DE1156254B

DE1156254B - Schaltungsanordnung zur Addition binaerer Signale

Info

Publication number: DE1156254B
Application number: DER31206A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Meier Rabinovici; Charles Anthony Renton
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1960-10-10
Filing date: 1961-10-03
Publication date: 1963-10-24
Also published as: US3125674A; GB911728A; NL270051A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Addition binärer Signale, die eine Diode mit negativer Widerstandscharakteristik, ζ. Β. eine Tunneldiode enthält.

Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung zeichnet sich durch Einfachheit, Zuverlässigkeit, geringen Leistungsverbrauch und hohe Arbeitsgeschwindigkeit aus, sie kann als binärer Volladdierer arbeiten.

Eine Schaltungsanordnung zur Addition binärer Signale mit einer Diode, deren Kennlinie einen Ast negativen Widerstandes enthält, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Diode in einem Zweig einer Wheatstoneschen Brückenschaltung liegt, deren andere Zweige Widerstandselemente enthalten; daß mit einer Brückendiagonale Eingangsklemmen, mit der anderen Briickendiagonale und einem Widerstandselement Ausgangsklemmen verbunden sind.

Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung näher erläutert werden, es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform eines Binäraddierers gemäß der Erfindung und

Fig. 2 eine Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode mit negativer Widerstandscharakteristik, wie sie unter der Bezeichnung Tunneldiode bekannt ist.

Eine Tunneldiode ist ein zweipoliges elektrisches Bauelement, dessen Strom-Spannungs-Kennlinie in drei Bereiche unterteilt werden kann. Bereich 1 beginnt am Punkt A (Fig. 2) und endet am Punkt B, der ein Strommaximum oder einen »Höcker« bei einem verhältnismäßig niedrigen Spannungswert darstellt. Die Neigung der Kurve ist in diesem Bereich positiv. Bereich 2 ist der einem negativen Widerstand entsprechende Teil der Kennlinie und reicht vom Stromhöcker B zum Stromtal C. Der Bereich 3 beginnt im Stromtal C und erstreckt sich in den Bereich D höherer Flußspannungen, in dem die normalen Eigenschaften einer in Flußrichtung vorgespannten Diode überwiegen.

Beim Betrieb einer eine Tunneldiode enthaltenden Schaltungsanordnung bestimmen die der Diode zugeordneten Impedanzen und die zugeführten Ströme oder Spannungen die Arbeitspunkte der Schaltungsanordnung. In dem Beispiel ergeben die der Diode zugeordneten Widerstände eine Lastlinie wie die Lastlinie 6 in Fig. 2 mit der dargestellten Neigung. Die Anzahl der den Eingangsklemmen der Schaltungsanordnung gleichzeitig zugeführten Impulse bestimmt die Lage der Lastlinie und damit deren Schnittpunkt mit der Diodenkennlinie. Dieser Schnittpunkt stellt den Arbeitspunkt der Diode dar und bestimmt den durch die Diode fließenden Strom und die an der Diode liegende Spannung.

Schaltungsanordnung
zur Addition binärer Signale

Anmelder:

Radio Corporation of America,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 10. Oktober 1960 (Nr. 61 550)

Benjamin Meier Rabinovici
und Charles Anthony Renton, New York, N. Y.

(V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

Die Fig. 1 dargestellte Schaltungsordnung enthält eine Tunneldiode 12 und drei Widerstände 14, 16, 18, die zu einer Wheatstoneschen Brücke 20 zusammengeschaltet sind. Die in einem Zweig der Brücke liegende Tunneldiode bildet mit dem Widerstandselement 14 die eine Brückenhälfte. Die anderen beiden Widerstände 16,18 in den anderen beiden Brückenzweigen bilden die andere Brückenhälfte. Die beiden Brückenhälften sind parallel zwischen die Eingangsklemmen geschaltet. Die Widerstände 14,16 besitzen vorzugsweise denselben Widerstandswert, und der Widerstandswert des Widerstandes 18 ist vorzugsweise gleich dem statischen Widerstand der Tunneldiode 12 im Arbeitspunkt 1 (Fig. 2). Dieser Arbeitspunkt 1 ist der Schnittpunkt der Lastlinie 6 mit der Diodenkennlinie, wenn ein einzelner Impuls zugeführt wird. Die Punkte 22, 26 bilden die Eingangsklemmen der Brückenschaltung, während die Punkte 24, 28 ein Ausgangsklemmenpaar darstellen. Der Punkt 26 liegt auf einem Bezugspotential, das in der Zeichnung als Masse dargestellt ist.

Die Eingangssignale für die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 sind Spannungen, die den Größen des Addenden X, Augenden Y und des Übertrages C

309 729/217

Widerstände 18,16 wie durch die Tunneldiode 12 und den Widerstand 14, die Brücke ist abgeglichen, und das Potential an der Klemme 24 ist gleich dem Potential an der Klemme 28. Der Übertragsaus-5 gang K ist daher 0 Volt und entspricht der Binärziffer 0. Der durch den Widerstand 14 fließende Strom I₁ hat jedoch einen beträchtlichen Spannungsabfall zur Folge, der an den Summenausgangsklemmen 24, 26 erscheint und die Binärziffer 1

entsprechen. Sie werden der Klemme 22 von Klemmen 31, 33, 35 über Widerstände 34, 36 bzw. 38 zugeführt. Diese Widerstände, die als zwischen die Klemme 22 und die Eingänge X, Y und C geschaltet dargestellt sind, können konzentrierte Schaltelemente sein oder aus den Innenwiderständen der nicht dargestellten Schaltungsanordnungen bestehen, die die Eingangsspannungen an die Addierschaltung liefern. Es kann angenommen werden, daß diese Widerstände

über die Eingangsschaltungen mit Masse verbunden io darstellt.

sind. Die Klemme 25, die den Klemmen 31, 33, 35 Als nächstes soll angenommen werden, daß zwei

gemeinsam ist, liegt ebenfalls an Masse. der drei Eingangssignale einer binären Eins und das

Zwischen den Klemmen 24, 28 der Brückenschal- dritte Eingangssignal einer binären Null entsprechen,

tung 20 kann eine Übertrags-Ausgangsspannung K Die Eingangsspannung F₂, die zwischen den Klem-

abgenommen werden. Eine Summenausgangsspan- 15 men 22, 26 wirksam wird, bewirkt, daß die Diode 12

nung S ist zwischen den Klemmen 24, 26 verfügbar; in den Niederstrombereich des Hochspannungs-

die Klemme 26 liegt an Masse. zustandes (Arbeitspunkt 40 in Fig. 2) springt. In

Die Eingangs- und Ausgangssignale der Schal- diesem Arbeitspunkt hat die Diode einen verhältnistungsanordnung nach Fig. 1 stellen binäre Größen mäßig hohen Widerstand, und der die Diode durchdar. Eine positive Eingangsspannung, die größer ist 20 fließende Strom sinkt auf einen wesentlich kleineren als ein bestimmter Mindestwert, jedoch einen be- Wert I₂ ab. Der Gesamtstrom, der in die Klemme 22 stimmten Höchstwert nicht überschreitet, dient zur fließt, ist jedoch beträchtlich größer als 2I₁, und Darstellung der Binärziffer 1; eine Eingangsspannung infolge des erhöhten Diodenwiderstandes fließt der der Größe Null oder einer unterhalb eines bestimm- Hauptteil dieses Stromes nun durch die Brückenten Mindestwertes liegenden Größe dient zur Dar- 25 halfte, die die Widerstände 18,16 enthält. Der Spanstellung der Binärziffer 0. Eine positive Ausgangs- nungsabfall am Widerstand 16 ist daher wesentlich spannung, die größer ist als ein bestimmter Mindest- größer als der am Widerstand 14, und die Differenz wert, dient zur Darstellung der Binärziffer 1, und dieser Spannungen, die den Übertragungsausgang K eine Ausgangsspannung des Wertes Null oder unter- darstellt, entspricht der Binärziffer 1. Zur gleichen halb eines gegebenen Wertes bedeutet die Binär- 30 Zeit ist der Spannungsabfall zwischen den Klemmen ziffer 0. Genaue Werte werden später angegeben 24, 26 verhältnismäßig klein, da durch die Tunnel

werden.

Eine Funktionstabelle für einen Volladder mit den drei Eingängen X, Y und C hat folgendes Aussehen:

	Eingänge	C	Ausgänge	Übertrag (K)
X	Γ	O	Summe (S)	O
O	O	O	O	O
1	O	O	1	O
O	1	1	1	O
O	O	O	1	1
1	1	1	O	1
1	O	1	O	1
O	1	1	O	1—1
1	1—1	1

diode 12 und den Widerstand 14 nur der kleine Strom I₂ fließt, so daß der Summenausgang 5 der Binärziffer 0 entspricht.

35 Schließlich sei angenommen, daß alle drei Eingangssignale der Binärziffer 1 entsprechen. Die nun zwischen den Klemmen 22, 26 wirksam werdende Spannung V₃ (Fig. 2) verschiebt den Arbeitspunkt der Diode zum Punkt 41. Im Arbeitspunkt 41 ist der 4° statische Widerstand der Diode viel größer als am Arbeitspunkt 1. Da der Widerstandswert des Widerstandes 18 gleich dem Widerstand der Diode im Arbeitspunkt 1 ist, ist der statische Widerstand der Diode im Arbeitspunkt 41 viel größer als der Wider-45 standswert des Widerstandes 18. Die Brücke ist daher nicht mehr abgeglichen, denn der Widerstandswert der Hälfte mit den Widerständen 18,16 ist viel geringer als der der Hälfte mit den Elementen 12,14, und der Hauptteil des der Klemme 22 zugeführten erstes angenommen, daß die Eingangsgrößen X, Y 50 Stromes fließt in die Hälfte mit den Widerständen 18, und C alle binär Null seien. In diesem Falle fließt 16. Da der Strom durch den Widerstand 16 viel größer ist als der Strom durch den Widerstand 14, tritt zwischen den Übertragungsausgangsklemmen 28, 24 eine beträchtliche Spannungsdifferenz auf, die der spricht der Binärziffer 0, so daß K = O und 5 = 0 55 Binärziffer 1 entspricht. Der durch den Widerstand ist. 14 fließende Strom I₁ erzeugt ebenfalls eine beträcht-

Es sei nun angenommen, daß eines der drei Eingangssignale der Binärziffer 1 und die anderen beiden
der Binärziffer 0 entsprechen. Die Eingangsschaltung
ist so ausgebildet, daß gleichgültig ist, welchem der 60
Eingänge die binäre Eins zugeführt wird. Das Vorhandensein einer Eingangsspannung V₁ an den Eingangsklemmen 22, 26 bewirkt, daß ein Strom I₁
(Fig. 2) durch die Diode 12 fließt. Bei diesem Stromwert gleichen sich die Widerstandswerte der Diode 12 65 chende Spannung zuführt,
und des Widerstandes 18. Da der Widerstandswert Die Schaltungsparameter für eine Schaltungsanord-

des Widerstandes 14 ebenfalls gleich dem des Wider- nung gemäß der Erfindung können folgende Werte Standes 16 ist, fließt derselbe Strom I₁ durch die haben; diese Werte sind jedoch nur beispielsweise

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 verwirklicht diese Funktionstabelle auf folgende Weise: Es sei als

kein Strom zwischen den Klemmen 22 und 26. Die Spannung zwischen den Klemmen 24, 28 und zwischen den Klemmen 24, 26 ist daher Null und entliche Spannung zwischen den Summenausgangsklemmen 24, 26, so daß der Summenausgang S der Binärziffer 1 entspricht.

Die beschriebene Brückenschaltung kann also die Funktionen eines binären Volladders erfüllen. Man kann diese Brückenschaltung auch so betreiben, daß man einem der Eingänge, beispielsweise dem Eingang C, dauernd eine einer binären Null entspre-

angeführt und sollen nicht einschränkend ausgelegt werden:

Widerstände 14,16 .. 120 Ohm

Widerstand 18 39 Ohm

Tunneldiode 12 G.E.-1N2939,

1,25 mA Höckerstrom

In der folgenden Tabelle sind die Ausgangsspannungen angegeben, wie sie sich bei den verschiedenen Anzahlen von Eingangssignalen ergeben:

Summe (S) ...
Übertrag (K)..

Anzahl der Eingangssignale

1 2 I 3

13OmV j 10 mV
OmV i 30OmV

130 mV 31OmV

25

Eine Ausgangsspannung zwischen 0 und 15 mV entspricht einer binären Null, und eine Ausgangsspannung zwischen 130 und 310 mV entspricht einer binären Eins. Diese Ausgänge können durch geeignete Pegelschaltungen normalisiert werden.

In der beschriebenen Schaltungsanordnung »schwimmt« der Übertragsausgang K, d. h., keine der beiden Klemmen 24, 28 liegt auf Massepotential. Der Übertragsausgang kann jedoch auf verschiedene Weise auf Masse bezogen werden. Die dem Übertrag entsprechenden Ausgangssignale können beispielsweise bei impulsförmigen Eingangssignalen über einen Transformator ausgekoppelt werden. Sind die Eingangssignale Gleichspannungspegel, so kann die Auskopplung über einen Differenzverstärker erfolgen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schaltungsanordnung zur Addition binärer Signale mit einer Diode, deren Kennlinie einen Ast negativen Widerstandes enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode in einem Zweig einer Wheatstoneschen Brückenschaltung liegt, deren andere Zweige Widerstandselemente enthalten; daß mit einer Brückendiagonale Eingangsklemmen und mit der anderen Brückendiagonale und einem Widerstandselement Ausgangsklemmen verbunden sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode eine Tunneldiode ist und daß der Widerstandswert eines der Widerstandselemente gleich dem statischen Widerstand der Tunneldiode ist, wenn ein Eingangssignal anliegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die eine Brückendiagonale (22, 26) drei Eingangsklemmen (31, 33, 35) angeschlossen sind, daß an die andere Brückendiagonale (24, 28) zwei Ausgangsklemmen angeschlossen sind, an denen ein Ausgangssignal auftritt, wenn mindestens zwei Eingangssignale gleichzeitig zugeführt werden, und daß parallel zu dem mit der Diode (12) in Reihe liegenden Widerstand (14) zwei weitere Ausgangsklemmen geschaltet sind, an denen bei einer ungeradzahligen Anzahl von Eingangssignalen ein Ausgangssignal abnehmbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 309 729/217 10.