DE1110218B

DE1110218B - Bistable toggle switch

Info

Publication number: DE1110218B
Application number: DET15860A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Bernhard Rall
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1958-11-08
Filing date: 1958-11-08
Publication date: 1961-07-06

Description

Bistabile Kippschaltung Die Erfindung betrifft eine bistabile Kippschaltung mit zwei Transistoren, insbesondere Flächentransistoren, welche die Erzielung sehr steiler Umschaltflanken und die Anwendung hoher Impulsfolgefrequenzen gestattet. Derartige Schaltungen werden beispielsweise in elektronischen Rechenmaschinen und anderen zur schnellen Datenverarbeitung bestimmten Anordnungen benötigt.Bistable multivibrator The invention relates to a bistable multivibrator with two transistors, especially junction transistors, which make the achievement very steep switching edges and the use of high pulse repetition frequencies are permitted. Such circuits are for example in electronic calculating machines and other arrangements intended for fast data processing are required.

Bei den bekannten bistabilen Kippschaltungen mit zwei Transistoren in Emitterschaltung ist der Basisanschluß jedes Transistors über einen Widerstand mit dem Kollektoranschluß des anderen Transistors verbunden. Um beim Kippvorgang den bisher gesperrten Transistor mit steiler Anstiegsflanke in den leitenden Zustand bringen zu können, schaltet man parallel zu jedem dieser Widerstände einen Kondensator. Diese Maßnahme hat jedoch den Nachteil, daß durch die Kondensatoren andererseits die Rückflanken (Abfallflanken) der an den Kollektoren abzunehmenden Ausgangsimpulse abgeflacht werden. Die Impulsdauer ist dadurch verlängert und nicht mehr streng definiert, die höchste anwendbare Impulsfolgefrequenz (Schaltfolge) wird herabgesetzt.In the known bistable multivibrator circuits with two transistors The base connection of each transistor is in the emitter circuit via a resistor connected to the collector terminal of the other transistor. To during the tipping process the previously blocked transistor with a steep rising edge into the conductive state To be able to bring, a capacitor is connected in parallel to each of these resistors. However, this measure has the disadvantage that the capacitors on the other hand the trailing edges (falling edges) of the output pulses to be picked up at the collectors be flattened. The pulse duration is thereby lengthened and no longer strict defined, the highest applicable pulse repetition frequency (switching sequence) is reduced.

Die Erfindung zeigt nun einen Weg auf, der es gestattet, unter Vermeidung der erwähnten Kondensatoren diese Nachteile zu beseitigen und dennoch die erwünschte steile Anstiegsflanke zu erhalten.. Dies wird dadurch erreicht, daß bei der bistabilen Kippschaltung gemäß der Erfindung zwischen dem Kollektorstromkreis mindestens eines der Transistoren und dem Basisstromkreis des anderen Transistors ein Differenzierübertrager zur Erzielung einer zusätzlichen Rückkopplung vorgesehen ist. Es ist bereits ein astabiler Multivibrator mit zwei Röhren bekannt, bei dem jeweils das Gitter der einen Röhre mit der Anode der anderen Röhre über je einen Kondensator rückgekoppelt ist und bei dem weiterhin zwischen dem Gitterkreis und dem Anodenkreis ein auf die Kippfrequenz abgestimmter Übertrager eingeschaltet ist. Dieser Übertrager zusammen mit einem Abstimmkondensator dient der Frequenzstabilisierung der astabilen Kippschaltung und beeinflußt die Flankensteilheit der erzeugten Impulse nur unwesentlich. Dagegen gelingt es bei einer bistabilen Kipp-Schaltung durch einen Differenzierübertrager im Sinne der Erfindung eine wesentliche Versteilerung und Verkürzung der Schaltflanken zu erzielen. Darüber hinaus gewinnt man durch einen solchen Übertrager die Möglichkeit, die Arbeitsbedingungen der Transistoren während des Kippvorganges durch transformatorische Leistungsanpassung günstiger zu gestalten als bisher. Die Wirkungsweise einer solchen Kippschaltung sowie einige Möglichkeiten für ihre Verwirklichung sollen an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. Diese zeigt zunächst in Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer bekannten, mit den erwähnten Koppelkondensatoren versehenen bistabilen Kippschaltung und in Fig. 2 den Amplitudenverlauf der beiden Ausgangssignale dieser Schaltung. Fig. 3 bezieht sich auf das Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, wobei der Amplitudenverlauf ihrer Ausgangssignale in Fig.4 dargestellt ist.The invention now shows a way that allows it to be avoided of the capacitors mentioned to eliminate these disadvantages and still the desired to get steep rising edge .. This is achieved by the bistable Flip circuit according to the invention between the collector circuit at least one the transistors and the base circuit of the other transistor is a differential transformer is provided to achieve additional feedback. It's already a astable multivibrator known with two tubes, each of which has the grid of the one tube is fed back to the anode of the other tube via a capacitor each is and in which still between the grid circle and the anode circle on the Toggle frequency of matched transformer is switched on. This transformer together a tuning capacitor is used to stabilize the frequency of the astable multivibrator and only insignificantly influences the edge steepness of the generated pulses. Against it it succeeds with a bistable multivibrator circuit by means of a differentiating transformer In the context of the invention, a substantial steepening and shortening of the switching edges to achieve. In addition, with such a transformer one gains the possibility of the working conditions of the transistors during the tipping process by transformer Make performance adjustments cheaper than before. The mode of action of such Toggle switching as well as some possibilities for their realization should be on hand the drawing will be explained in more detail. This first shows the basic in Fig. 1 Structure of a known bistable provided with the coupling capacitors mentioned Flip-flop and in Fig. 2 the amplitude curve of the two output signals of this Circuit. Fig. 3 relates to the embodiment of a circuit arrangement according to the invention, the amplitude curve of its output signals in Fig.4 is shown.

Die bekannte bistabile Kippschaltung nach Fig. 1 enthält zwei Transistoren 1 und 2, deren Betriebsströme von einer Stromquelle 3 geliefert werden, wobei im Stromkreis jedes der Kollektoren ein Arbeitswiderstand 4 bzw. 5 liegt und die Emitter über einen gemeinsamen Widerstand 6 gespeist werden. Die Basis jedes Transistors steht über einen Widerstand 7 bzw. 8 mit dem Bezugspotential und über einen weiteren Widerstand 9 bzw. 10 mit dem Kollektor des anderen Transistors in Verbindung. Die Widerstände 4, 10 und 8 sind dabei im allgemeinen gleich bemessen wie die Widerstände 5, 9 bzw. 7. Die zum Umsteuern der Kippstufe in den jeweils anderen Leitfähigkeitszustand dienenden Eingangsimpulse werden an einer Klemme 11 angelegt und über einen Koppelkondensator 12 und je eine Diode 13 bzw. 14 gleichphasig der Basis beider Transistoren 1 und 2 zugeführt. Der Verbindungspunkt der beiden Dioden liegt über einen Widerstand 15 am Emitterpotential. Die gegenphasigen Ausgangssignale können an den Klemmen 16 und 17 abgenommen werden.The known bistable flip-flop circuit according to FIG. 1 contains two transistors 1 and 2, the operating currents of which are supplied by a current source 3, a working resistor 4 or 5 being in the circuit of each of the collectors and the emitters being fed via a common resistor 6. The base of each transistor is connected via a resistor 7 or 8 to the reference potential and via a further resistor 9 or 10 to the collector of the other transistor. The resistors 4, 10 and 8 are generally the same size as the resistors 5, 9 and 7. The input pulses used to switch the trigger stage to the other conductivity state are applied to a terminal 11 and via a coupling capacitor 12 and a diode each 13 and 14, respectively, are fed to the base of both transistors 1 and 2 in phase. The connection point of the two diodes is connected to the emitter potential via a resistor 15. The out-of-phase output signals can be taken from terminals 16 and 17.

Zum Verständnis der grundsätzlichen Wirkungsweise einer-solchen Schaltung sei angenommen, daß Transistor 1 zu einem gegebenen Zeitpunkt t1 -gesperrt ist. Durch seinen Arbeitswiderstand 4 fließt dann ein relativ kleiner Strom, so daß am Kollektor dieses Transistors sowie an der Ausgangsklemme 16 (Fig. 2, Zeile a) eine hohe negative Spannung auftritt. Der Rückkopplungswiderstand 10 ist so groß gewählt, daß im Zusammenwirken mit dem Basiswiderstand 8 in die Basis des stromführenden Transistors 2 ein Strom fließt, der diesen Transistor gerade in der Sättigung hält bzw. ihn leicht übersteuert. Infolge des Spannungsabfalles über seinem Arbeitswiderstand 5 ist die Spannung am Kollektor und an der Ausgangsklemme 17 (Fig. 2, Zeile b) des Transistors 2 sehr niedrig, so daß über den Rückkopplungswiderstand 9 die Sperrung des Transistors 1 und somit der stabile Zustand der Schaltung aufrechterhalten wird. Wird nun von außen über Klemme 11 und Diode 14 der Basis des Transistors 2 ein positiver (Sperr-) Impuls zugeführt und dadurch sein Kollektorstrom stark herabgesetezt, so überträgt sich die damit verbundene Spannungsänderung an seinem Kollektor über den Rückkopplungswiderstand 9 auf die Basis des bisher gesperrten Transistors 1, so daß dieser Strom zu führen beginnt (Fig. 2, t,). Dadurch sinkt infolge des Arbeitswiderstandes 4 die Spannung am Kollektor dieses Transistors, und diese Änderung wirkt über den Rückkopplungswiderstand 10 an der Basis des Transistors 2 im gleichen Sinne weiter wie der zugeführte Sperrimpuls. Dieser instabile Zustand dauert so lange an, bis Transistor 2 gesperrt ist und Transistor 1 vollen Strom führt.To understand the basic mode of operation of such a circuit, it is assumed that transistor 1 is blocked at a given point in time t1. A relatively small current then flows through its load resistor 4, so that a high negative voltage occurs at the collector of this transistor and at the output terminal 16 (FIG. 2, line a). The feedback resistor 10 is selected to be so large that, in cooperation with the base resistor 8, a current flows into the base of the current-carrying transistor 2 which just keeps this transistor in saturation or slightly overdrives it. As a result of the voltage drop across its load resistor 5, the voltage at the collector and at the output terminal 17 (Fig. 2, line b) of the transistor 2 is very low, so that the blocking of the transistor 1 and thus the stable state of the circuit are maintained via the feedback resistor 9 will. If a positive (blocking) pulse is now supplied from the outside via terminal 11 and diode 14 to the base of transistor 2 and thus its collector current is greatly reduced, the associated voltage change at its collector is transferred via feedback resistor 9 to the base of the previously blocked Transistor 1, so that this current begins to carry (Fig. 2, t,). As a result, the voltage at the collector of this transistor drops as a result of the load resistor 4, and this change continues to act via the feedback resistor 10 at the base of the transistor 2 in the same sense as the blocking pulse supplied. This unstable state lasts until transistor 2 is blocked and transistor 1 carries full current.

Um in einem bisher gesperrten Flächentransistor einen Kollektorstrom hervorzurufen bzw. einen bisher stromführenden Transistor zu sperren, ist es notwendig, eine große Zahl von Ladungsträgern in den Basisraum des Transistors zu bringen bzw. aus diesem zu entfernen. Je schneller dieser Ladungstransport erfolgen kann, desto steiler sind die erzielten Umschaltflanken. Um nun die Basisräume während des vorstehend beschriebenen Kippvorganges möglichst schnell umladen zu können, was über die relativ großen Rückkopplungswiderstände 10 und 9 nicht möglich wäre, überbrückt man diese Widerstände durch je einen Kondensator 18 bzw. 19. Man erhält dadurch zwar steile Anstiegsflanken der Ausgangssignale (Fig.2b, t2); wie einleitend bereits erwähnt, verläuft jedoch die Abfallflanke (Fig. 2a, t2), entsprechend einer C-R-Entladung, exponentiell.In order to generate a collector current in a previously blocked junction transistor cause or block a previously current-carrying transistor, it is necessary to to bring a large number of charge carriers into the base space of the transistor or to remove from this. The faster this charge transport can take place, the more the switching edges achieved are steeper. To now the basic spaces during the above to be able to reload as quickly as possible, what about the relative large feedback resistances 10 and 9 would not be possible, these are bridged Resistances by a capacitor 18 or 19 respectively. This results in steep ones Rising edges of the output signals (Fig.2b, t2); as already mentioned in the introduction, however, the falling edge (Fig. 2a, t2) runs, corresponding to a C-R discharge, exponentially.

Bei der gemäß der Erfindung gestalteten bistabilen Kippschaltung, die in Fig. 3 dargestellt ist, entsprechen die Bauelemente 1... 17 jenen der Schaltung nach Fig.1, wobei lediglich parallel zum Emitterwiderstand 6 in an sich bekannter Weise ein Kondensator 20 liegt und die Werte der Basiswiderstände 7, 8 gegebenenfalls kleiner bemessen werden können als bisher üblich. Beispielsweise können die Widerstände 4 und 5 je 2 k9, der Widerstand 6 40 52, die Widerstände 7 und 8 je 800 S2, die Widerstände 9 und 10 je 10 k52, der Widerstand 15 2 k52 und der Kondensator 20 0,1 u,F aufweisen. Die Rückkopplungswiderstände 9 und 10 sind jedoch nicht durch Kondensatoren überbrückt. Die Aufgabe, die Umladung der Basisräume der Transistoren während des Kippvorganges zu beschleunigen, wird hier in wesentlich günstigerer Weise gelöst, und zwar mit Hilfe eines besonderen Übertragers 21. Dieser weist zwei Primärwicklungen 22, 23 und zwei Sekundärwicklungen 24, 25 auf, welche in die Kollektor- bzw. Basis-Stromkreise beider Transistoren eingefügt sind. Für die Anordnung dieser Wicklungen innerhalb der Schaltung bieten sich mehrere Möglichkeiten. In besonders vorteilhafter Weise kann man, wie dargestellt, so vorgehen, daß die beiden Wicklungen der Primär- und der Sekundärseite des Übertragers jeweils unmittelbar in Serie geschaltet und so in die Schaltung eingefügt sind, daß der Anschluß der Kollektor- und Basisstromkreise an die Stromquelle 3 jeweils über die durch die Zusammenschaltung der Wicklungen entstandenen Verbindungspunkte erfolgt.In the bistable multivibrator designed according to the invention, which is shown in FIG. 3, the components 1 ... 17 correspond to those of the circuit according to FIG Values of the base resistors 7, 8 can optionally be made smaller than previously usual. For example, the resistors 4 and 5 each 2 k9, the resistor 6 40 52, the resistors 7 and 8 each 800 S2, the resistors 9 and 10 each 10 k52, the resistor 15 2 k52 and the capacitor 20 0.1 u, F exhibit. The feedback resistors 9 and 10 are not bridged by capacitors. The task of accelerating the charge reversal of the base spaces of the transistors during the tilting process is achieved here in a much more favorable manner, with the help of a special transformer 21. This has two primary windings 22, 23 and two secondary windings 24, 25 which are inserted into the Collector or base circuits of both transistors are inserted. There are several options for arranging these windings within the circuit. In a particularly advantageous manner, as shown, you can proceed so that the two windings of the primary and the secondary side of the transformer are each connected directly in series and inserted into the circuit in such a way that the connection of the collector and base circuits to the power source 3 takes place via the connection points created by the interconnection of the windings.

Wird bei der Schaltung nach Fig. 3 durch einen positiven Eingangsimpuls der Kippvorgang eingeleitet. so erzeugen die in den Primärwicklungen 22, 23 des Übertragers auftretenden Stromänderungen sofort ein starkes Rückkopplungssignal mit steiler Anstiegsflanke in den Sekundärwicklungen 24, 25, welches über die Basiswiderstände 7 und 8 mit entgegengesetzter Polarität den Basen der beiden Transistoren zugeleitet wird. Dadurch kippt die Schaltungsanordnung sehr schnell und zuverlässig in den anderen stabilen Zustand, der mit Hilfe der Rückkopplung über die Widerstände 9 und 10 bis zum Eintreffen des nächsten Eingangsimpulses aufrechterhalten wird.Is in the circuit of Fig. 3 by a positive input pulse the tipping process initiated. so generate the in the primary windings 22, 23 des Transmitter occurring current changes immediately a strong feedback signal with a steep rising edge in the secondary windings 24, 25, which is via the base resistances 7 and 8 fed to the bases of the two transistors with opposite polarity will. As a result, the circuit arrangement tips very quickly and reliably into the Another stable state, which is established with the help of the feedback via the resistors 9 and 10 is maintained until the arrival of the next input pulse.

Der Amplitudenverlauf der an den Klemmen 16 und 17 abzunehmenden Ausgangssignale ist in Fig. 4, Zeilen a bzw. b, gezeigt. Es ist zu ersehen, daß die Impulse nunmehr auch mit steiler Flanke abfallen und daß sich im Anschluß an diese Flanke eine negative Amplitudenspitze ausbildet. Diese wird in vielen Fällen, z. B. beim Zusammenwirken der beschriebenen Schaltung mit elektronischen Schaltern, erwünscht sein. Anderenfalls ist es leicht möglich, diese Spannungsspitzen abzuschneiden. Man braucht dazu nur an einem oder, wenn beide Ausgangssignale interesssieren, an beiden Kollektoren eine Begrenzerdiode 26 bzw. 27 anschließen, deren andere Klemme 28 in bekannter Weise an einer geeigneten Vorspannung liegt. Der Anschluß solcher Dioden ist in Fig. 3 mit gestrichelten Verbindungslinien angedeutet.The amplitude curve of the output signals to be picked up at terminals 16 and 17 is shown in Figure 4, lines a and b, respectively. It can be seen that the impulses are now also fall with a steep edge and that following this edge there is a negative Forms amplitude peak. This is used in many cases, e.g. B. when working together the circuit described with electronic switches, be desirable. Otherwise it is easily possible to cut off these voltage spikes. You just need to on one or, if both output signals are of interest, on both collectors connect a limiter diode 26 or 27, the other terminal 28 in known Way is due to a suitable bias. The connection of such diodes is in Fig. 3 indicated with dashed connecting lines.

Die Verwendung eines Übertragers zur Erzielung einer zusätzlichen Rückkopplung bietet den weiteren Vorteil, daß durch entsprechende Bemessung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Primär- und Sekundärseite in einfacher Weise eine Leistungsanpassung durchgeführt werden kann. Diese ermöglicht es, die Betriebsbedingungen der Transistoren zu verbessern.The use of a transformer to achieve an additional Feedback offers the further advantage that by appropriate dimensioning of the Transmission ratio between the primary and secondary side in a simple manner a performance adjustment can be carried out. This enables the operating conditions to improve the transistors.

Es besteht ferner die Möglichkeit, den Übertrager 21 mit einer weiteren Sekundärwicklung 29 zu versehen, an deren Klemmen dann ein Ausgangssignal abgenommen werden kann, dessen Amplitudenverlauf schematisch in Fig. 4, Zeile c, dargestellt ist. Unter Umständen könnte man andererseits auch den Kippvorgang in der Weise einleiten, daß das Eingangssignal über eine weitere Sekundärwicklung des übertragers auf die Schaltung einwirkt.There is also the possibility of the transformer 21 with another To provide secondary winding 29, at the terminals of which an output signal is then picked up can be, the amplitude curve of which is shown schematically in Fig. 4, line c is. On the other hand, under certain circumstances, the tipping process could also be initiated in such a way that that the input signal through another secondary winding of the transformer to the Circuit acts.

Wenngleich die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 besonders vorteilhafte Eigenschaften aufweist, so ist sie selbstverständlich dennoch nur als ein Ausführungsbeispiel zu werten, da die Erfindung sich auch durch andere Anordnungen verwirklichen läßt. Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß die beiden Primärwicklungen und/oder die beiden Sekundärwicklungen des Übertragers innerhalb der Kollektor-bzw. Basiskreise der Transistoren auch an anderer Stelle eingefügt sein könnten. Beispielsweise könnten die Sekundärwicklungen unmittelbar an die Basen der Transistoren angeschlossen werden. Es ist auch nicht grundsätzlich nötig, daß die beiden Primärwicklungen und die beiden Sekundärwicklungen untereinander symmetrisch ausgebildet sind. Darüber hinaus könnte bei unsymmetrischer Ausführung der Schaltung auch ein Übertrager verwendet werden, bei dem gegenüber dem Ausführungsbeispiel eine der Primärwicklungen und/oder der Sekundärwicklungen fehlt. Wesentlich für die erfindungsgemäße Ausgestaltung der bistabilen Kippschaltung ist nur, daß zwischen dem Kollektorstromkreis und dem Basisstromkreis zumindest je eines der Transistoren eine transformatorische Rückkopplung wirksam ist.Although the circuit arrangement according to FIG. 3 is particularly advantageous Has properties, it is of course only as an exemplary embodiment to be valued, since the invention can also be realized by other arrangements. It has already been pointed out that the two primary windings and / or the two secondary windings of the transformer within the collector or. Base circles the transistors could also be inserted elsewhere. For example, could the Secondary windings are connected directly to the bases of the transistors. It is also not fundamentally necessary that the two primary windings and the two Secondary windings are designed symmetrically with one another. In addition, could a transformer can also be used in the case of an asymmetrical design of the circuit, in the opposite of the embodiment one of the primary windings and / or the Secondary windings are missing. Essential for the inventive design of the bistable trigger circuit is just that between the collector circuit and the base circuit at least one of the transistors each has a transformer feedback effect is.

Claims

PATENT CLAIMS. 1. Bistable flip-flop with two transistors, in which the base connection of each transistor is connected to the collector connection of the other transistor via a feedback resistor, characterized in that a differential transformer to achieve additional feedback between the collector circuit and the base circuit of the other transistor is provided.

2. toggle switch according to claim 1, characterized in that that the transformer has two primary and two secondary windings, which in the Collector or base circuits of both transistors are inserted.

3. Toggle switch according to claim 2, characterized in that the two windings of the primary and the secondary side of the transformer each connected directly in series and so are inserted into the circuit that the connection of the collector and base circuits to the power source through the interconnection of the windings Connection points takes place.

4. Toggle circuit according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that at the collector of one or both transistors a biased Limiter diode is connected.

5. Toggle circuit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the transformer has at least one additional output winding having serving secondary winding.

6. Toggle circuit according to one of claims 1 to 5, characterized in that the transformer has one or more secondary windings has, which are used to supply the input signal. Considered publications: U.S. Patent Nos. 2,772,370, 2,782,309.