DE1103387B

DE1103387B - Bistabile Diodenschaltung

Info

Publication number: DE1103387B
Application number: DER27251A
Authority: DE
Inventors: Morton Herbert Lewin
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1959-02-24
Filing date: 1960-02-03
Publication date: 1961-03-30
Also published as: GB939961A; NL248703A; US3078376A; BE587842A; FR1249045A; FR1103387A

Description

Die Erfindung betrifft eine bistabile Diodenschaltung' unter Verwendung von Halbleiterdioden, deren Kennlinie einen Bereich negativen Widerstandes umfaßt.

Bistabile Schaltungen, die mit Impulsen gesteuert werden, finden, in digitalen Rechenmaschinen und anderen Anlagen zur Verarbeitung digitaler Informationen häufig Verwendung, um binäre Informationen wiederzugeben. Bei bestimmten Anlagen wird die binäre Zahl »Eins« durch einen Impuls hoher Amplitude dargestellt, während die binäre Zahl »Null« durch einen Impuls kleiner Amplitude wiedergegeben wird. Bistabile Schaltungen für impulsförmige Signale sollen in einfacher und zuverlässiger Weise von dem einen stabilen Zustand in den anderen umgeschaltet werden können. Bistabile Schaltungen dieser Art werden in sogenannten. Und-Stufen, in Oder-Stufen, in Amplitudensieben, in Zählern usw. benötigt.

Durch die Erfindung soll eine bistabile Schaltung angegeben werden, die einfach ist und zuverlässig· umgeschaltet werden kann und sich gut für die obengenannten Zwecke eignet. Eine bistabile Diodenschaltung ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß einer Halbleiterdiode mit zwei stabilen Arbeitspunkten, von denen der eine bei niedriger Spannung und der andere bei höherer Spannung liegt, und einem dazwischenliegenden Gebiet negativen Widerstandes Erreg'ersignale in Durchlaßrichtung zugeführt werden, durch welche die Diode einen ihrer stabilen. Betriebszustände annimmt, und daß der Diode gleichzeitig Informationssignale zugeführt werden, wobei die Amplituden der Signale so· gewählt sind, daß jedes Informationssignal zusammen mit einem Erregersignal die Halbleiterdiode in. ihren anderen stabilen Betriebszustand umschaltet. Die Schaltung kann dadurch als Und-Stufe, als Oder-Stufe oder auch als Schwellenwertstufe (Amplitudensieb) arbeiten.

Es ist möglich, eine Mehrzahl solcher bistabiler Diodenschaltungen in Kaskade zu schalten, um eine Reihe von logischen Gattern zu erhalten. Den Dioden werden impulsförmige Erregersignale unter gegenseitiger Überlappung zugeführt, so daß der Zustand der einen Stufe umgeschaltet wird, kurz bevor die Signalauswirkung der nächsten Stufe beginnt, so daß da,s Ausgangssignal jeder Stufe als Eingangssignal dient und den Ausgang einer nachfolgenden Stufe in der Kaskade beeinflußt, jedoch den Ausgang einer vorhergehenden Stufe nicht beeinflussen kann.

Fig. 1 und 3 sind schematische Darstellungen von bistabilen Diodenschaltungen, welche von Dioden mit negativen Widerständen Gebrauch machen;

Fig. 2 und 4 zeigen die Kennlinien der Dioden in den Schaltungen nach Fig. 1 und 3 und dienen zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Schaltungen; Bistabile Diodenschaltung

Anmelder:

Radio Corporation of America,
New. York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 24. Februar 1959

Morton Herbert Lewin, Princeton, N. J. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild, welches erkennen läßt, wie die bistabilen Diodenschaltungen nach Fig. 1 und 3 miteinander verbunden werden können, um eine gewünschte logische Operation durchzuführen;

Fig. 6 zeigt, wie die Erregersignale den bistabilen Diodenschaltungen zugeführt werden, um eine Informationsübertragung zwischen den Stufen zu bewerkstelligen.

Eine Einrichtung, deren Stromspannungskennlinie zwischen, zwei Ästen positiven Widerstandes einen negativen Widerstand aufweist, kann zusammen mit einer Belastung als bistabile Schaltung dienen. Fig. 1 zeigt eine solche bistabile Schaltung, welche eine Halbleiterdiode als Schaltelement negativen Widerstandes verwendet und welche für verschiedene logische Operationen benutzt werden kann. Eine für diesen Zweck geeignete Diode wird Tunneldiode genannt. Die Schaltung enthält eine Tunneldiode 10 mit einer Kathode 12 und einer Anode 16. Die Anode 16 ist über einen Belastungswiderstand 18 an die eine Klemme eines Erregerimpulsgenerators 20 angeschlossen. Die Kathode 12 ist geerdet. Der Impulsgenerator 20 liefert positive Spannungsimpulse 22 an die Anode 16, so daß beim Eintreffen eines solchen Impulses die Diode im Durchlaßsinn vorgespannt wird. Mit der Anode 16 sind über Entkopplungswiderstände 30, 32, 34 drei Eingangsklemmen 24, 26 und 28 verbunden, dienen. Informationssignale zugeführt werden. Selche impulsförmigen Informationssignale sind bei 24ßj 26a und 28a dargestellt.

Fig. 2 zeigt die Betriebseigenschaften der Schaltung nach Fig. 1. Die Kurve 36 ist die Stromspannungskennlinie der im Durchlaßsinn vorgespannten

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Tunneldiode und zeigt zwischen den beiden senkrechten, punktiertenLinien ein Gebiet38 negativen Widerstandes. Im Punkt 43 herrscht der höchste positive Widerstand. Die Kurve 36 wurde durch Auftragen der Spannung an der Tunneldiode als Funktion ihres Stromes erhalten. Eine Belastungslinie40, deren Neigung durch die Größe des Lastwiderstandes 18 bestimmt wird, ist in Fig. 2 eingezeichnet und schneidet die Kurve 36. Wenn man den Lastwiderstand 18 entsprechend bemißt, schneidet die Belastungslinie40 die Kurve 36 in drei Punkten, nämlich 42. 44 und 46. Die Punkte 42 und 46 liegen dabei auf positiven Ästen des Widerstandes und sind daher stabile Betriebspunkte. Dies bedeutet, daß die Schaltung in Fig. 1 im Ruhezustand sowohl den Strom entsprechend dem Punkt 42 als den Strom entsprechend dem Punkt46 führen kann. Der Punkt 44 liegt jedoch auf einem negativen Widerstandsast und ist daher kein stabiler Betriebspunkt. Wenn die Schaltung den Strom entsprechend Punkt 42 führt, ist die Spannung an der Diode verhältnismäßig niedrig, was der Ziffer »Null« entsprechen möge. Wenn die Schaltung sich in dem Arbeitspunkt 46 befindet, ist die Spannung an der Diode verhältnismäßig hoch, was der Ziffer »Eins« entsprechen soll.

Die Schaltung nach Fig. 1 läßt sich in einfacher Weise für die Ausführung von verschiedenen logischen Operationen benutzen. Zur Erläuterung hierfür sei angenommen, daß ein Erregerimpuls 22 der Anode 16 der Tunneldiode zugeführt wird und daß die Schaltung sich dabei im Arbeitspunkt 42 befinden möge. Gleichzeitig mit der Zuführung eines Erregerimpulses 22 werden den Eingangsklemmen ein oder mehrere Informationssignale 24a, 26« und 28« zugeführt. Diese Signale können beispielsweise durch eine weitere Tunneldiode, die als Steuerstufe geschaltet ist, erzeugt werden.

Wenn der Tunneldiode 10 durch die Info'rmationssignale24ff, 26a oder 28a genügend Strom zugeführt wird, um den Arbeitspunkt 42 bis in den Punkt 43 zu verlagern, so schaltet die Tunneldiode auf den Arbeitspunkt 46 um.

Ob man nur ein einziges Informationssignal oder eine Mehrzahl von Informationssignalen benötigt, um diese Umschaltung zu bewerkstelligen, hängt von der Amplitude der Erregerimpulse¹22 ab. Dies bedeutet, daß die Amplitude der Erregerimpulse 22 die Lage der Belastungslinie 40 zur Stromspannungskennlinie bestimmt, während die Neigung der Belastungslinie durch die Größe des Belastungswiderstandes 18 bestimmt wird. Wenn also die Amplitude des Erregerimpulses 22 groß genug gemacht wird, wird die Belastungslinie 40 bis dicht an den Punkt 43 verschoben, so daß ein einziges Informationssign-al, beispielsweise das Signal 24a, die Tunneldiode in ihren anderen stabilen Zustand bringt. Wenn die Amplitude des Erregerimpulses 22 genügend klein ist, müssen mehrere Informationssignale zugeführt werden, um denjenigen Strom zu liefern, der die Tunneldiode in den Punkt 43 bringt. Durch Beeinflussung der Amplitude des Erregerimpulses 22 kann man daher die Schaltung nach Belieben auf einen oder auf mehrere Informationsimpulse ansprechen lassen.

Wegen dieser Eigenschaft der Schaltung kann man diese alsUnd-Stufe, als Oder-Stufe oder als Schwellenwertstufe einfach durch Einstellung der Amplitude des Erregerimpulses 22 betreiben. Es sei beispielsweise angenommen, daß die Schaltung als Und-Stufe arbeiten soll. Eine Und-Stufe ist eine Schaltung, welche zwei oder mehrere Eingänge hat, an denen Impulse gleicher Polarität liegen. Die Schaltung hat eine einzige Ausgangsstelle, an der ein Impuls auftreten soll, wenn und nur wenn gleichzeitig ein Impuls an allen Eingangsstellen liegt. Eine solche Und-Stufe kann daher geschaffen werden, wenn man in der Schaltung nach Fig. 1 die Amplitude des Erregersignals 22 so einstellt, daß eine Mehrzahl von Informationssignalen der Schaltung zugeführt werden muß, um die Tunneldiode über den Punkt 43 hinaus in den

ίο anderen stabilen Zustand zu bringen. Die Schaltung hat also die Eigenschaften einer Und-Stufe.

Eine Oder-Stufe ist eine Schaltung, mit welcher eine Anzahl von Impulsquellen an eine gemeinsame Leitung angeschlossen werden kann. Die Schaltung besitzt zwei oder mehr Eingangsstellen und eine einzige Ausgangsstelle. Wenn ein Impuls einer oder mehreren der Eingangsstellen zugeführt wird, erscheint dieser Impuls auch an der Ausgangsstelle. Die Schaltung nach Fig. 1 läßt sich auf diese Arbeitsweise einstellen, indem man die Amplitude des Erregerimpulses 22 so wählt, daß bereits durch ein Informationssignal an einer der Klemmen 24, 26 oder 28 die Tunneldiode über den Punkt 43 in den anderen stabilen Zustand gebracht werden kann.

Eine Schwellenwertstufe ist eine Schaltung, welche eine Mehrzahl von Eingangsstellen hat, an denen je ein Impuls von gleicher Polarität liegt. Die Schaltung hat eine einzige Ausgangsstelle, an welcher ein Impuls nur auftritt, wenn eine vorbestimmte Mindestzahl von Impulsen den Eingangsseiten zugeleitet wird. In einer Schwellenwertstufe wird also die Amplitude des Erregerimpulses, so eingestellt, daß nicht weniger als die vorbestimmte Mindestzahl von Impulsen die Tunneldiode in ihren anderen stabilen Betriebszustand bringen kann.

Man kann also verschiedene logische Operationen mittels der Schaltungen nach Fig. 1 und 3 bewerkstelligen, wenn man die Amplitude der Erregerimpulse entsprechend wählt. Da eine im Durchlaßsinn vorge-

41· spannte Tunneldiode einen geringen Widerstand hat, ist es bequemer, die Diode aus einer Spannungsquelle, welche einen konstanten Strom liefert, zu erregen als aus der in Fig. 1 dargestellten Spannungsquelle. Eine Stromquelle, welche Impulse konstanten Stromes liefert, kann den Spannungsimpulsgenerator 20 ersetzen, ohne an der Wirkungsweise der bistabilen Schaltung etwas zu ändern.

Fig. 3 zeigt eine Schaltung, in welcher ein Impulsgenerator 50 für Impulse konstanten Stromes an Stelle des Impulsgenerators 20 in Fig. 1 getreten ist. Die Schaltung in Fig. 3 benötigt auch keinen Lastwiderstand 18 mehr. Der Generator 50 liefert Stromimpulse 52, deren Form mit derjenigen der Spannungsimpulse 22 in Fig. 1 übereinstimmt.

Fig. 4 zeigt die Wirkungsweise dieser Schaltung. Da ein Impulsgenerator, welcher Impulse konstanten Stromes liefert, verwendet wird, und da der Lastwiderstand 18 der Fig. 1 fortgelassen wurde, wird eine horizontal verlaufende Belastungslinie 56 erhalten. Diese Linie schneidet die Kennlinie 36 in drei Punkten, nämlich in den Punkten 58, 60 und 62. Die Punkte 58 und 62 sind stabile Betriebspunkte, während der Punkt 60 ein instabiler Betriebspunkt ist.
Die Schaltung arbeitet in ganz ähnlicher Weise, wie die Schaltung nach Fig. 1. Der der Diode 10 zugeführte Stromimpuls wird so in seiner Amplitude gewählt, daß entweder ein einziges Info>rmationssignal oder eine Mehrzahl von Informationssignalen erforderlich ist, um den Arbeitspunkt 58 bis zum Punkt 43 zu verlagern und daher auf den anderen stabilen Ar-

beitspunkt 62 umzuschalten. Man kann also eine Oder-Stufe, eine Und-Stufe oder eine Schwellenwertstufe durch diese einfache Schaltung realisieren, ohne irgendwelche Schaltungsänderungen vornehmen zu müssen.

Fig. 5 zeigt eine spezielle logische Schaltung, welche mit Und-Stufen und Oder-Stufen, unter Verwendung von Tunneldioden aufgebaut werden kann. Der Schaltung werden Eingangssignale in Form von Impulsen A, B, C und D zugeführt, und es soll am Ausgang die logische Funktion (AB + CD) B erhalten werden. Die Schaltung enthält eine erste Und-Stufe 60, welcher die Eingangssignale A und B zugeführt werden, und eine zweite Und-Stufe 62, an welcher die Eingangssignale C und D liegen. Die Ausgangssignale dieser Und-Stufen werden gleichzeitig als Eingangssignale einer Oder-Stufe64 verwendet. Das Ausgangssignal der Oder-Stufe 64 und ein zusätzliches Eingangssignal E werden dann einer dritten Und-Stufe 66 zugeführt, deren Ausgang dann die gewünschte Funktion liefert. Die einzelnen Stufen können gemäß Fig. 1 oder gemäß Fig. 3 aufgebaut werden. Schaltungen dieser Art können in verschiedenen Maschinen zur Verarbeitung digitaler Informationen verwendet werden.

Bei einer Schaltung dieser Art muß sichergestellt werden, daß die Informationssignalübertragung innerhalb des Systems in der richtigen Richtung vor sich geht. Dies bedeutet, da die Tunneldiode nur zwei Klemmen hat, daß die beiden Klemmen sowohl als Eingangsklemmen wie als Ausgangsklemmen dienen müssen. Das Informationssignal muß also von den Eingangsklemmen zu den Ausgangsklemmen laufen. Man kann dies dadurch erreichen, daß man die Eingangsfunktion und die Ausgangsfunktion zeitlich durch Benutzung einer aufeinanderfolgenden Erregung trennt.

In Fig. 6 ist der zeitliche Verlauf der Impulse konstanten Stromes, die zur Erregung einer Schaltung nach Fig. 5 dienen, dargestellt. Im Betrieb werden die Und-Stufen 60 und 62 beide von einem Stromimpuls 80 erregt. Die Informationssignale^, B, C und D werden gleichzeitig mit den Erregerimpulsen 80 und kurz vor der Beendigung eines Erregerimpulses zugeführt, während die Oder-Stufe 64 durch einen anderen Impuls 82 erregt wird.

Die Stromimpulse 80 und 82 sind so synchronisiert, daß sie sich überlappen, wie in Fig. 6 durch die schraffierte Fläche 84 dargestellt ist. Diese zeitliche Überlappung der Erregerimpulse hat den Zweck, die Und-Stufen 60 und 62, die Oder-Stufen 64 während der Zeit 84 beeinflussen zu lassen. In gleicher Weise wird die Und-Stufe 66 durch einen Stromimpuls 86 erregt, und das Informationssignal £ wird dieser Stufe gleichzeitig zugefügt. Der Erregerimpuls 86 überlappt den Erregerimpuls 82 der Oder-Stufe 64 während der durch die schraffierte Fläche 88 angedeuteten Zeit. Der Zustand der Oder-Stufe 64 kann also jetzt den Zustand der Und-Stufe 66 beeinflussen. In einer Kaskadenschaltung von sogenannten logischen Stufen werden also die Erregerimpulse zeitlich so gelegt, daß eine nachfolgende Stufe erregt wird, kurz nachdem die vorhergehende Stufe umgeschaltet hat und noch erregt ist. Dadurch kann die erste Stufe ein Eingangssignal für die nachfolgende Stufe liefern. Sodann wird die Erreigung von der ersten Stufe abgeschaltet. Die nachfolgende Stufe kann dann ein Eingangssignal an die nächste Stufe liefern, kann jedoch kein Eingangssignal an die vorhergehende Stufe liefern, da diese dann nicht mehr erregt ist. Die Speisung einer Stufe mit dem Eingangsimpuls beginnt also mit der Zuführung der Erregerstromimpulse, und die Lieferung des Ausgangsimpulses der Stufe erfolgt bei Beendigung der Erregerimpulse. Auf diese Weise wird die richtige Richtung der Signalübertragung sichergestellt.

In den beschriebenen neuen logischen Schaltungen wird also je eine Halbleiterdiode mit negativem Widerstand verwendet. Durch Einstellung der Amplitude der Erregerimpulse, welche der Diode zugeführt werden, kann man entweder eine Und-Stufe, eine Oder-Stufe oder eine Schwellenwertstufe erhalten. Bei einer Kaskadenschaltung dieser Stufen kann man die gewünschte Signalübertragungsrichtung durch zeitlich aufeinanderfolgende Erregung der betreffenden Stufen und durch Sicherstellung einer gewissen Überlappung ihrer Erregerimpulse bewerkstelligen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Bistabile Diodenschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß einer Halbleiterdiode mit zwei stabilen Arbeitspunkten, von denen der eine bei niedriger Spannung und der andere bei höherer Spannung liegt, und einem dazwischenliegenden Gebiet negativen Widerstandes Erregersignale in Durchlaßrichtung zugeführt werden, durch welche die Diode in einen ihrer stabilen Betriebszustände kommt, und daß der Diode gleichzeitig Informationssignale zugeführt werden, wobei die Amplituden der Signale so· gewählt sind, daß jedes Informationssignal zusammen mit einem Erregersignal die Halbleiterdiode in ihren anderen stabilen Betriebszustand umschaltet.

2. Bistabile Diodenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Eingang der bistabilen Diodenschaltung ein Informationsimpuls oder an mehrere Eingänge gleichzeitig je ein Informationsimpuls angelegt wird und daß wenigstens ein Informationsimpuls zur Umschaltung des Halbleiters in seinen anderen stabilen Betriebszustand benutzt wird.

3. Bistabile Diodenschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Informationsimpulse zeitlich zusammenfallen müssen, um die Halbleiterdiode in ihren anderen stabilen Betriebszustand umzuschalten.

4. Bistabile Diodenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Signale Impulsform besitzen.

5. Bistabile Diodenschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerimpulse und die Informationsimpulse in der Durchlaßrichtung der Halbleiterdiode liegen.

6. Bistabile Diodenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregersignale für die Halbleiterdiode Signale konstanten Stromes sind.

7. Anwendung von bistabilen Diodenschaltungen nach Anspruch 1 in einer logischen Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite und eine dritte bistabile Diodenschaltung vorgesehen sind, daß diese drei bistabilen Diodenschaltungen- als eine Reihe von logischen Stufen zusammengeschaltet sind und daß die Erregersignale den Halbleiterdioden in den drei Stufen mit gegenseitiger Überlappung zugeführt werden, so daß das Ausgangssignal der zweiten Stufe die dritte Stufe steuern, jedoch die erste Stufe nicht steuern kann.

8. Anwendung von bistabilen Diodenschaltungen nach Anspruch 1 in einer logischen Schaltung, gekennzeichnet durch eine Reihe von miteinander

verbundenen bistabilen Diodenschaltungen, von denen jede zwei binäre Zahlen darstellen kann, durch eine Einrichtung zur zeitlich aufeinanderfolgenden Zuführung von Eingangssignalen an die Diode der ersten Stufe, und eine Einrichtung zur zeitlich aufeinanderfolgenden Zuführung von Er-

regerimpulsen an die Dioden, gleichzeitig mit den Eingangssignalen, derart, daß diese Erregerimpulse den aufeinanderfolgenden Stufen mit zeitlicher Überlappung zugeführt werden, so daß die Signalübertragung zwischen den aufeinanderfolgenden Stufen nur in einer Richtung erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen