DE1112115B - Logisches Schaltelement, das ein Ausgangssignal nur dann abgibt, wenn an keinem Eingang ein Eingangssignal vorhanden ist - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Schaltelement, insbesondere zur Ausführung einer NOR-Funktion. Um ein besseres Verständnis vorliegender Erfindung zu ermöglichen, sollen einige allgemeine Bemerkungen über Rechenmaschinen, die mit NOR-Gattern aufgebaut sind, gemacht werden. Die Verwendung von NOR-Gattern bringt einige bemerkenswerte Vorteile mit sich. Es wird z. B. für eine ganze Rechenanlage nur eine einzige Art von logischen Elementen benötigt, so daß mit nur einer einzigen Arbeitsgeschwindigkeit gerechnet werden muß. Rechenmaschinen arbeiten im allgemeinen nach dem Binärsystem. Im Gegensatz zum Dezimalsystem sind die Wertigkeiten der Stellen nach Potenzen von zwei gestaffelt. Aus diesem Grunde sind nur zwei Zeichen, z. B. 0 und 1, erforderlich, um mit deren Hilfe alle Zahlen darzustellen. In der Elektrotechnik lassen sich diese Ziffern durch zwei eindeutige Schaltzustände, nämlich »Stromkreis ein« oder »Stromkreis aus«, darstellen.

Die Arbeitsweise eines NOR-Gatters ist folgende: An den Ausgangsklemmen erscheint ein Signal 1 nur dann, wenn weder an der ersten Eingangsklemme noch an der zweiten, noch an einer der übrigen Eingangsklemmen das Signal 1 anliegt. Positiv gesagt: Ein Ausgangssignal tritt nur auf, wenn an keinem der Eingänge ein Eingangssignal vorhanden ist. Das Schlüsselwort obiger Funktion ist die Wortverbindung »weder—noch«, im englischen »nor«, welches eine logische Funktion, insbesondere eine Negation, ausdrückt. Der Schaltkreis wird aus diesem Grunde als NOR-Gatter bezeichnet, und ein mit diesen Gattern aufgebautes System wird als »NOR-Logik« bezeichnet.

Die Bemühungen in der Entwicklung von Rechenmaschinen konzentrieren sich vor allem auf die Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit. Um die Arbeitsgeschwindigkeit der Rechenanlagen zu erhöhen, ist man zunächst von hintereinandergeschalteten Arbeitskreisen zu parallel arbeitenden übergegangen und dann dazu, Elemente mit immer höherer Arbeitsgeschwindigkeit in diesen einzusetzen. Auf diese Weise versucht man, immer mehr an die durch die Lichtgeschwindigkeit gegebene Geschwindigkeitsgrenze heranzukommen.

Da die extrem schnell arbeitenden Elemente teuer sind, erscheint es wünschenswert, nach Wegen zu suchen, die Zahl dieser Elemente in schnell arbeitenden Rechenanlagen auf ein Minimum herabzusetzen.

Eine Lösung für dieses Problem ist unter dem Namen »Parallel-Parallel-Logik« bekanntgeworden. Wenn man nämlich einen logischen Stromkreis an-Logisches Schaltelement,

das ein Ausgangssignal nur dann abgibt,

wenn an keinem Eingang ein Eingangssignal

vorhanden ist

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 2. März 1959

William D.Roew, Snyder, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

wendet, der eine praktisch unbegrenzte Anzahl von Ein- und Ausgängen hat, und wenn hierbei alle Eingangssignale und die zugehörigen Komplementärgrößen praktisch gleichzeitig zur Verfügung stehen und die sonstigen Betriebsvoraussetzungen erfüllt sind, kann man logisch arbeitende Geräte bauen, bei denen nur zwei Stufen von logischen Stromkreisen angewendet sind. Die Vorteile von Anordnungen, die auf dieser Grundlage gebaut sind, bestehen darin, daß praktisch nur die Arbeitszeiten von zwei logischen Stromkreisen von Bedeutung sind, daß also die ganze Rechenanlage in einer Zeit arbeiten kann, die nur das Doppelte der Arbeitszeit eines einzigen logischen Elementes beträgt. Die Aufgabe der Erfindung besteht dementsprechend darin, ein logisches Element durchzubilden, das mit einer großen Anzahl von Eingängen und Ausgängen (bis etwa fünfundzwanzig bzw. dreißig) arbeiten kann.

Gegenstand der Erfindung ist ein logisches Schaltelement mit einem im Ruhezustand gesperrten Transistor, das ein Ausgangssignal nur dann abgibt, wenn an keinem einer Mehrzähl von Eingängen ein Eingangssignal vorhanden ist (NOR-Gatter), in dem der erwähnte Transistor mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke eine Vielzahl paralleler, von einer Gleich-

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Spannungsquelle gespeister Ausgangsstromkreise kurzschließt, sobald in wenigstens einem von mehreren Eingangsstromkreisen ein Steuerstrom fließt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die parallelen Ausgangsstromkreise über die Basis-Kollektor-Strecke eines weiteren Transistors an die Klemmen der speisenden Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.

Eine Anzahl von fünfundzwanzig bis dreißig möglichen Ausgangsstromkreisen je Element ist in praktisch allen Anwendungsfällen vollkommen ausreichend.

Kennzeichnend für ein erfindungsgemäß aufgebautes Bauelement ist die bessere und zuverlässigere Arbeitsweise, die vor allem dadurch gegeben ist, daß die Ausgangsspannung des NOR-Elementes in weiten Grenzen im wesentlichen unabhängig von der Anzahl der Ausgangsstromkreise ist. Ein solches Verhalten wird zweckmäßigerweise mittels eines zweiten Transistors erzielt, der, mit einer konstanten Spannung gesteuert, in einem weiten Bereich eine im wesentlichen konstante Spannung liefert. Dieser Transistor wird vorteilhafterweise zugleich zur Begrenzung des Arbeitsstromes des Schalttransistors herangezogen.

Es ist weiter für den Erfindungsgegenstand kennzeichnend, daß das Element eine sehr kleine Verlustleistung besitzt und aus diesem Grunde mit niedrigen Spannungen betrieben werden kann.

Diese erwähnten Kennzeichen und weitere Vorteile der Erfindung sollen durch die folgende Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen veranschaulicht werden.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines NOR-Elementes;

Fig. 2 zeigt dasselbe NOR-Element mit zusätzlicher Stabilisierung der Ausgangsspannung mittels einer Zenerdiode;

Fig. 3 und 4 zeigen je ein NOR-Gatter, das im wesentlichen die Kennzeichen der vorliegenden Erfindung trägt.

In Fig. 1 wird ein NOR-Gatter gezeigt, das im wesentlichen aus einem Transistor 10 mit einer Basis 11, einem Kollektor 12 und einem Emitter 13 besteht. In diesem besonderen Beispiel ist ein p-n-p-Transistor vorgesehen. Jedoch könnte auch ein n-p-n-Transistor Anwendung finden, wobei die Polarität die Versorgungsspannungen umgekehrt werden müßte. Es können sowohl Germanium- als auch Silizium-Transistoren mit Erfolg angewendet werden. Der Transistor 10 arbeitet im Schaltbetrieb.

Zwischen der Basis 11 und dem Emitter 13 des Transistors 10 wird ein Eingangssignal zur Durchsteuerung des Transistors angelegt. Eine Spannungsquelle 14 von 24 Volt ist zwischen Emitter 13 und Basiselement angeschlossen, um den Transistor 10 zu sperren, solange kein Eingangssignal über eine der vielen Eingangsklemmen 15 geliefert wird. Ein Widerstand 17 ist zwischen jeder Eingangsklemme 15 und die Basiselektrode 11 geschaltet. Das Gatter nach Fig. 1 besitzt eine große Anzahl von Ausgangsklemmen 16, an welche andere, ähnliche, logische Funktionen ausführende Gatter oder andere Belastungen gegen Erdpotential angeschlossen werden können. Diese Ausgangsklemmen sind mit der Kollektorelektrode 12 verbunden. Eine 250-Volt-Spannungsquelle 18 ist über einen Widerstand 19 zwischen Emitter 13 und Kollektor 12 angeschlossen. Die Spannungsquelle 18 ist dabei in solchem Sinne an den Kollektor 12 angeschlossen, daß in den Ausgangsklemmen 16 ein negatives Ausgangssignal von der Größe 1 erscheint, wenn der Transistor 10 gesperrt ist, bzw. das Ausgangssignal 0 — im wesentlichen Erdpotential — an den Ausgangsklemmen 16 auftritt, wenn der Transistor 10 im Sättigungsgebiet arbeitet.

Das logische Element nach Fig. 1 arbeitet in folgender Weise: Sobald ein negativer Eingangsimpuls der Größe 1 an irgendeiner der Eingangsklemmen 15, liegt, wird der Transistor 10 leitend. Infolgedessen erscheint Erdpotential bzw. eine Ausgangsspannung 0 an den Ausgangsklemmen 16.

Wenn an keiner der Eingangsklemmen 15 eine negative Eingangsspannung vorhanden ist, wird der Transistor 10 durch die von der Spannungsquelle 14 aufgeprägte Spannung in gesperrtem Zustand gehalten. Hierbei besitzt der Transistor einen hohen Widerstand, so daß an den Ausgangsklemmen 16 eine negative Einheitsspannung erscheint, die sich aus der Beziehung ergibt:

V —V J ⁱ⁷

χ R₁₉+ R₁₇

Dabei wird vorausgesetzt, daß die Ausgangsklemmen 16 mit χ Eingangsklemmen 15 weiterer gleichartiger NOR-Elemente verbunden sind. Die Ausgangsspannung V₁₆ ist gleich der Spannung F₁₈ der Spannungsquelle 18 multipliziert mit der Größe R₁₇, wobei R₁₇ der Widerstand des Widerstandes 17 ist, der in Serie zwischen jeder Eingangsklemme und der Basis 11 des darauffolgenden NOR-Gatters liegt, dividiert durch die Größe χ · R_ig plus dem Widerstand R₁₇, wobei χ die Anzahl der Ausgangsstromkreise 16 bedeutet, die gerade mit Eingangsklemmen 15 anderer NOR-Gatter verbunden sind. Hierbei ist unterstellt, daß jeweils nur eine Eingangsklemme mit einer Ausgangsklemme eines anderen NOR-Gatters verbunden ist. Die obige Gleichung zeigt, daß die Ausgangsspannung F₁₆ um so kleiner ist, je mehr Eingangskreise von nachfolgenden NOR-Gattern mit den Ausgangskreisen des betrachteten NOR-Gatters verbunden sind und je größer R₁₉ ist. A₁₉ ist aber durch die Bedingung bestimmt, daß der Kollektorstrom einen Grenzwert nicht überschreiten darf. Man könnte andererseits die Spannung der Quelle 18 niedriger halten. In diesem Falle würde aber die Ausgangsspannung stark abfallen, wenn mehrere Ausgangslastkreise an den Klemmen 16 angeschlossen würden. Es bleibt also nur ein Kompromiß. So wurde in Fig. 1 eine Quelle mit 250 Volt Spannung gewählt. Dies bedeutet aber zwangläufig eine hohe Verlustleistung. Der Grenzwert, der an ein Gatter nach Fig. 1 anschließbaren Eingangs- und Ausgangsstromkreis liegt bei sechs, wenn man noch mit einem Höchstmaß an Sicherheit und Zuverlässigkeit arbeiten will. Um eine größere Anzahl von Eingängen verwenden zu können, empfiehlt sich eine Ausführungsform, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Bei dieser ist die Ausgahgsspannung auch bei größerer Arbeitsbelastung durch die Zenerspannung der Diode 21 bestimmt. Dadurch wird es möglich, von einem solchen Element aus mehr Ausgangsstromkreise zu betreiben (steuern), als dies bei einer Anordnung nach Fig. 1 möglich ist.

In Fig. 2 ist eine Zenerdiode 21 zwischen dem Kollektor 12 und dem Emitter 13 des Transistors 10 angeschlossen, deren Zenerspannung bei 24 Volt liegt, so daß eine Ausgangsspannung F₁₈ nicht unter 24 Volt fallen kann, wenn sich der Transistor 10 im

Sperrzustand befindet und wenn die Belastung durch die Ausgangskreise unter einem gewissen Maximalwert gehalten wird. Ein Nachteil dieser Anordnung besteht in der hohen Verlustleistung an i?_ia auf Grund der 250-Volt-Versorgungsspannung.

In Fig. 3 ist ein weiteres NOR-Gatter gezeigt, das ein Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung darstellt. Dort arbeitet ein Transistor 23 als Konstantspannungsquelle und als Strombegrenzer. Der Transistor 10 arbeitet, wie bisher, im Schaltbetrieb. Die Summe aller parallel zwischen den Klemmen 16 und Erdklemme angeschalteten Stromkreise sei zu einer »Gesamtlast« zusammengefaßt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist diese Gesamtlast über die Basis-Kollektor-Strecke des Transistors 23 an die Spannungsquelle 27 angeschlossen. Der Steuerstromkreis des Transistors 23 wird aus den gegeneinandergeschalteten Spannungsquellen 24 und 27, dem Emitterwiderstand 25 und der Emitter-Basis-Strecke gebildet. Parallel zur Gesamtlast liegt die Emitter-Kollektor-Strecke des Schalttransistors 10. Eine Schaltungsanordnung dieser Art erfüllt gleichzeitig zwei Aufgaben: Die Spannung an der Gesamtbelastung wird in einem sehr weiten Bereich unabhängig von dem Wert dieser Gesamtlast konstant gehalten, vorausgesetzt, daß der Widerstandswert dieser Gesamtlast oberhalb eines bestimmten Wertes liegt.

Fällt jedoch dieser Widerstandswert unter diesen Grenzwert — wie dies immer dann der Fall ist, wenn der parallel zur Last liegende Schalttransistor 10 leitend ist —, dann wirkt der Transistor 23 als Konstantstromquelle, d. h. als Strombegrenzer, und schützt somit den Schalttransistor 10 vor Überlastung.

Diese Funktionsweise des Transistors 23 soll im folgenden kurz erläutert werden: Im Emitter-Basis-Stromkreis des Transistors 23 fließt ein im wesentlichen konstanter Strom der Größe

'e max

V —V

^v 24 ^y 27

25

Dieser Strom ist im wesentlichen nur durch die resultierende Spannung und den Emitterwiderstand bestimmt, da der Eingangswiderstand der Emitter-Basis-Strecke gegenüber dem Emitterwiderstand R₂₅ vernachlässigbar klein ist. Dieser Emitterstrom wird stets gebildet aus der Summe des Basis- und ,des Kollektorstromes. Wächst also der Kollektorstrom infolge eines abnehmenden Lastwiderstandes, dann nimmt gleichzeitig der Basisstrom ab. Jedoch kann der Kollektorstrom maximal den Wert I_E · A erreichen, wobei A die maximale Stromverstärkung des Transistors bedeutet. A ist stets etwas kleiner als Eins. Solange der Kollektorstrom diesen Maximalwert noch nicht erreicht hat —'■ da R_L den dafür notwendigen Grenzwert noch nicht unterschritten hat —, ist der Basiskollektorspannungsabfall vernachlässigbar klein (oder der Innenwiderstand annäherungsweise Null), so daß die Spannung der Quelle 27 an der Gesamtlast liegt. Das bedeutet aber, daß oberhalb dieses Grenzwertes die Gesamtlast mit einer konstanten Spannung versorgt wird.

Wird dagegen der Schalttransistor 10 leitend, dann liegt der Wert der Gesamtlast unterhalb des erwähnten Grenzwertes. Der Kollektorstrom des Transistors 23, der zugleich die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 10 durchfließt, ist nunmehr begrenzt und in seinem Wert eindeutig bestimmt durch die Größe des im Transistor 23 fließenden Emitterstromes, der ja stets konstant ist.

Man kann sich dieses Verhalten auch an Hand des Ausgangskennlinienfeldes der Basisschaltung I_c = f (Ucb) klarmachen, in dem I_E als Parameter aufgetragen ist. Betrachtet man dort eine Kennlinie mit dem Parameter I_E = const, so erkennt man, daß bei Kollektorströmen, die unterhalb des erwähnten maximalen, durch I_E bestimmten Wertes liegen, der Spannungsabfall JJ_CB der Kollektor-Basis-Strecke vernachlässigbar klein ist. Kommt jedoch der Kollektorstrom

— der durch den Gesamtlastwiderstand bestimmt ist — in die Nähe seines Maximalwertes Iq max

— Iε max' A, dann fällt an der Kollektor-Basis-Strecke des Transistors 23 jede beliebige Spannung ab, d. h.

die Spannung an der Gesamtlast wird Null, wobei gleichzeitig der Strom durch den Schalttransistor 10 auf einen für diesen zulässigen Wert begrenzt ist (ebenI_Emax-Al).

Die Verlustleistung dieses NOR-EIementes nach Fig. 3 ist ganz bedeutend geringer als die Verlustleistung des NOR-EIementes nach Fig. 1 und 2. Sie beträgt nur 2 bis 3 Watt.

Eine Siliziumdiode 29 kann noch in Durchlaßrich-

z5 tang zwischen Basiselektrode U und Erdpotential eingeschaltet sein, um zu verhindern, daß die Basis 11 überlastet wird, wenn eine große Zahl von Eingangsklemmen 15 erne Einheitseingangsspannung empfangen. Das logische Element nach Fig. 3 wurde erprobt, wobei legierte Transistoren verwendet wurden und das Element mit fünfundzwanzig Eingangskreisen und fünfundzwanzig Ausgangskreisen belastet wurde. Die mittlere Arbeitszeit lag bei 80 Nano-Sekunden (0,08 Mikrosekunden).

Fig. 4 zeigt dieselbe Anordnung wie in Fig. 3, jedoch ist dort die Diode 29 weggelassen.

Die Stromkreisanordnungen nach Fig. 1 und 2 erfordern eine relativ hohe Versorgungsspannung 18 in der Größenordnung von 250 Volt. Die Verlustleistung an dem Widerstand 19 ist verhältnismäßig hoch. Sie beträgt 5 bis 10 Watt. Nachteilig ist weiter, daß der Arbeitsstrom, der durch den Transistor 10 fließt, nicht genügend begrenzt wird, um mit Sicherheit unter allen Betriebsbedingungen eine Zerstörung des Transistors 10 zu verhindern.

Im Gegensatz dazu arbeiten die NOR-Gatter nach Fig. 3 und 4 mit einer größeren Anzahl Eingangsund Ausgangsstromkreisen, außerdem mit einer Spannungsquelle niedriger Spannung. Da niedrigere Spannungen und niedrigere Widerstände in dem Arbeitsstromkreis verwendet werden, ist die Verlustleistung ziemlich niedrig und auf den Transistor 23 und den Stromreglerwiderstand 25 im (2- bis 3-Watt-) Emitterstromkreis dieses Transistors aufgeteilt.

Die NOR-Gatter nach Fig. 3 und 4 sind besonders gut für Rechenanlagen geeignet, die eine Vielzahl von Eingangs- und Ausgangsstromkreisen erfordern. Das NOR-Gatter entsprechend Fig. 3 und 4 erlaubt den Aufbau einer Rechenanlage in »Parallel-Parallel-Logik«. Alle logischen Funktionen werden durch die beiden Zustände eines NOR-Gatters beherrscht, so daß nur zwei Arbeitszeiten maßgeblich sind. Dadurch ergibt sich eine Anordnung, deren Arbeitsgeschwindigkeit größer ist als die aller bisher bekannten.

Vorliegende Erfindung wurde an Hand spezieller Ausführungsbeispiele beschrieben. Es sind jedoch eine Vielzahl von abgeänderten Anordnungen denkbar, die trotzdem alle kennzeichnenden Merkmale

Claims (2)

7 8 des Erfindungsgegenstandes tragen. Diese Ausführun- 3. Logisches Schaltelement nach Anspruch 2, gen sind also nicht in einem begrenzenden Sinne aus- dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode zulegen. (26) des zweiten Transistors (23) über einen Als Bauelemente wurden in dem Ausführungsbei- Widerstand (25) und eine Hilfsspannungsquelle spiel verwendet: 5 (24) mit dem Emitter (13) des ersten Transistors Transistor 10 2N 501 i1«? verbunden ist Transistor 23 2 N 102 4- Log^hes Schaltelement nach Anspruch 3, Widerstand 17 15 kOhm dadurch gekennzeichnet, daß an der Emitter-Widerstand 37 62 kOhm Basis-Strecke des zweiten Transistors (23) die Widerstand 25 '. '.'.'."".'.'. 250 Ohm 10 Differenz der ersten Versorgungsspannung (27) und der Hilfsspannung (24) über den Widerstand (25) als Steuerspannung wirksam ist. PATENTANSPRÜCHE: 5 Logisches Schaltelement nach Anspruch 4,

1. Logisches Schaltelement mit einem im Ruhe- dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität der zustand gesperrten Transistor, das ein Ausgangs- 15 Differenzspannung so gewählt ist, daß der zweite signal nur dann abgibt, wenn an keinem einer Transistor (23) stets durchgesteuert ist.
Mehrzahl von Eingängen ein Eingangssignal vor- 6. Logisches Schaltelement nach Anspruch 4, handen ist (NOR-Gatter), in dem der erwähnte dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Transistor mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke Steuerspannung und des Widerstandes (25) so geeine Vielzahl paralleler, von einer Gleichspan- 20 wählt ist, daß der durch diese Größen bestimmte nungsquelle gespeister Ausgangsstromkreise kurz- maximale Kollektorstrom kleiner ist als der maxischließt, sobald in wenigstens einem von mehre- male zulässige Emitter-Kollektor-Dauerstrom des ren Eingangsstromkreisen ein Steuerstrom fließt, Schalttransistors (10).

dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Aus- 7. Elektronisches Schaltelement nach Angangsstromkreise über die Basis-Kollektor-Strecke 25 spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eines weiteren Transistors (23) an die Klemmen Steuerstrecke des ersten Transistors (10) eine der speisenden Gleichspannungsquelle (27) an- Diode als Nebenschluß in der Weise parallel gegeschlossen sind. schaltet ist, daß ihre Durchlaßpolarität dieselbe

2. Logisches Schaltelement nach Anspruch 1, ist wie die der Steuerstrecke.

dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelek- 30

troden (12, 30) der beiden Transistoren (10, 23)

untereinander und mit den parallelen Ausgangs- I^Q Betracht gezogene Druckschriften:

klemmen (16) verbunden sind. Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 050 814.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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