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Transistor-Schaltungsanordnung mit zwei stabilen Zuständen Die Erfindung
betrifft eine Transistor-Kippschaltung mit zwei stabilen Zuständen. Solche Schaltungen
werden auch Flip-Flop genannt und finden in großer Zahl in Impulsschaltungen Verwendung.
Die bekannten Schaltungen bestehen aus zwei Transistoren, die kreuzweise gegengekoppelt
sind und dadurch von einem stabilen Zustand in den andern gekippt werden, daß über
die Steuerelektrode eines der Transistoren dessen Zustand geändert wird, während
der andere Transistor über den Rückkopplungsweg in den ursprünglichen Zustand des
ersten Transistors gezogen wird.
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Man kann den Kippvorgang also in zwei Funktionsphasen unterteilen:
in die Einwirkung des Steuerimpulses auf den ersten Transistor und in .die Einwirkung
des kippenden ersten Transistors auf den zweiten Transistor. Diese unterschiedliche
Ansteuerung bedingt eine nicht unterschreitbare Umkippzeit, die sich aus den aufeinanderfolgenden
Umladungen der beiden Steuerelektroden zusammensetzt. Neben der begrenzten Kippgeschwindigkeit
besitzen die bekannten Flip-Flops noch weitere Nachteile, die unmittelbar mit dem
Prinzip der Schaltung zusammenhängen: die beiden Transistoren wirken als Wechselschalter,
d. h., ein Transistor wird immer in der Sättigung, der andere im Sperrzustand betrieben.
Die Umschaltung von einem in den andern Zustand bedarf jedoch einer gewissen Basisladungsänderung,
wodurch die Größe des aufzubringenden Stromimpulses für die Umsteuerung gegeben
ist.
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Diese Nachteile beseitigt die erfindungsgemäße Anordnung durch ein
neuartiges System der Ansteuerung.
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Die Erfindung besteht darin, daß bei einem Flip-Flop mit zwei jeweils
von der Ausgangselektrode des einen zur Eingangselektrode des andern gleichstromgekoppelten
Transistoren :die Steuerimpulse zum Umkippen der Schaltung einem Übertrager zugeführt
werden, dessen Sekundärwicklung zwischen den Steuerelektroden der beiden Transistoren
liegt.
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Eine solche Anordnung unterscheidet sich auch wesentlich von einer
bereits vorgeschlagenen Kippschaltung, bei der mittels positiver und negativer Impulse,
die getrennt zwei verschiedenen Eingängen jeweils für stets gleiche Polarität zugeführt
werden, über eine diesen nachgeschaltete Diodenanordnung die Kippvorgänge einleiten.
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An Hand der Fig. 1 bis 4 soll die Erfindung im folgenden am Beispiel
eines pnp-Transistor-Flip-Flops in Emitterschaltung beschrieben werden.
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Fig. 1 zeigt ein solches Flip-Flop, bestehend aus einem ersten Transistor
1 und einem zweiten Transistor 2, deren Emitterelektroden auf Masse liegen und deren
Basiselektroden über je einen Vorwiderstand 3, 4 mit der positiven Betriebsspannung
-I- U von beispielsweise -F- 5 V verbunden sind. Die beiden Kollektorelektroden
bilden die beiden Ausgänge und sind über je einen weiteren Vorwiderstand 5 und 6
an die negative Betriebsspannung - U von beispielsweise - 10 V gelegt. Von der Basis
des Transistors 1 führt die Serienschaltung einer Diode 7 und eines ohmschen Widerstandes
8 auf den Kollektor des Transistors 2, ebenso wie die Basis des Transistors 2 über
Diode 9 und Widerstand 10 mit dem Kollektor von Transistor 1 gekoppelt ist. Die
Dioden 11 und 12, die von je einem Kollektor jeweils an die Kopplungsdiode 7 bzw.
9 führen, dienen der Begrenzung des Sättigungsstromes der Transistoren. Da die Schaltung
symmetrisch aufgebaut und so dimensioniert ist, daß ein leitender Transistor über
den Rückkopplungsweg 7, 8 bzw. 9, 10 den andern sperrt, wirkt die soweit beschriebene
Anordnung bereits als bistabile Kippschaltung, der bei bekannten Schaltungen zur
Umsteuerung an der Basis oder dem Kollektor eines Transistors ein geeigneter Impuls
zugeführt wird.
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Entsprechend der Erfindung erfolgt die Umsteuerung jedoch durch ein
zusätzliches Element 13, das zwischen den Basiselektroden der beiden Transistoren
eingeschaltet ist. Es besteht im einfachsten Falle aus der Serienschaltung der Sekundärwicklung
eines Übertragers 14 mit einem niederohmigen Widerstand 15.
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Der Kippimpuls wird über den Übertrager eingespeist. Auf der Sekundärseite
entsteht dabei eine
Spannung, die so gepolt sein muß, daß die Ladung
aus der Basis des gerade leitenden Transistors »abgesaugt« und der andern Basis
zugeführt wird.
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Auf diese Weise wird erreicht, daß der Kippimpuls gleichzeitig die
Sperrung des leitenden und die Öffnung des gesperrten Transistors bewirkt, während
die Rückkopplungswege 7, 8 bzw. 9, 10 nur die statische Stabilität gewährleisten.
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Gleichzeitig wird erreicht, daß der Kollektorspannungssprung im Verhältnis
zur Größe der Betriebsspannung klein bleibt, da der Strom, der am Kollektor des
einen Transistors fließt, nach dessen Sperrung fast in gleicher Höhe über die Rückkopplungswege
der Basis des andern Transistors zugeführt wird. Bei einer Betriebsspannung U =
-10 V beträgt der Aüsgangsspannungssprung nur etwa 3 V, was für die oft an das Flip-Flop
angeschlossene Diodenlogik einen günstigen Wert bedeutet.
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Einen besonderen Vorteil hinsichtlich der Störanfälligkeit und statischen
Stabilität besitzt die Ausbildung des Elements 13 einer Schaltung nach Fig. 1, wie
sie Fig. 2 zeigt. Hier ist der Widerstand 15 als Parallelschaltung 16 zweier entgegengesetzt
gepolter Dioden ausgebildet, die bei kleinen Spannungswerten relativ hochohmig und
bei größeren Spannungswerten beliebiger Polarität niederohmig wird und so kleine
Störspannungen unschädlich macht. Man kann den Widerstandsgang durch die Wahl entsprechender
Dioden beeinflussen. Insbesondere eignen sich Siliziumdioden mit sehr breitem Anlaufstromgebiet
für diesen Zweck.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Ansteuerung
ist in Fig. 3 angedeutet, die ebenfalls in der Ausbildung .des Elements 13 liegt,
während die übrige Schaltung gemäß Fig: 1 zu ergänzen ist.
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Hier ist eine vollkommene funktionelle Analogie zum bekannten bistabilen
Flip-Flop hinsichtlich seiner beiden für beide Kipprichtungen getrennten Steuereingänge
dadurch erreicht, daß zwei getrennte Eingangstransformatoren 17 und 19 für die beiden
Kipprichtungen vorgesehen sind. Die Sekundärwicklung des Übertragers 17 überträgt
nur negative Impulse über die Diode 18 nach ,der Basis des Transistors 2 und öffnet
diesen, während positive Stromimpulse; an den Übertrager 19 angelegt, über die Diode
20 den Transistor 1 öffnen. Falsch gepolte Störimpule, die z. B. durch überschwingvorgänge
erzeugt werden können, werden dadurch einflußlos.
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Fig. 4 zeigt endlich ein komplettes Ausführungsbeispiel gemäß der
Variante nach Fig. 3, bestehend aus zwei taktgetasteten Torschaltungen (Fig. 4a)
mit je einem Eingang Ei und E2 und je einer übertragerprimärwicklung 17', 19', deren
Sekundärwicklungen 17" und 19" in Fig. 4b in der beschriebenen Weise zwischen den
Basiselektroden der Transistoren 1 und 2 liegen. Die Schaltelemente hatten bei einer
funktionsfähigen Schaltung folgende Werte:
| Transistoren: 1, 2, 21, 22.. 0C 615 |
| Dioden 9, 9, 11, 12, 18, 20, |
| 25, 26, 27, 28 . . . . . . . . . 0A 460 |
| Widerstände 8, 10 . . . . . . . . 3009 |
| Widerstände 5, 6 . . . . . . . . . 1 kg |
| Widerstände 3, 4 . . . . . . . . . 3 kg |
| Widerstände 23, 24 ....... 5 kg |
| Si-Dioden 29, 30 . . . . . . . . . 0A 127 |
| Übertrager 17 und 19 .... primär 10 Wdg, |
| sekundär 3 Wdg, |
| L primär = 40 [xH. |
Die beschriebene Anordnung stellt ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel der Erfindung
dar, ist jedoch nicht die einzig mögliche Form. Insbesondere ist die Erfindung nicht
auf die Verwendung von pnp-Transistoren beschränkt und nicht auf ihre Anwendung
in Emitterschaltung, sondern ist auf alle Kippschaltungen anwendbar, deren Umsteuerung
durch Ladungsverschiebung von einer Steuerelektrode zur an denn geschieht.