-
Nochgatter für logische Steuereinrichtungen mit einem an den Gatterausgang
angeschlossenen Schwellwertglied zur Begrenzung der Ausgangsspannung Die Einführung
der logischen Elemente hat im Aufbau von Steuereinrichtungen für verschiedenste
Anwendungszwecke große Änderungen mit sich gebracht. Breiteste Anwendung hat insbesondere
das Nochgatter gefunden, mit dem alle logischen Funktionen durch entsprechende Kombination
dargestellt werden können.
-
Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung sei zunächst das
Wesen des Nochgatters erläutert. Hierzu wird angenommen, daß ein vorhandenes Steuersignal
durch den Wert 1 und ein nicht vorhandenes Steuersignal durch den Wert Null
dargestellt ist. Ein Nochgatter kann dann im binären Zahlensystem erklärt werden,
das auf der Grundzahl 2 beruht. Zur Darstellung jeder beliebigen Zahl sind nur die
Ziffern Null und 1 erforderlich. Hat ein Nochgatter beispielsweise zwei Eingänge
A und B, dann ergibt sich seine Arbeitsweise wie folgt: Hat A und.B
das Eingangssignal Null, so ist das Ausgangssignal gleich 1. Hat
A das Eingangssignal Null und B das Eingangssignal 1, so ist das Ausgangssignal
gleich Null. Ebenso ist das Ausgangssignal gleich Null beim Eingangssignal
1 an A und beim Signal Null an B sowie bei den Eingangssignalen
1 sowohl an A als auch an B.
-
Zusammenfassend gilt, daß am Ausgang nur dann das Signal
1 entsteht, wenn weder am Eingang A
noch am Eingang B das Signal
1 vorhanden ist. Entscheidend ist hier also das Wort »Noch«, das sowohl eine
logische Funktion als auch eine Negation charakterisiert. Das entsprechende Gatter
wird daher als Nochgatter bezeichnet und seine Logik mit Nochlogik.
-
Je größer die Zahl der Eingänge und Ausgänge eines Gatters ist, desto
vielseitiger und wirtschaftlicher kann es eingesetzt werden. Man kann ganz allgemein
zeigen, daß bei Erhöhung der Zahl der Eingänge und Ausgänge von Gattern die Anzahl
der Gatter in logischen Steuereinrichtungen herabgesetzt werden kann.
-
Ferner müssen neben den logischen Funktionen auch andere Einflüsse
berücksichtigt werden. Insbesondere muß man das Zeitverhalten jedes Gatters im Betrieb
kennen. Beim Umschalten eines Gatters beliebiger Type entsteht ein geringes Zeitintervall
zwischen dem einen und dem anderen Schaltzustand. Ein Impuls wird gebildet, indem
ein Gatter in den Schaltzustand »ein« und hierauf wieder in den Schaltzustand »aus«
gebracht wird. Der hierbei gebildete Impuls hat eine bestimmte Verzögerung, die
durch die Anstiegs- und Abfallzeit an den Impulsflanken verursacht wird. Zwischen
dem steuernden Eingangsimpuls und dem vom Gatter abgegebenen Ausgangsimpuls entsteht
also eine Verzögerung. In logischen Steuereinrichtungen, wo mehrere solche Schaltvorgänge
nacheinander auftreten, können sich diese Verzögerungszeiten, auch wenn sie an und
für sich sehr klein sind, zu beträchtlichen Gesamtzeiten addieren. In getrennten
Kanälen der Steuereinrichtung, die an einem späteren Schaltungspunkt wieder zusammenstoßen,
kann daher eine Erscheinung auftreten, die man als »Wettlauf« bezeichnen kann. Dies
bedeutet, daß die Information in einem Kanal den Verbindungspunkt früher als die
Information im anderen Kanal erreicht. Der Wettlauf führt zu Fehlern der Steuereinrichtung.
Man ist daher gezwungen, an verschiedenen Stellen in der Einrichtung Zeitverzögerungen
einzubauen, um die Laufzeit der Informationen aneinander anzugleichen. Hierzu sind
be-
sondere Verzögerungsglieder erforderlich.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Nochgatter zu schaffen,
das nicht nur eine größere Anzahl von Eingängen und Ausgängen als die bisher üblichen
aufweist, sondern auch im inneren Schaltungsaufbau mit Mitteln zur Verzögerung von
Informationen für eine wählbare Zeitdauer ausgestattet ist, wenn eine solche Verzögerung
erforderlich erscheint.
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Nochgatter für logische Steuereinrichtungen
mit einem Transistor
und mit einem an den Gatterausgang angeschlossenen
Schwellwertglied zur Begrenzung der Ausgangsspannung und besteht darin, daß zur
Speisung einer Vielzahl von mit Verbrauchern belasteten Ausgangskreisen des Gatters
die Spannung der Gatterspeisespannungsquelle um eine Größenordnung höher gewählt
ist als die Grenzspannung des Schwellwertgliedes.
-
Das Schwellwertglied kann gemäß einem weiteren Merk-mal der Erfindung
in an sich üblicher Weise aus einer elektrisch vorgespannten Diode, vorzugsweise
einer Flächendiode, oder aber aus einer Zenerdiode bestehen.
-
Die Verwendung von Begrenzerdioden im Kollektorkreis von Gattern zugeordneten
Transistoren ist bekannt, um im Ausgangskreis des Gatters streng rechteckförmige
Signale zu erhalten.
-
Die Lösung dieser Aufgabe gemäß der Erfindung sei im folgenden an
Hand von Ausführungsbeispielen erläutert, die in der Zeichnung schematisch dargestellt
sind.
-
Fig. 1 zeigt zunächst ein Nochgatter, das bereits an anderer
Stelle vorgeschlagen wurde. Es enthält einen Transistor 10 mit drei Elektroden,
nämlich der Basiselektrode 11, der Kollektorelektrode 12 und der Emitterelektrode
13. Es ist ein Transistor vom PNP-Typ gezeigt, jedoch kann nach Umpolen der
Vor-und Signalspannungen auch ein NPN-Transistor verwendet werden. Sowohl Gennanium-
als auch Siliziumtransistoren sind geeignet. Der Transistor 10
arbeitet als
Schalttransistor, d. h. sein Eingangssignal reicht aus, um den Transistor
in die Sättigung auszusteuern.
-
Der Ausgang wird von den beiden Klemmen 14 und 15 gebildet
-, an die eine beliebige Belastung 16
angeschlossen werden kann. In Fig.
1 ist die Klemme 14 mit dem Kollektor und die Klemme 15 mit dem Emitter
verbunden, der zugleich geerdet ist.
-
Neben der geerdeten Eingangsklemme 23 hat das Nochgatter gemäß
Fig. 1 drei Eingänge 20, 21 und 22, die jeweils über Widerstände
25, 27, 29 und Dioden 26, 28, 30 mit der Basiselektrode
11 verbunden sind. Die Dioden dienen zur Entkopplung der einzelnen Eingänge.
können jedoch unter Umständen auch weggelassen werden.
-
Zur Stromversorgung dient eine Spannungsquelle 32, die über
den Widerstand 33 an die Kollektorelektrode 12 geschaltet ist. Die Größe
der Speisespannung hängt von den Bedingungen in der logischen Steuereinrichtung
und von der Charakteristik des Transistors 10 ab. Zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit
des Transistors 10 ist ferner noch die Reihenschaltung einer Spannungsquelle
34 und eines Widerstandes 35 zwischen Basis- und Emitterelektrode geschaltet.
-
Fig. 2 zeigt, wie ein solches Nochgatter im Sinne der Erfindung zu
ergänzen ist, um eine größere Zahl von Eingängen und Ausgängen verwenden zu können.
übereinstimmende Teile tragen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1. Im
Nochgatter nach Fig. 2 ist zwischen Emitter und Kollektor ein Schwellwertglied 40
geschaltet, das aus einer Gleichspannungsquelle 43, einer Diode 41 und einem Widerstand
42 besteht. Der Widerstand 42 kann der Durchlaßwiderstand der Diode 41 sein.
-
Es kann mathematisch gezeigt werden, daß alle logischen Funktionen
mit Ausnahme der Gedächtnis-oder Speicherfunktion auf zwei verschiedenen Niveaus
verwirklicht werden können, wenn eine unendliche Anzahl von Eingängen und Ausgängen
des Gatters verfügbar ist. Dies bedeutet, daß in vielen Fällen unter Verwendung
solcher Gatter eine geringere Zahl von Gattern ausreicht. Wenn ein Gatter viele
Ein-und Ausgänge aufweist, ohne daß seine Wirkung beeinträchtigt wird oder die Kosten
wesentlich erhöht werden, kann man die Steuereinrichtung mit größerer Wirtschaftlichkeit
aufbauen.
-
Das Schwellwertglied 40 greift nicht in die Funktion des Nochgatters
ein und bringt auch keine wesentliche Erhöhung des Aufwandes. Es gestattet jedoch,
das Nochgatter mit einer wesentlich größeren Zahl von. Ein- und Ausgängen zu versehen
als das Nochgatter nach Fig. 1. Für das so gebildete Vielfachnochgatter besteht
großer Bedarf in Steuereinrichtungen, und es ist in digitalen Rechenmaschinen praktisch
eine Notwendigkeit. Wie aus einem Vergleich der Fig. 1 und 2 hervorgeht,
kann das Nochgatter nach Fig. 2 auch mit einer geringeren Zahl von Eingängen arbeiten
und daher das Gatter nach Fig. 1 vollwertig ersetzen.
-
Die Diode 41 ist so eingeschaltet, daß ihre Kathode unmittelbar mit
dem Kollektor 12 des Transistors 10 verbunden ist. Die Spannung der Quelle
43 ist so groß bemessen, daß sie über den Eingangswiderstand eines nachfolgenden
Gatters den in diesem Gatter enthaltenen Transistor in die Sättigung treiben kann.
Die Spannung der Quelle 32 ist wesentlich größer als die der Quelle 43, beispielsweise
kann sie das 10- bis 20fache betragen. Diese hohe Spannung der Quelle
32 bewirkt über den Widerstand 33
praktisch, daß dem Kollektor 12 des
Transistors 10
ein annähernd konstanter Strom zugeführt wird. Wegen der Diode
41, die auf die Spannung der Quelle 43 vorgespannt ist, kann das Potential zwischen
den Elektroden 12 und 13 niemals die Spannung der Quelle 43 überschreiten.
In der Zeit, in der der Transistor 10 gesperrt ist, wirkt der Kollektor12
dieses Transistors demnach so, als wäre er eine konstante Stromquelle mit der Spannung
der Spannungsquelle 43 für die angeschlossene Belastung. Man kann daher an das Gatter
eine große Anzahl von verschiedenen Verbrauchern anschließen, die aus dieser konstanten
Quelle ohne weiteres gespeist werden können.
-
Wenn der Transistor 10 durchlässig ist, wird er von einem Strom
durchflossen, der sich annähernd aus dem Quotienten der Spannung der Quelle
32 und dem Widerstand 33 ergibt. Auf diesen Strom muß der Verstärkungsfaktor
des Transistors 10 eingestellt sein.
-
Aus dem Obigen ergibt sich, daß für einen Eingang und für vernachlässigbaren
Leckstrom des Transistors 10 die Zahl der Ausgänge des Nochgatters genau
der Verstärkung des Gatters entspricht, wenn die Kollektorimpedanz als unendlich
betrachtet wird. In der Praxis ist es möglich, eine Anzahl von Ausgängen vorzusehen,
die etwa auf die Hälfte der Stromverstärkung des Transistors 10 abgestimmt
ist, und eine entsprechende Zahl von Eingängen. Es macht beispielsweise keine Schwierigkeiten,
je fünfundzwanzig Ein- und Ausgänge anzuordnen. Dies bedeutet gegenüber dem
in Fig. 1 dargestellten Gatter eine wesentliche Erhöhung der Vielseitigkeit.
-
Es ist wünschenswert, die Charakteristik einer Konstantstromquelle
nachzubilden. Daher muß die Spannung der Quelle 32 wesentlich größer sein
als
die Spannung der Quelle 43, und der Wert des Widerstandes 42
so klein wie möglich. Zweckmäßig ist es, als Diode 41 eine solche mit hohem Rückwiderstand
und geringem Vorwärtswiderstand zu wählen, beispielsweise eine Flächendiode.
-
In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt, wobei gleiche Schaltungselemente wie in Fig. 2 gleiche Bezugszeichen
erhalten haben. An Stelle der vorgespannten Diode ist nunmehr eine Zenerdiode 44
zwischen Kollektor und Emitter geschaltet. Dann ist die Spannungsquelle 43 entbehrlich.
Die Zenerdiode muß mit der umgekehrten Richtung wie die Diode 41 eingeschaltet werden.
Die Durchbruchsspannung der Diode 44 entspricht der Höhe der Spannung der Quelle
43. Auch auf diese Weise kann man eine konstante Spannung zwischen der Kollektor-
und der Emitterelektrode des Transistors 10 erzwingen.
-
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig.
3. Es entspricht im grundsätzlichen Aufbau dem nach Fig. 2, ist jedoch durch
einen Kondensator 50 zur Erzielung einer inneren Zeitverzögerung ergänzt.
-
Wie bereits erwähnt, führen verschiedene Laufzeiten von Informationen
in zwei Kanälen der Steuereinrichtung zur Erscheinung des sogenannten Wettlaufes.
Der Kondensator 50 ermöglicht es mit geringstem Aufwand, das Nochgatter unmittelbar
mit den Eigenschaften eines Verzögerungsgliedes auszustatten, so daß keine besonderen
Verzögerungsglieder mehr erforderlich sind, um die Laufzeiten in zwei Kanälen aneinander
anzugleichen.
-
Die Wirkungsweise der Einrichtung nach der Erflndung in Fig.
3 sei an Hand der Fig. 4 erläutert. Mit X sind die Ausgangsimpulse
des Nochgatters ohne den Kondensator 50 bezeichnet, während nach Einschalten
dieses Kondensators die Ausgangsimpulse uni eine bestimmte Verzögerungszeit TV verschoben
am Ausgang erscheinen (Y). Diese Wirkungsweise beruht auf der Ausnutzung der nichtlinearen
Charakteristik der Emitter-Basis-Strecke des Transistors 10. Diese Charakteristik
ist in Fig. 5
dargestellt, die die Vorwärtsspannung dieser Diodenstrecke über
dem Vorwärtsstrom zeigt. Am Punkt S
ist ein definierter Knick erkennbar, der
mit dem Eintritt der Sättigung des Kollektorkreises zusammenfällt.
-
Bei Anlegen eines Eingangsimpulses wird der Kondensator
50 über einen der Eingangswiderstände aufgeladen. Die Spannung an der Basiselektrode
des Transistors 10 steigt exponentiell mit der Zeit an. Nach einer gewissen
Verzögerung erreicht die Basiselektrode des Transistors 10 das Potential,
das zur Sättigung des Transistors ausreicht. In diesem Augenblick fällt die Inipedanz
der Emitter-Basis-Strecke des Transistors 10 auf einen sehr geringen Wert.
Der Kondensator 50 entlädt sich dann über diese Strecke, nachdem der Eingangsimpuls
beendet ist. Nachdem die Spannung an der Basiselektrode des Transistors
10 einen Wert erreicht, der die Sättigung des Transistors nicht mehr aufrechterhalten
kann, wird dieser wieder gesperrt. Da die Spannungsschwankungen an der Basiselektrode
des Transistors 10 wesentlich größer sind, als sie zur Aussteuerung des Transistors
an sich erforderlich wären, sind die Anstie-s- und Abfallflanken der Impulse sehr
steil. Die Verzögerungszeit kann durch geeignete Wahl des Kapazitätswertes des Kondensators
50 bestimmt werden.
-
Das Nochgatter nach Fig. 3 hat sich im praktischen Betrieb
als besonders vorteilhaft erwiesen. Die Ergänzung durch den Kondensator
50 hat keinerlei Rückwirkung auf die logische Funktion als solche, sondern
bringt ausschließlich eine Verzögerung zwischen Eingangs- und Ausgangsimpuls an
dem jeweils gewünschten und erforderlichen Ort in der Steuereinrichtung. Die Verwendung
eines Kondensators für die Verzögerung durch Integration ist an sich zwar bekannt,
im vorliegenden Fall ist jedoch in der Verwendung der nichtlinearen Emitter-Basis-Strecke
des Transistors 10 ein wesentliches neues Merkmal zu sehen.
-
g ist auf die dargestellten Ausfüh-Die Erfindung rungsbeispiele
nicht beschränkt, da es verschiedene Möglichkeiten gibt, in einem Nochgatter ein
geeignetes Schwellwertglied anzuordnen. Wesentlich ist in allen Fällen, daß durch
Begrenzung einer großen Spannungsquelle auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert
über einen Widerstand das Nochgatter eine große Anzahl von Ausgängen völlig betriebssicher
versorgen kann.