DE1150117B - Kontaktloser logischer Schaltkreis - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf logische Schaltkreise und im besonderen auf einen mit Transistoren arbeitenden, logische Funktionen erfüllenden Steuerbaustein.

Es ist wünschenswert und üblich, völlig geschlossene und vergossene Standardsteuerblöcke für die Anwendung in logischen Netzwerken vorzusehen. Ein solches Netzwerk besteht aus einzelnen universell einsatzfähigen logischen Steuerbausteinen, die die gewünschten logischen Funktionen durch geeignete Schaltkombinationen (Verknüpfungen) aufzubauen erlauben.

Bekannte logische Baueinheiten sind als Umkehrstufen mit mehreren Odereingängen (Nor-Elemente) aufgebaut. Nachteilig ist bei diesen, daß die Größe ihrer Ausgangsspannung von der Anzahl der nachgeschalteten Steuerstufen abhängt. Je mehr solcher Stufen nachgeschaltet sind, um so geringer ist diese Spannung. Der besondere Wert solcher Steuerbausteine wird dabei dadurch beeinträchtigt, daß ihre Anwendung in einem logischen Netzwerk durch die maximal zulässige Kollektorspannung der in den Bausteinen enthaltenen Transistoren begrenzt wird, so daß die Ausgangsspannung mit der Anzahl der nachgeschalteten Bauelemente sinkt.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit einem logischen Steuerkreis in Form eines abgeschlossenen Blocks, der geeignet ist, mit anderen Blocks gleicher oder anderer Art zu einem logischen Netzwerk verknüpft zu werden. Die Erfindung bezieht sich dabei auf einen sich selbsttätig Spannungskompensierenden logischen Steuerkreis, d. h. einen Kreis, dessen Ausgangsspannung selbst bei Nachschaltung einer Vielzahl weiterer Stufen konstant bleibt, solange von den vorgeschriebenen Daten des benutzten Halbleiters nicht abgewichen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, in diesem Sinne ein neues und vorteilhaftes widerstandsgekoppeltes selbsttätig spannungskompensiertes logisches Bauelement aufzubauen, bei dem die Ausgangsspannung bzw. die Eingangsspannungen für die folgenden Stufen unabhängig von der Anzahl der nachgeschalteten Stufen konstant bleiben.

Im besonderen soll ein spannungskompensiertes Nor-Gatter bzw. ein Undgatter mit Umkehrfunktion geschaffen werden; die gebildeten Blocks sollen jeder für sich zur Verwendung in logischen Netzwerken völlig abgeschlossen sein.

Jeder dieser Steuerbausteine soll im übrigen mit den verschiedenartigsten anderen Bauelementen zusammenschaltbar sein.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung Kontaktloser logischer Schaltkreis

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 25. November 1960 (Nr. 71646)

Richard L. Bright, Adamsburg, Pa. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

sollen an Hand der Beschreibung und des Anspruches in Verbindung mit der Zeichnung erläutert werden. In der Zeichnung veranschaulicht

Fig. 1 die Schaltung eines Nor-Gatters bekannter Art,

Fig. 2 die Verkörperung eines Bauelements nach der Erfindung und

Fig. 3 bis 6 Schaltungsanordnungen, die die Anpassungsfähigkeit des Erfindungsgegenstandes an verschiedene logische Schaltungen und Relaisschaltungen offenbaren sollen.

Der widerstandsgekoppelte Transistorschaitkreis gemäß Fig. 1 ist in seiner Art bekannt und stellt ein nicht spannungskompensiertes Nor-Gatter dar. Das Gatter 2 enthält einen Transistor T üblicher Bauweise in pnp-Ausführung. Der Transistor T besitzt eine Basiselektrode, eine Emitterelektrode und eine Kollektorelektrode. Der Emitter ist geerdet. Die Basis ist über EntkopplungswiderständeRl mit einer Mehrzahl von Eingangsklemmen verbunden. Die Anzahl der Eingangsklemmen und Entkopplungswiderstände ist entsprechend den später zu erläuternden Grenzen gewählt. Ein Widerstand R 3 verbindet die Basis mit dem positiven Pol +V_BB der Spannungsquelle, während ein Strombegrenzungswiderstand Ας im Kollektorkreis des Transistors den Kollektor mit dem negativen Pol —Vcc dieser Spannungsquelle verbindet. Der Kollektor ist weiterhin an eine Ausgangsklemme Y geführt, an welche eine Mehrzahl von EingangswiderständenÄL4, RIB, RIC ... RIX der nachgeschalteten logischen Bauelemente angeschlossen sein kann.

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veranschaulichten Art darin, daß der Kollektorwiderstand RC nicht mit einem festen Wert in das abgeschlossene Bauelement eingefügt ist, sondern daß dieser Widerstand davon getrennt und in seiner Größe 5 veränderbar ist und einen Wert aufweist, der von der Anzahl der nachgeschalteten Stufen abhängig ist, derart, daß die Ausgangsspannung praktisch konstant gehalten wird.

Solch ein Aufbau arbeitet zufriedenstellend, wenn

Die positive Batteriespannung +V_BB hält über den WiderstandR3 den Transistor!¹ in gesperrtem Zustand. Liegt positives Signal (O-Signal) oder kein Signal an einer der Eingangsklemmen an, so ist der Transistor T in seinem nichtleitenden Zustand, und die Ausgangsklemme Y führt eine Spannung, die ungefähr auf dem Potential der negativen Batterieklemme — V_cc liegt, d. h., die Klemme Y führt L-Signal. Wird negatives Potential (L-Signal) an eine,

mehrere oder alle der Eingangsklemmen angelegt, so ₁₀ das logische Bauelement durch Einfügung besonderer wird der Transistor T durchlässig und verhält sich Schaltelemente in den gedruckten Stromkreis aufgewie ein Schalter in leitendem Zustand. Dadurch be- baut werden kann. Wenn aber ein vollständig abgerindet sich die Ausgangsklemme Y auf (positivem) schlossener Baustein gewünscht wird, dann stellt Erdpotential, d. h., der Ausgang Y führt O-Signal. dieser besonders zu bemessende Widerstand einen

Der Baustein 2 ist, wie in der zeichnerischen Dar- _i5 Mißstand dar, weil eine langwierige Berechnung notstellung durch den gestrichelten Rahmen angedeutet wendig ist, um den Wert des zu verwendenden Kolsein soll, in sich abgeschlossen und enthält die Fest- lektorwiderstandes R_c festzulegen. Die Folge sind zuwiderstände R1, R 3 und RC sowie den Transtitor T. sätzliche Montage- und Überwachungsarbeiten.

Eine nach oben begrenzte Anzahl von Eingängen Das logische Bauelement nach der Erfindung verweiterer anderer Bausteine kann an den Ausgang ₂o meidet die vorerwähnten Schwierigkeiten. Seine einer solchen abgeschlossenen Baueinheit angeschlos- Schaltung ist in der Fig. 2 veranschaulicht, die ein sen werden, während nicht benötigte Eingänge oder selbsttätig kompensiertes logisches Gatter 4 mit einem Klemmen offen (potentialfrei) gelassen werden. Es ist pnp-Transistor T veranschaulicht. Auch dieser Trannur möglich, eine geringe Anzahl von Eingängen sistor hat eine Basiselektrode, eine Emitterelektrode nachfolgender Bauelemente, die ja eine Belastung dar- 25 und eine Kollektorelektrode. Der Emitter ist geerdet stellen, an die Ausgangsklemme derartiger logischer bzw. auf ein Bezugspotential gelegt. Der Kollektor ist Elemente 2 anzuschalten, weil sonst die Belastungs- aber ausschließlich mit der Ausgangsklemme Y vergrenze des Transistors T überschritten werden könnte. bunden. Die Basis ist — wie sonst auch üblich — mit Beim Aufbau eines solchen Bauelementes für die einer Mehrzahl von Eingangsklemmen 6, 8 und 10 Verwendung in logischen Netzwerken ist es außer- ₃₀ über Entkopplungswiderstände Rl verbunden und ordentlich wünschenswert, ein solches Bauelement liegt ferner über einen Widerstand R 3 an dem Pol weitgehend an die vielfältigen Erfordernisse anzu- + V_BB der Versorgungsspannungsquelle. Jede Einpassen. Solch ein Element soll ausgangsseitig an eine gangsklemme ist jedoch noch über je einen zusätz-Vielzahl von Stufen, die Belastungen darstellen, an- liehen Widerstand jR 2 mit dem negativen Spannungsschließbar sein. Diese Anzahl kann aber entsprechend ₃₅ pol — V_cc der Versorgungsspannungsquelle verden Erfordernissen in einem größeren oder kleineren bunden.

logischen Netzwerk außerordentlich verschieden sein. Die Größe des Widerstandes R 3 ist an sich so ge-

Die Hauptschwierigkeit der Anwendung nichtkompen- wählt, daß ein solcher Steuerstrom über die Basis sierter Nor-Gatter oder Umkehrstufen 2 besteht darin, zum Emitter und nach Erde fließt, daß der Transistor daß deren Ausgangsspannung von der Anzahl der ₄₀ in gesperrtem Zustand gehalten wird. Die Widernachgeschalteten Stufen abhängig ist. Je mehr Ein- stände R2 und Rl dagegen sind hinsichtlich ihrer gangswiderstände nachfolgender Stufen an den KoI- Größe so bemessen, daß ein Steuerstrom entgegenlektorwiderstand RC des nicht kompensierten Nor- gesetzter Richtung über die Basis fließt, wobei die Elementes 2 angeschlossen sind, um so geringer wird Stromstärke so gewählt ist, daß sie dem ersten Steuerdie Ausgangsspannung an den Widerständen RIA, ₄₅ strom gegenüber überwiegt und den Transistor in RIB, RIC, RIX der folgenden Stufen sein, und es ist seinen leitenden Zustand umsteuert. Mit anderen durchaus möglich, daß ein Gatter dabei derart über- Worten sind die Größen der Widerstände Rl, R2 lastet wird, daß die Amplitude des Eingangssignals und Jf? 3 im einzelnen so gewählt, daß der negative für die folgenden Stufen nicht mehr ausreicht, um Spannungsanteil F_cc genügend groß ist, um den posidiese nachfolgenden Stufen sicher durchzusteuern. Je _5o tiven Spannungsanteil V_BB zu überwinden, damit eine mehr Stufen nachgeschaltet sind, um so geringer wird negative Spannung an der Basis gegenüber dem

Emitter auftritt. Der pnp-Transistor Γ ist dann durchlässig. Ist aber der Transistor T durchgesteuert, dann führen der Ausgang Y bzw. die Eingangsklemmen der nachfolgenden Belastungselemente O-Signal.

Jede Eingangsklemme 6, 8 und 10 sichert, wenn sie geerdet wird, für den durch die Widerstände R1, R 2 fließenden Steuerstrom entgegengesetzter Richtung einen Nebenschlußweg von ~V_CC über R2 nach Erde. Infolgedessen fließt dann ein Steuerstrom bestimmter Richtung noch einmal über die Basis des Transistors und hält diesen in gesperrtem Zustand.

Entspricht einem L-Signal eine negative Spannung am Eingang und einem O-Signal die Erdung des Einganges, dann kann die Spannung — V_cc als eine Vorspannung betrachtet werden, die ein Eingangssignal über jede WiderstandskombinationR1 und R2 zur Basis des Transistors T führt. Wird jede Eingangs-

diese Signalspannung sein.

Das nicht kompensierte Gatter 2 hat den Nachteil, daß die Stromkreisparameter nachfolgenden beiden Bedingungen genügen müssen:

1. Die Signalspannung, die auftritt, wenn nur ein einziger Eingang eines folgenden Bausteines als Last an die Ausgangsklemme Y angeschlossen ist, darf nicht die für den Transistor maximal zulässige Kollektorspannung überschreiten.

2. Die Spannung, die auftritt, sobald die maximal zulässige Anzahl von Eingangsklemmen an den Ausgang Y angeschlossen ist, muß noch genügend hoch sein, um jede der nachfolgenden Steuerstufen in die Sättigung zu treiben.

Das Gatter nach der Erfindung, das planmäßig spannungskompensiert ist, unterscheidet sich von den bekannten nicht kompensierten Gattern der in Fig. 1

klemme geerdet, so ist die Vorspannung — V_cc unwirksam wegen des dann direkt mit Erde verbundenen Widerstandes R 2. Beim Erden aller Eingangsklemmen wird +VBB somit eine positive Vorspannung an der Basis gegenüber dem geerdeten Emitter des Transistors T hervorrufen, was zur Folge hat, daß ein Steuerstrom von der Basis über den Emitter nach Erde verläuft, wodurch der Transistor gesperrt gehalten wird.

Man kann auch umgekehrt verfahren und ein L-Signal durch Erdung der Eingangsklemme bilden bzw. ein O-Signal durch Anlegen einer negativen Spannung an jeden Eingang. Wird in dieser Weise gearbeitet, dann wird das Erden der Eingangsklemme als Eingangssignal ausgewertet. Bei dieser Arbeitsweise stellt das logische Element 4 gemäß Fig. 2 ein Undgatter mit Umkehrfunktion dar. Eine solche Funktion ist als NAND-Funktion oder STROKE bekannt.

Alle Widerstände, die in dem kompensierten Gatter 4 verwendet sind, haben einen festen Wert und können völlig mit dem Transistor zu einer Baueinheit vergossen werden. Ein geringer Unterschied beim Gebrauch des in Fig. 2 veranschaulichten Gatters im Vergleich mit Gattern der bekannten Art ist darin zu sehen, daß die nicht benötigten Eingangsklemmen geerdet werden müssen, anstatt offen (potentialfrei) gelassen zu werden. Mit den selbsttätig kompensierten logischen Bausteinen nach Fig. 2 können, wie früher, auch mit den unkompensierten Bausteinen, beliebige logische Netzwerke aufgebaut werden. Da der Signaipegel durch die Serienwiderstandskombination bestimmt ist, ist die Spannung an jeder folgenden Eingangswiderstandskombination R2 und Rl, die die Last für das Gatter 4 bildet, unabhängig von der Anzahl der nachgeschalteten auszusteuernden Stufen. Die Signalspannung des kompensierten logischen Schaltkreises 4 ist unabhängig von der Anzahl der Ausgangsbelastungen, da die Mindeststeuerspannung, die notwendig ist, um jede der folgenden Stufen in die Sättigung zu treiben, praktisch die gleiche ist wie die maximal zulässige Kollektorspannuhg bei Anschluß nur einer Eingangsklemme der folgenden Stufe an den Ausgang Y des Gatters 4. Dementsprechend ist die Mindeststeuerspannungsbedingung weniger hemmend im Vergleich zu der bei nicht kompensierten logischen Bausteinen der bisher üblichen Art.

Die Nachteile der nicht kompensierten Gatter bekannter Art werden überwunden, da die Mindest-· Steuerspannung in der oben angegebenen zweiten Bedingung die gleiche ist wie die maximale Spannung für die erste Bedingung.

Die Anwendung selbsttätig kompensierter Transistorsteuerstufen 4 hat verschiedene Vorteile im Vergleich mit nicht kompensierten logischen Stufen der früheren Art, da bei einer vorgeschriebenen Maximalanzahl von Eingängen und Ausgängen das Bauelement 4 eine geringere Leistung erfordert. Für einen vorgeschriebenen Transistor kann bei einem selbsttätig kompensierten logischen Steuerbaustein eine größere Anzahl von Eingängen und Ausgängen vorgesehen werden.

Zu den bereits erwähnten Vorteilen kommt hinzu, daß die besondere Ausführung des logischen Bausteines nach Fig. 2 gewisse Anwendungsvorteile aufweist. So ist es beispielsweise möglich, wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, Dioden-Undgatter auf der Eingangs- und /oder Ausgangsseite des Transistors vorzusehen. Die Fig. 3 zeigt ein typisches logisches Netzwerk, wo Dioden-Undgatter mit selbsttätig kompensierten logischen Stufen 12 und 14 unter Anwendung der Erfindung vorgesehen sind. Die Dioden-Undgatter D sind an die Eingangsseite der Elemente 12 und 14 geschaltet. Ebenso sind Dioden-Undgatter an die Ausgnagsseite des Elementes 12 angeschlossen. Zusätzliche Widerstände sind nicht erforderlich. Die einzigen zusätzlichen Bauelemente, die notwendig ίο sind, sind die Dioden selbst. Eine solche Zusammenschaltmöglichkeit besteht bei nicht kompensierten Gattern nicht, da sonst besondere Widerstände an den Dioden-Gatterausgängen erforderlich werden.

Weitere Vorteile der kompensierten logischen Bausteine gegenüber solchen der früheren Art ergeben sich aus den Fig. 4, 5 und 6.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die Anzahl der zulässigen Ausgangsbelastungen durch Parallelschalten der Eingänge verdoppelt werden kann. Beispielsweise kann eine für sechs Ausgangsbelastungen bemessene logische Steuerstufe mit sechs Eingängen nun dazu verwendet werden, zwölf Ausgangsbelastungen zu steuern, wenn die Eingänge jeder der nachfolgenden Stufen paarweise parallel geschaltet werden, wie dies das Gatter in Fig. 4 veranschaulicht, das auf diese Weise drei Eingänge aufweist, an die entsprechende Ausgänge vorangehender Stufen anschaltbar sind.

Fig. 5 veranschaulicht eine weitere Anwendungsmöglichkeit logischer Schaltkreise nach der Erfindung, -^o Die Zahl der Eingänge kann vervielfacht werden, wenn man die verschiedenen Ausgänge parallel schaltet. Ein logisches Element mit achtzehn Eingängen kann aus drei logischen Bausteinen A, B und C erhalten werden, von denen jedes sechs Eingänge aufweist und deren drei Ausgänge an der Klemme Y zusammengefaßt sind.

Die beiden Möglichkeiten, die in Fig. 4 und 5 gezeigt sind, ergeben einen Vorteil dann, wenn zeitweilig eine große Anzahl von Eingängen und Ausgangen benötigt wird. Jeder Baustein kann eine vergleichsweise geringere Anzahl von Ein- und Ausgängen haben, während die Forderung nach weiteren Ein- und Ausgangsklemmen durch die Methode, die in den Fig. 4 und 5 veranschaulicht ist, erfüllbar ist. Als Ergebnis resultiert eine viel geringere Leistungsverschwendung, als wenn alle Einheiten je die gewünschte größere Anzahl von Eingängen und Ausgängen aufweisen würden.

Das selbsttätig kompensierte logische Element 4 nach der vorliegenden Erfindung kann eine Vielzahl der verschiedenartigsten Ausgangsglieder oder Kombinationen davon schalten, solange die Maximalspannungs- und -stromwerte nicht überschritten werden. So zeigt beispielsweise die Fig. 6 ein logisches Netzwerk, bei dem ein selbsttätig kompensierter logischer Baustein 24 sowohl einen Eingang eines anderen kompensierten logischen Bausteines 26 als auch ein Relais 28 steuern kann. Das Relais 28 ist an die Ausgangsklemme Y des Elementes 24 über eine HaIbleiterdiode 30 angeschlossen, um Stromleitung in der Rückwärtsrichtung zu verhindern, wenn der Transistor der vorhergehenden Stufe gesperrt ist.

Auf diese Weise ist deutlich gemacht, daß die vorliegende Erfindung einen logischen Schaltkreis mit großer Anpaßfähigkeit zum Gegenstand hat, der als Baustein besonders in logischen Netzwerken Anwendung finden kann. Im Vergleich mit konventionellen, nicht kompensierten Gattern der früheren

Art wird die Anpaßfähigkeit durch (N_t—1) zusätzliche Widerstände erzielt, wobei N_t gleich der Anzahl der Eingänge ist. Das ergibt sich im wesentlichen durch die vorerwähnten Vorteile des gleichmäßigen Aufbaus und der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten.

Ist eine kapazitive Kopplung zwischen den Stufen notwendig, so kann diese direkt auf die Transistorbasis einwirken.

An Stelle von pnp-Transistoren können natürlich auch npn-Transistoren angewendet werden, wobei sich die Polungen der verwendeten Spannungen entsprechend verändern. Die Widerstandselemente R1 und Rl können aus linearen oder nichtlinearen Widerständen bestehen. Beispielsweise kann das Widerstandselement R1 aus einem Gleichrichter oder aus einer Gruppe von hmtereinandergeschalteten oder parallel geschalteten Gleichrichtern und/oder Widerständen gebildet sein; es kann aber auch ein komplexer Widerstand, z. B. eine Parallelschaltung aus Kondensator und Widerstand, in Betracht gezogen werden.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH:

   Kontaktloser logischer Schaltkreis mit einem Eingang oder mehreren Eingängen, von denen jeder über einen Entkopplungswiderstand mit der im Sperrsinn vorgespannten Basis eines steuerbaren Halbleiters (Transistors) verbunden ist, dessen Emitter an einem Bezugspotential liegt und dessen Kollektor den Ausgang bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das eingangsseitige Ende jedes Entkopplungswiderstandes (i?l) über je einen zusätzlichen, linearen, nichtlinearen oder komplexen Widerstand (R 2) mit dem das Versorgungspotential führenden Pol (— V_cc) der Speisespannungsquelle verbunden ist, so daß nach Herstellen einer elektrischen Steuerverbindung vom Ausgang des einen zu einem Eingang des folgenden, entsprechend aufgebauten Schaltkreises der dem Eingang dieses Schaltkreises zugeordnete Zusatzwiderstand (R2) den Kollektorwiderstand des dem vorgeschalteten Schaltkreis zugeordneten Transistors bildet.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 309 600/200 6.