit der Belastung auf der entgegengesetzten Seite des Schaltkreises zur Beschleunigung des Schaltvorganges verbunden sind. Die Belastung besteht aus einer Induktivität 7 und einem Widerstand 8 in Serie und ist zwischen den Ausgang des Transistors 2 und eine Batterie 9 geschaltet. Ein weiterer Belastungskreis besteht aus einer Spule 10 in Serie mit einem Widerstand 11, der ähnlich zwischen dem Kollektor des Transistors 4 und der negativen Batterieklemme 9 geschaltet ist.

Die Umschalttransistoren 1, IA, IB und 6, 6 A, 6 B können durch Einlegen der Schalter 12 und 13, 14 und 15 parallel geschaltet werden, so daß ein N-Weg-Oder-Kreis entsteht. Selbstverständlich ist es möglich, beliebig viele Eingangsklemmen durch einfaches Parallelschalten einer größeren Zahl von Transistoren zwischen zwei parallelen Leitungen zu erzielen.

Bei der dargestellten Schaltung sind lediglich drei Eingänge gezeigt, die mit den Zahlen 6, 6 A und 6 B bezeichnet sind. Auf der anderen Seite des bistabilen Kreises führen die entsprechenden Eingänge die Zeichen 1, IA und IB.

In dem Zweig des bistabilen Kreises, in dem die Transistoren 2 und 3 liegen, stellt der Punkt 16 eine ^a5 Quelle konstanten Stromes dar, der von einer Batterie 17 durch einen Widerstand 18 eingestellt ist. Von der Quelle 16 wird der Emitterstrom für die Transistoren 1, 2, IA und IB und der Strom für den Strompfad durch die Diode 19, den Transistor entgegengesetzter Leitfähigkeit 3, den Widerstand 20 und die Batterie 21 geliefert.

Es ist offensichtlich, daß unter diesen Bedingungen der am Punkt 16 zur Verfügung stehende Strom jeweils durch den Pfad fließen wird, der stärker in Durchlaßrichtung vorgespannt ist.

In ähnlicher Weise wird von der Batterie 17 durch einen Widerstand 22 ein Konstantstrom erzeugt und zu einem Punkt 23 auf der anderen Seite des bistabilen Schaltkreises geführt, der als Emitterstrom für die Transistoren 4, 6, 6 A und 6 B oder für den Strompfad durch die Diode 24, den Transistor 5 entgegengesetzter Leitfähigkeit, den Widerstand 20 und zur Batterie 21 fließt. Die Widerstände 25 und 26 sind als Belastung jeweils zwischen die Transistoren 2 und 4 *5 und die Batterie 21 geschaltet, um die entsprechende Nachbildung der Belastungen zu bilden, die weiter oben als Spule 10 und Widerstand 11 in Serie oder als Spule 7 und Widerstand 8 in Serie beschrieben wurden. Die Dioden 27 und 28 stellen unter bestimmten Schaltkreisbedingungen, die später beschrieben werden, für die Transistoren 3 und 5 einen Pfad für den Kollektorstrom nach Masse dar. Die Ausgangsspannung des Teiles des bistabilen Schaltkreises, der den Transistor 2 umfaßt, ist an der Klemme 29 verfügbar und die Ausgangsspannung der Hälfte mit dem Transistor 4 an der Klemme 30. Der Transistor 1 ist an die Eingangsklemme 31 angeschlossen, während dem Transistor 1A die Eingangsklemme 32 und dem Transistor IB die Eingangs- klemme 33 zugeordnet ist. Der Eingang des Transistors 6 ist mit 34 bezeichnet, während die Eingangsklemme des Transistors 6 A mit 35 und die des Transistors 6 B mit 36 bezeichnet ist.

Da von den Punkten 16 und 23 des Kreises ein Konstantstrom entweder durch den Transistor 2 oder durch den Transistor 3 fließen kann, hängt dessen Weg davon ab, welcher von diesen beiden Transistoren stärker in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Der »Kein-Signal «-Pegel an den Klemmen 31, 32 und 33 ist so gewählt, daß die Transistoren 1, IA und IB nichtleitend bleiben. Von dem Punkt 23 kann ein Strom in gleicher Art entweder durch den Transistor 4 oder den Transistor 5 fließen, wobei die Transistoren 6, 6 A und 6B durch den »Kein-Signal«-Pegel an den Klemmen 34, 35 und 36 abgeschaltet gehalten werden. Die Eingangsumschalttransistoren sind normalerweise mit ihren Basiselektroden positiv gegen Erde, da immer eine endliche Impedanz in dem äußeren Stromkreis vorhanden ist. Dies trifft für alle Zeiten zu, in denen der Schaltkreis sich nicht in Umschaltung befindet. Daher sind die Basiselektroden der Transistoren 2 und 4, die direkt an Erde geschlossen sind, negativ in bezug auf die Punkte 16, 23, so daß der Strom durch diese Transistoren fließt, bis er durch den einen oder den anderen der Verriegelungstransistoren 3 oder 5 geführt wird.

Es sei beispielsweise der Transistor 5 stromführend, wobei der Strom, der dem Punkt 23 zugeführt wird, durch die Diode 24, den Transistor 5, durch den Widerstand 20 und die Batterie 21 fließt. Unter diesen Bedingungen ist der Kollektorstrom des Transistors 5 so groß, daß kein Emitterstrom für den Transistor 4 verbleibt. Da der Transistor 4 auf diese Weise ausgeschaltet ist, ist der Kollektor des Transistors 4 negativer als das Potential für den Lastzweig, der die Elemente 10 und 11 enthält, da der Wert des Widerstandes 26 sehr groß ist und zu einer Quelle höherer Spannung 21 als der der Quelle 9 geführt ist. Dieses Potential ist an die Basis des Transistors 3 gekoppelt und hält ihn dadurch im ausgeschalteten Zustand.

Wenn kein Strom durch den Transistor 3 fließt, fließt der Konstantstrom, der am Punkt 16 zur Verfügung steht, als Emitterstrom durch den Transistor 2.

Der Strom, der durch den Kollektor des Transistors 2 und durch den Lastzweig mit der Spule 7 und den Widerstand 8 zur Batterie 9 fließt, hält die Basiselektrode des Transistors 5 auf einem gegen Masse positiven Potential. Dadurch bleibt der Transistor 5 eingeschaltet und stabilisiert den Schaltkreis in diesem Zustand.

Es seien die Transistoren 2 und 5 eingeschaltet. Um den Schaltkreis von einem stabilen Zustand in den anderen umzuschalten, muß die Basis eines der Umschalttransistoren gezwungen werden, negativer als die geerdete Basis des Transistors 2 zu werden. Dies kann für den Transistor 1 dadurch erreicht werden, daß ein negativer Impuls an die Klemme 31 gelegt wird oder daß, falls die Schalter 13 und 14 geschlossen sind, ein negativer Impuls an irgendeine oder alle der Klemmen 31, 32 oder 33 gelegt wird. Dies bewirkt die Umschaltung des Konstantstromes, der am Punkt 16 zur Verfügung steht, vom Transistor 2 zum Transistor 1, da der negative Impuls die Basis des Umschalttransistors negativer gegen Erde macht als die Basis des Transistors 2. Der Transistor 2 schaltet sofort in den »Aus «-Zustand um, da kein Emitterstrom übrigbleibt. Die Abnahme des Kollektorstromes des Transistors 2 bewirkt, daß die Basiselektrode des Transistors 5 negativer wird, bis die Basis des Transistors 5 negativer wird als sein Emitter, der an die Batterie 21 durch den Widerstand 20 angeschlossen ist. Dieses bewirkt, daß der Transistor 5 ebenfalls ausgeschaltet wird. Auf der anderen Seite ist der Transistor 1 eingeschaltet und bewirkt eine Anhebung des Potentials an der Basis des Transistors 3, da bei leitendem Transistor 1 durch den mit der Spule 10 verbundenen Kollektor das Potential an diesem Punkt nun durch die positive Batterie beherrscht wird, in-

dem der Strom durch den Widerstand 18 fließt und nicht mehr zur negativen Batterie 21 durch den Widerstand 26. Der Transistor 5 wurde ausgeschaltet, als ein Eingangssignal an den Transistor 1 gelegt wurde, und gibt nun den Strom frei, so daß der Transistor 4 oder die Umschalttransistoren 6 A oder 6 B ■eingeschaltet werden können. Da die Basiselektroden der Transistoren 6, 6 A und 6 B normalerweise positiver als Erde sind, wenn die Schalter 12 und 13 geschlossen sind, leitet der Transistor 4. Das hierbei an seinem Lastkreis stehende Potential bewirkt die Erhaltung des »Ein«-Zustandes des Transistors 3.

Die Höhe und die Dauer eines Eingangsimpulses, die einem der Transistoren 1 oder 6 zugeführt wird, ist nicht kritisch, da nach Einschaltung der Verriegelungstransistoren 3 oder 5 die Größe des Spannungssprunges immer ausreicht, um die Wirkung des Potentialsprunges des Eingangssignals am Eingang der Transistoren 1 oder 6 zu übersteuern. Die Dioden 19 und 24 dienen zur Verhinderung eines Stromflusses von Erde in die Emitter der Transistoren 1 und 4, wenn ihre Basiselektroden negativ gegen Erde sind. Die Dioden 27 und 28 dienen zur Begrenzung der Kollektorspannung der Transistoren 3 und 5 auf eine Spannung gegen Erde, die größer ist als die Durchlaßspannung über die entsprechenden Dioden. Dadurch wird die Sättigung dieser Transistoren verhindert. Dadurch können weiterhin die Kollektoren dieser Transistoren keine genügend hohe Spannung annehmen, um den Durchbruch der besonders empfmdlichen Emitterbasisdioden der Transistoren 2, 4, IA, IB, 1, 6, 6A und 6B einzuleiten. Die Dioden46 und 47 können weggelassen werden, wenn entsprechend unempfindlichere Transistoren benutzt werden.

Es ist offensichtlich, daß einer der Hauptvorteile dieser Schaltkreistechnik der ist, daß nur eine einzige Verzögerung in der Schaltoperation auftritt, da alle Zustandswechsel aller aktiven Elemente gleichzeitig erfolgen, weil das Eingangssignal sofort von der Basis des Umschalttransistors zu dem abzufühlenden Ausgang umgeschaltet wird. Da die Transistoren 1 und 6 nur Umschaltfunktionen ausführen, ist es offensichtlich, daß es möglich ist, beliebig viele Eingangsklemmen vorzusehen.

Der bistabile Schaltkreis gemäß der Erfindung arbeitet im Bereich der Impulswiederholungsfrequenzen von 10 Megahertz. Die Verzögerungen vom Eingang zu einem der Ausgänge betragen etwa 15 Millimikrosekunden.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Bistabiler Schaltkreis mit Transistoren und einer Stromzwangsschaltsteuerung nach Patentanmeldung I 13967 VIII a/21a¹, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektroden der parallel zu den Transistoren (2, 4) des bistabilen Schaltkreises an die Quelle konstanten Stromes (16, 23) geschalteten Transistoren entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps (3, 5) über Kreuz galvanisch mit den Kollektorelektroden der ersten Transistoren (2, 4) verbunden sind, daß die Umschaltung von Transistoren (1, 6) eingeleitet wird, deren Emitter je mit einem der Emitter der ersten Transistoren verbunden sind und deren Kollektoren mit je einem der Kollektoren der ersten Transistoren (2, 4) über Kreuz verbunden sind, und daß je zwei parallel geschaltete Belastungszweige (z. B. 7, 8,9 und 25, 21) mit den Kollektoren der ersten Transistoren (2, 4) verbunden sind und das Potential der in dem einen Belastungszweig (25) angeordneten Batterie (21) höher als das Potential der mit dem anderen Belastungszweig (7, 8) verbundenen Batterie (9) ist.

2. Bistabiler Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (2, 4) des bistabilen Schaltkreises mit geerdeter Basis geschaltet und ihre Emitter mit der Quelle konstanten Stromes (16, 23) verbunden sind, daß die Kollektoren der Transistoren entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps (3, 5) mit der Quelle konstanten Stromes (16, 23) verbunden sind und daß ihre Emitter über eine gemeinsame Belastung (20) mit der Batterie höheren Potentials (21) verbunden sind.

3. Bistabiler Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Transistoren (I, 6) weitere, mit je einer Eingangsklemme (32, 33, 35, 36) verbundene Transistoren (IA, IB, 6 A, 6B) angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 507/275 4.