DE1158291B - Logisches Element zur Ausfuehrung logischer Mehrheitsoperationen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 42 m 14

INTERNATIONALE KL.

G06f;b

G 32380 IXc/42m

ANMELDETAG: 31. MAI 1961

BEKANNTMACHUNG
DEK ANMELDUNG
LND AUSGABE DER

ALSLEGESCHRXFT: 28. NOVEMBER 1963

Die Erfindung bezieht sich auf ein logisches Element zur Ausführung logischer Mehrheitsoperationen, bei dem an zwei in Reihe geschaltete Tunneldioden je eine Spannung konstanter Amplitude, aber entgegengesetzter Polung angeschlossen ist und der Signaleingang bzw. -ausgang zwischen den beiden Tunneldioden liegt. Ein solches logisches Element wird in Rechen- und datenverarbeitenden Maschinen als Operator verwendet und stellt die kleinste Baueinheit in dem angewendeten logischen System dar. Der Begriff »logisches Element« hat außerdem die Nebenbedeutung einer Schaltung, die ein oder mehrere aktive, elektronische Geräte mit den zugehörigen Schaltkomponenten enthält und die logischen Funktionen ausführen kann. Typische Beispiele für die logischen Elemente sind die Und-Torschaltung, die Oder-Torschaltung und der Flip-Flop. Ein digitales System mit dem gewünschten Aufbau kann durch eine passende Kombination der vier logischen Grundfunktionen: Verzögerung, Und, Oder und Nicht, zusammengesetzt werden.

In derartigen logischen Schaltungen werden in an sich bekannter Weise sogenannte »Esaki-Dioden« oder »Tunneldioden« benutzt, deren Herstellungskosten in der Massenfertigung sehr gering sind; im Hinblick auf ihre äußerst hohe Frequenzgrenze, ihre große Stabilität und ihren geringen Stromverbrauch sind sie für logische Schaltungen äußerst brauchbar. Die Esaki-Diode ist ein Schaltungselement mit einem negativen Widerstand und zwei Anschlußklemmen, das im wesentlichen bilateral arbeitet. Daher muß ein spezielles Verfahren beim Einsetzen der Esaki-Diode in die Schaltungen angewendet werden, wenn eine unilaterale Charakteristik zur Übertragung und Verstärkung digitaler Signale erhalten werden soll. Bei einer solchen bekannten Schaltung, die auch als »Twin-Schaltung« bezeichnet wird, liegen zwei Esaki-Dioden mit fast derselben Charakteristik in Reihe zwischen zwei Klemmen, an denen je eine Spannung gleicher Größe, aber entgegengesetzter Polung liegt. Je nach der Größe dieser erregenden Spannungen zeigt die »Twin-Schaltung« ein unterschiedliches Verhalten. Wenn die erregenden Spannungen klein oder sehr groß sind, so befindet sich die Verbindung zwischen den beiden in Reihe liegenden Dioden auf dem Potential Null. Bei mittleren erregenden Spannungen sind jedoch für die Verbindung zwei gleich große, aber entgegengesetzte Potentiale möglich, so daß eine binäre Ziffer durch diese beiden Potentiale dargestellt werden kann. Wenn dieser Verbindung ein sehr kleines Steuersignal von außen zugeführt wird, so kann an der Verbindung das eine oder das andere Logisches Element zur Ausführung logischer Mehrheitsoperationen

Anmelder:

General Electric Company, Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt, Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 1. Juni 1960 (Nr. 33 317)

Jerome Johnson Tiemann, Burnt Hills, N. Y.

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

a_{5 2}

von den beiden möglichen Potentialen hervorgerufen werden. Je nach der Polung des zugeführten Eingangssignals richtet sich die Polung des hervorgerufenen Potentials in der Twin-Schaltung. Der gesamte Vorgang kann als Verstärkung des kleinen Eingangssignals betrachtet werden, wenn an der Verbindung das hervorgerufene Potential das Ausgangssignal abnimmt.

Die Verbindungen oder Mittelpunkte mehrerer solcher Twin-Schaltangen können durch Kopplungswiderstände miteinander verbunden werden, damit dann logische Operationen und die Übertragung von Informationen in derselben Weise ablaufen können, wie in subharmonischen Oszillatorschaltungen möglich ist. Mehrheitsoperationen können mit einer Schaltung durchgeführt werden, in der z. B. drei der zuvor beschriebenen Twin-Schaltungen hintereinanderliegen, deren Mittelpunkte oder Verbindungen über je einen Widerstand an den Mittelpunkt einer weiteren, einzelnen Twin-Schaltung angeschlossen sind. Die Ausgangssignale der drei hintereinanderliegenden Twin-Schaltungen werden über den jeweiligen Widerstand der einzelnen Twin-Schaltung als Eingangssignal zugeführt. Folglich wird durch die Mehrheit der drei Potentiale an den Verbindungen oder Mittelpunkten der drei hintereinanderliegenden

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Twin-Schaltungen das Potential der einzelnen Twin-Schaltung bestimmt. Da die drei Potentiale binäre Ziffern darstellen, bedeutet der sich ergebende Zustand der einzelnen Twin-Schaltung die algebraische Summe der drei eingespeisten binären Ziffern.

Mit Ausnahme der Nicht-Operation können die logischen Operationen ohne Schwierigkeit mit dieser bekannten Schaltung ausgeführt werden. Bei einer Nicht-Operation wird nämlich die binäre Ziffer 1 in

teristik der Halbleitervorrichtungen gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ist eine Strom-Spannungs-Charakteristik der

Abzweigpunkt der Dioden und einem Punkt im Widerstandszweig der Parallelschaltung angelegt wird, und die einen »Vorurteils«-Strom mit einer Polung liefert, die durch die Mehrheit der Eingänge 5 festgelegt ist. Die Polung dieses »Vorurteils«-Stroms bestimmt, welche Diode den Hochspannungszustand erreicht, die ihrerseits die Polung der Ausgangsspannung festlegt. Die Polung der Ausgangsspannung ist daher eine binäre Größe, die zur Ausführung der

die Ziffer 0 bzw. umgekehrt umgewandelt, was eine io gewünschten logischen Funktionen verwendet werden Umkehr der Polung der Gleichstromsignale in diesen kann.

bekannten Twin-Schaltungen bedeutet. In diesen Zum besseren Verständnis der Erfindung seien die

bekannten Twin-Schaltungen können zur Polungs- Figuren näher erläutert:

umkehr im Gegensatz zu den üblichen subharmo- Fig. 1 zeigt ein Schaltbild der grundlegenden Ausnischen Oszillatorschaltungen keine Transformatoren 15 führungsform der Erfindung;

angewendet werden, weil die steuernden Signale Fig. 2 ist eine typische Strom-Spannungs-Charak-

Gleichströme sind. Die zur Polungsumkehr brauchbaren Vakuumröhren- oder Transistorenverstärker
bewirken eine nachteilige Verzögerung beim Durchgang der Signale, so daß sie kaum für mit sehr hoher 20 in Reihe geschalteten Halbleiterdioden gemäß der Geschwindigkeit datenverarbeitende Maschinen ver- Erfindung;

wendet werden können. Fig. 4 ist eine Blockdarstellung und zeigt ein logi-

Mit den bekannten Twin-Schaltungen kann die sches Element gemäß der Erfindung, das mit meh-Nicht-Operation ohne Verzögerung unter Benutzung reren Signalquellen zur Ausführung einer logischen eines ziemlich komplizierten Systems ausgeführt wer- 25 Mehrheitsentscheidung in Verbindung steht; den, das als symmetrisches Gegentaktsystem bezeich- Fig. 5 bis 7 zeigen anschaulich das logische EIe-

net werden kann. In einem solchen System arbeiten ment gemäß der Erfindung, das die elementaren logizwei Twin-Schaltungen im Gegentakt, so daß die eine sehen Funktionen Und, Oder bzw. Nicht ausführt Twin-Schaltung des Paares eine bestimmte binäre und Tabellen, die die entsprechende Mehrheits-Ziffer χ und die andere Twin-Schaltung die komple- 30 entscheidung in unterschiedlicher Darstellung anmentäre Ziffer χ festhält. Zur Ausführung von Mehr- geben;

heitsoperationen muß jedoch die gesamte Anlage in Fig. 8 ist ein Schaltbild einer anderen Ausführungs-

Gegentaktbauweise konstruiert sein, was einen erheb- form der Erfindung, die eine Operationsfolge von liehen Aufwand bedeutet. untereinander verbundenen logischen Elementen in

Ein Ziel der Erfindung ist daher eine Weiterbildung 35 einem System liefert, das von einem einzigen Impuls der bekannten Twin-Schaltung mit Tunneldioden, in Gang gesetzt ist.

mit der auch die Nicht-Operation ohne großen appa- Wenn auch ein beliebiges negatives Widerstands-

rativen Aufwand leicht selbst in mit höchster Ge- element für statische Schaltoperationen verwendet schwindigkeit arbeitenden Maschinen ausführbar ist. werden kann, ist das für die bevorzugte Ausführungs-Bei dem logischen Element der eingangs bezeich- 40 form der Erfindung verwendete Gerät eine entartete neten Art hegen gemäß der Erfindung die Tunnel- Halbleiterdiode mit engem Übergang oder eine sodioden in einer Brückenschaltung, in der sie den genannte »Tunneldiode«. Derartige Dioden sind einen Zweig und Widerstände den anderen Zweig Halbleitervorrichtungen mit einem einzigen pn-Überbilden; an eine Klemme zwischen den Widerständen gang, die einen negativen Widerstandsbereich im und an die andere Klemme zwischen den Tunnel- 45 Gebiet der niedrigen Durchlaßspannung ihrer Stromdioden ist eine ungerade Zahl von Eingangssignal- Spannungs-Charakteristik aufweisen.

quellen angeschlossen, so daß diese Klemmen als Ausgangsklemmen eine Polung aufweisen, die durch die Polung der Mehrheit der Eingangssignale festgelegt ist.

In der Schaltung gemäß der Erfindung kann durch eine entsprechende Einstellung der beiden Brückenwiderstände eine Differenz in den Ausgangssignalen ausgeglichen werden, die auf eine mangelnde Über-

In Fig. 1 sind zwei entartete Halbleiterdioden 1 und 2 mit einem engen Übergang zu sehen, die in Reihe verbunden sind, damit der Strom in derselben Richtung fließt. Zwei in Reihe geschaltete Widerstände 3 und 4 von gleicher Größe sind parallel an den in Reihe liegenden Dioden angeschlossen, so daß eine Parallelschaltung mit zwei Zweigen gebildet wird. Diese beiden Zweige werden weiterhin als

einstimmung zwischen den Charakteristiken der 55 »Widerstandszweig« bzw. »Diodenzweig« bezeichnet, beiden Tunneldioden zurückzuführen ist. Dadurch Diese Parallelschaltung von Widerständen und gewinnt die bekannte Twin-Schaltung wirtschaftliches Dioden ist über strombegrenzende Widerstände 5 Interesse, da ein Abgleich in einfachster Weise durch- und 6 an einer Spannungsquelle V angeschlossen, führbar ist und leicht ein Gerät hergestellt werden Die Dioden 1 und 2 und die Widerstände 3 und 4

kann, an dem zahlreiche Einheiten angeschlossen 60 bilden somit die betreffenden Brückenarme, deren

werden können.

Die derart ausgebildete Parallelschaltung ist mit einer Spannungsquelle über eine entsprechende Impedanz derart verbunden, daß sich die eine Diode im hohen Spannungszustand und die andere im niedrigen Spannungszustand befindet. Außerdem sind Vorrichtungen vorgesehen, von denen eine ungerade Zahl Eingangssignal zwischen dem gemeinsamen

Abzweigpunkte 7 und 8 zwischen je einem Widerstand und einer Diode und deren weitere Abzweigpunkte 9 und 10 zwischen den Dioden oder den Widerständen liegen. Die Spannungsquelle V ist über die Widerstände 5 und 6 an den betreffenden Abzweigpunkten 7 und 8 angeschlossen. Die Spannungsquelle V und die Widerstandes und 6 sind so gewählt, daß sich an der Parallelschaltung eine Leerlauf spannung V₀ von

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solcher Größe ergibt, daß nur eine Diode auf einmal im hohen Spannungszustand betrieben werden kann. Zum besseren Verständnis des Betriebes der Dioden 1 und 2 in den unterschiedlichen Spannungszuständen sei die Fig. 2 herangezogen. In Fig. 2 ist eine typische Strom-Spannungs-Charakteristik von entarteten Halbleiterdioden mit einem engen Übergang zu sehen, die für die Erfindung ausgenutzt wird. In dem Bereich einer niedrigen Durchlaßspannung zwi-

der Diode eine Größe aufweisen, die einen Arbeitspunkt im positiven Widerstandsbereich jenseits der Spannung V_x, herstellt, so bezeichnet man diesen Betriebszustand als »hohen Spannungszustand«.

Wenn der Strom oder die Spannung der Diode einen Wert übersteigt, der dem Diodenspitzenstrom /„ entspricht, so geht die Diode, wie man leicht aus der Fig. 2 erkennen kann, plötzlich aus dem niedrigen

erste steuert oder deren Betrieb stört. Normalerweise sind die aktiven Schaltkomponenten, die in den logischen Elementen des Systems zur Herstellung der gewünschten Verstärkungs- und Torschaltfunktionen 5 verwendet werden, in einer Richtung arbeitende Geräte, z.B. Vakuumröhren oder Transistoren, Derartige in einer Richtung arbeitende Geräte liefern eine automatische Steuerung für den Informationsstrom. Das zuvor beschriebene logische Element enthält je-

schen der Spannung V₁,, der ein Spitzenstrom I₁, der io doch Schaltkomponenten, die sämtlich bilateral Diode entspricht, und einer Spannung V_v, der ein arbeiten. Ein Signal kann also in gleicher Weise in minimaler Strom der Diode entspricht, befindet sich beiden Richtungen von diesen Komponenten überein Bereich mit einem negativen Widerstand. Infolge setzt werden. In einem derartige bilaterale logische der Eigentümlichkeiten des »negativen Widerstandes« Elemente verwendenden System muß daher eine gekann in diesem Bereich keine stabile Arbeitsweise 15 sonderte Steuerung vorgesehen sein, damit der Inforstattfinden. Wenn der Strom und die Spannung der mationsstrom nur in einer Richtung hindurchgehen Diode Werte aufweisen, die einen Arbeitspunkt im kann.

positiven Widerstandsbereich zwischen der Nullspan- Die Steuerung des Informationsstroms in einem

nung und der Spannung V₁, herstellen, so bezeichnet bilaterale logische Elemente verwendenden System man diesen Betriebszustand als »niedrigen Span- 20 kann zweckmäßigerweise von einer dreiphasigen nungszustand«. Wenn der Strom und die Spannung Stromquelle erfolgen. Die Verwendung einer derartigen dreiphasigen Stromquelle, die eine Operationsfolge in untereinander verbundenen Schaltungen herbeiführt, ist an sich bekannt. Die von der drei-²5 phasigen Stromquelle erzeugten Impulse sind gewöhnlich auf eine Überlappung von etwa einem Drittel ihrer Länge beschränkt. Die Arbeitsweise kann für ein derartiges System derart erfolgen, daß nach dem Eintreffen der logischen Information in einer vorge-Spannungszustand in den hohen Spannungszustand 30 gebenen Stufe diese abgeschaltet wird. Die logische über. Information läuft dann in Form einer Welle weiter,

Das Potential am Punkt 9 entspricht der Span- wobei eine inaktive Stufe zwischen jeder übertragennung V₀ abzüglich der Spannung am Widerstand 3. den Stufe in an sich bekannter Weise vorgesehen ist. Dieses Potential ist für einen beliebigen vorgegebenen Die Arbeitsweise der Schaltung in Fig. 1 kann am

Wert der Spannung V₀ konstant. Das Potential am 35 besten in Verbindung mit der Strom-Spannungs-Punkt 10 entspricht der Spannung V₀ abzüglich der Charakteristik der in Reihe geschalteten Tunnel-Spannung an der Diode 1. Da die Spannung an der dioden 1 und 2 an Hand der Fig. 3 übersehen werden. Diode 1 davon abhängt, ob sich diese Diode im hohen Falls kein Eingangssignal an den Klemmen 11 und

oder niedrigen Spannungszustand befindet, ist das 12 vorhanden ist und die Stromquelle eingeschaltet Potential am Punkt 10 nicht konstant, sondern hängt 40 ist, die die Spannung V dem logischen Element zuvon den betreffenden Betriebszuständen der Dioden 1 führt, fließt ein Strom/ in der dargestellten Richtung, und 2 ab. Die Polung der Spannung zwischen den der sich auf die beiden Zweige der Parallelschaltung Punkten 9 und 10 wird daher durch die betreffenden aufteilt. Wegen der Art des negativen Widerstandes Betriebszustände der Dioden festgelegt. Wenn sich der Tunneldioden, die gemäß der Erfindung angedie Diode 1 z.B. im hohen Spannungszustand be- 45 Sendet werden, bewirkt ein Strom im Diodenzweig, findet, ist das Potential am Punkt 9 hinsichtlich des dessen Stärke über den Strom, der dem Dioden-Punktes 10 negativ; wenn sich dagegen die Diode 2
im hohen Spannungszustand befindet, ist das Potential
am Punkt 9 hinsichtlich des Punktes 10 positiv. Die
an den Klemmen 11 und 12 als Ausgangssignal auf- 50
tretende Spannung ist daher positiv, wenn der letztere
Zustand vorherrscht, und negativ, wenn der erstere
Zustand vorliegt. Die Polung dieser Ausgangsspannung ist eine binäre Größe, die zur Bezeichnung einer

logischen Funktion verwendbar ist. Nur die zuvor 55 Spannungszustand befindet, nicht ausreicht, um die genannten Bestandteile sind für dieses neue und erste aus dem niedrigen Spannungszustand herauszubessere logische Element erforderlich. bringen. Hierdurch ist gewährleistet, daß zu einem

Die zuvor beschriebene Schaltung kann mit einer bestimmten Zeitpunkt sich nur eine Diode im hohen Informationssteuereinrichtung und einem Schema Spannungszustand befinden kann. In Fig. 3 wird einer logischen Mehrheitsentscheidung zur Ausfüh- 60 durch den Schnittpunkt einer Gleichstrombelastungsrung aller logischen Funktionen verwendet werden, linie A mit einer Strom-Spannungs-Charakteristik B um ein System mit der gewünschten Zusammen- der in Reihe geschalteten Tunneldioden ein Punkt C setzung aufzubauen. als Arbeitspunkt für die gesamte Schaltung festin einer Rechenmaschine muß der Informations- gelegt. Falls kein Eingangssignal an den Klemmen 11 strom gesteuert werden können. Beispielsweise muß 65 und 12 auftritt, ist der Strom in den Dioden 1 und 2 eine Information in einer Richtung von der Eingangs- notwendigerweise derselbe, da sie in Reihe liegen, klemme zur Ausgangsklemme laufen, wobei die eine Die Spannung an den beiden Dioden ist jedoch unter-Stufe eine weitere steuert, aber nicht die weitere die schiedlich. Somit stellt der Arbeitspunkt C in Fig. 3

Spitzenstrom/p entspricht, hinausgehen würde, daß eine Diode plötzlich in ihren höheren Spannungszustand übergeht.

Die Spannung V₀ an der Parallelschaltung aus Widerständen und Dioden und somit die Spannung an den in Reihe geschalteten Dioden 1 und 2 ist so gewählt, daß die für die eine Diode verfügbare Spannung, falls sich die andere Diode in ihrem hohen

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die Spannung an der Diode dar, die sich im hohen unteren Abschnitt der Schaltung sichergestellt wird Spannungszustand befindet. Die andere Diode muß und somit das logische Element empfindlicher und in ihrem niedrigen Spannungszustand arbeiten; an ihr zuverlässiger in seiner Arbeitsweise wird, liegt nämlich eine Spannung, die einem Punkt D ent- Bei einer Verwendung als logisches Element muß

spricht. Wenn die Dioden etwa denselben Spitzen- 5 die Polung der Spannung an den Klemmen 9 und 10, stromwert besitzen, ist es reiner Zufall, welche Diode die eine binäre Größe ist, entsprechend einem passenden hohen Spannungszustand erreicht. Daher sollen den Eingangssignal eingestellt werden. Da das System die Dioden 1 und 2 sehr sorgfältig ausgewählt sein eine Mehrheitslogik ausnutzt, muß eine ungerade und sich gleichen. Unter »einander angeglichene Zahl von Eingangssignalen für das logische Element Dioden« sollen Dioden verstanden sein, deren Spit- ίο vorhanden sein. Aus Gründen der Vereinfachung sei zenstrom/p etwa denselben Wert hat. Für derartige nun die Arbeitsweise für ein einziges Eingangssignal angeglichene Dioden kann daher die Strom-Spannungs- ausführlich beschrieben.

Charakteristik der Fig. 2 gelten. Ein Punkt 14 auf der Zu Anfang sei die Spannungsquelle abgeschaltet,

Kurve der Fig. 2 kann der Arbeitspunkt einer der bei- so daß die Schaltung symmetrisch ist. An den Klemden in Reihe geschalteten Dioden sein, während ein 15 men 11 und 12 wird ein Eingangssignalstrom mit Punkt 15 den Arbeitspunkt der anderen Diode angibt. einer solchen Polung angelegt, daß ein geringer Strom Die Neigung der Gleichstrombelastungslinie wird im vom Punkt 11 zum Punkt 10 fließt. Dieser Strom teilt wesentlichen durch die Widerstände 3 und 4 be- sich in gleicher Weise zwischen dem oberen und stimmt, während ihr Schnittpunkt V₀ mit der Span- unteren Abschnitt der Schaltung auf. In dem Augennungsachse durch die Leerlaufspannung festgelegt ist, 20 blick, in dem die Stromquelle eingeschaltet wird, ist die an der Parallelschaltung der Dioden 1 und 2 und der Teil des Signalstroms, der in der Diode 1 fließt, der Widerstände3 und 4 angelegt ist. Die Spannung dem von der Stromquelle herrührenden Strom entan der Parallelschaltung und der Wert der Wider- gegengerichtet, während der Teil des Signalstroms, stände 3 und 4 sind so gewählt, daß eine Belastungs- der in der Diode 2 fließt, dem von der Stromquelle Knie entsteht, die die Strom-Spannungs-Charakteristik 25 herrührenden Strom hinzugefügt wird. Wenn die der in Reihe geschalteten Dioden nur an einem ein- Stromquelle eingeschaltet wird, ist daher bei der Pozigen Punkt gemäß der Fig. 3 schneidet. Um zu ge- lung des angegebenen Signals der Strom in der Diode 2 währleisten, daß keine Schwingungen während des zu Anfang größer als der in der Diode 1. Betriebs entstehen, soll die Belastungslinie eine ge- Es hängt nunmehr nicht weiter vom Zufall ab,

ringere Neigung als die Neigung der Charakteristik 30 welche Diode in den hohen Spannungszustand geim Bereich des starken negativen Widerstandes der schaltet wird. Da die Diode 2 von einem größeren Diode 1 oder 2 aufweisen, aber nicht zu gering sein, Strom durchflossen wird, übersteigt dieser zuerst den als daß sie die Charakteristik der in Reihe geschalte- Spitzenstrom, so daß die Diode 2 in den hohen Spanten Dioden der Fig. 3 an mehr als einem Punkt nungszustand gelangt, wenn die Stromquelle eingeschneidet. 35 schaltet wird. Der Eingangssignalstrom wird wirksam

Aus der vorangehenden Beschreibung der Schal- verstärkt und erscheint als Ausgangssignal an den tung der Fig. 1 ist ersichtlich, daß nur eine Tunnel- Klemmen 11 und 12 und als Spannung, deren Polung diode im hohen Spannungszustand zu einem gegebe- dieselbe wie die des Eingangssignals ist. In ähnlicher nen Zeitpunkt arbeiten kann. Bei Verwendung sorg- Weise stellt ein Eingangssignal von entgegengesetzter fältig angeglichener Dioden ist es allein Sache des 40 Polung sicher, daß die Diode 1 zu Anfang einen grö-Zufalls, welche Diode den hohen Spannungszustand ßeren Strom erhält und in den hohen Spannungszuerreicht, wenn die Spannungsquelle eingeschaltet wird. stand geschaltet wird, so daß sich ein Ausgangssignal

An dem gemeinsamen Abzweigpunkt 10 zwischen mit derselben entgegengesetzten Polung ergibt, den Dioden 1 und 2 ist ein Leiter angeschlossen, wäh^ Wenn eine ungerade Zahl von Eingangssignalen bei

rend mit dem gemeinsamen Abzweigpunkt 9 zwischen 45 der Polung auftritt, fließt der nutzbare Strom in der den Widerständen 3 und 4 ein weiterer Leiter verbun- Richtung, der der Polung der Mehrheit entspricht, den ist. Die Polung der Ausgangsspannung an den Die Polung der Ausgangsspannung an den Klemmen Klemmenil und 12 hängt davon ab, welche Diode U und 12 kann daher durch die Polung der Mehrsich im hohen Spannungszustand befindet. Wenn auch heit der zugeführten Eingangssignale festgelegt werin Fig. 1 der Widerstandszweig der Parallelschaltung 50 den, da die Richtung des nutzbaren Anfangsstroms vorzugsweise mit zwei gleichen Widerständen 3 und 4 in der Richtung der Mehrheit dieser Eingangssignale versehen ist, so kann auch je nach Wunsch ein ein- liegt. Durch eine Umwandlung der Spannung an den ziger angezapfter Widerstand verwendet werden. Falls Klemmen 11 und 12 der grundlegenden Schaltung die Strom-Spannungs-Charakteristiken der beiden nach Fig. 1 in einen Signalstrom, mit dem die nächste Dioden sich nicht genau decken, können die Wider- 55 Stufe gestellt werden soll, wird ein Netzwerk hergestände 3 und 4 einen unterschiedlichen Wert auf- stellt. Dies geschieht zweckmäßigerweise durch einen weisen. In jedem Fall soll der Abschluß des weiteren Kopplungswiderstand zwischen den beiden Stufen. Leiters am Punkt 9 im Widerstandszweig hergestellt In Fig. 4 ist eine Blockdarstellung eines logischen

werden, um zu gewährleisten, daß die Polung der Mehrheitselementes 16 mit drei Eingangssignalquellen Ausgangsspannung an den Klemmen 11 und 12 nur 60 17 bis 19 zu sehen. Das logische Element 16 kann davon abhängt, welche Diode sich im hohen Span- gemäß der Ausführungsform nach der Fig. 1 oder 8 nungszustand befindet, aber die Größe dieser Span- ausgebildet sein. Die Signale der Quellen 17 bis 19 nung ist von dem Spannungszustand der Dioden 1 werden den Klemmen 11 und 12 des Elementes 16 und 2 unabhängig. In gewissen Fällen kann es daher zugeführt. Durch die Polung der Mehrheit der von ratsam sein, eine zusätzliche parallele Admittanz zu 65 den Quellen 17 bis 19 kommenden Eingangssignale benutzen, um die Charakteristiken der beiden Dioden wird die Polung der Ausgangsspannung festgelegt, genauer in Übereinstimmung zu bringen, damit eine die an denselben Klemmen 11 und 12 auftritt. Diese vollständigere Symmetrie zwischen dem oberen und Spannung wird dann in einen Signalstrom umgewan-

delt, der über einen entsprechenden Kopplungswiderstand der nächsten Stufe zugeführt wird.

AHe Signalquellen 17 bis 19 können für sich logische Mehrheitselemente gemäß Fig. 4 sein, deren Ausgang eine Polung aufweist, die zuvor durch die Polung der Mehrheit der zugeführten Eingangssignale festgelegt ist. Eine dieser Signalquellen 17 bis 19 kann jedoch ein Signal konstanter Polung liefern; somit kann durch diese »logische Vorspannung« eine besondere elementare logische Funktion verwirklicht werden. Während aus Gründen der Einfachheit nur die drei Signalquellen 17 bis 19 dargestellt sind, kann doch eine beliebige ungerade Zahl von Eingangssignalen benutzt werden. Zum Beispiel werden zwei von fünf Eingangssignalen bei einer Mehrheitsoperation mit fünf Eingängen oder drei von sieben Eingangssignalen bei einer Mehrheitsoperation mit sieben Eingängen konstant gehalten, um die gewünschte, elementare, logische Funktion Und oder Oder zu verwirklichen.

Da in dem System zwei Leiter zur Leitung der Information durch die verschiedenen logischen Elemente verwendet sind, besteht für die Signale kein Rückleitungsweg zur Erde. Infolge der geringeren Induktanz der beiden Leiter im Vergleich zu einem einzigen Leiter kann das System außerdem mit höheren Betriebsgeschwindigkeiten arbeiten. Die Sperroder Nichtfunktion kann nun leicht durch ein einfaches Hilfsmittel ausgeführt werden, daß man nämlich die beiden Ausgangsleitungen vertauscht, wodurch sich wirksam die Polung des Ausgangssignals ändert.

Wie zuvor beschrieben, ist die Polung der Spannung am Punkt 9 bezüglich des Punktes 10 eine binäre Größe, die eine logische Funktion bezeichnen kann. In den Fig. 5 bis 7 sind Blockdarstellung des logischen Elementes gemäß der Erfindung zu sehen, das Mehrheitseingänge ausnutzt, um die elementaren logischen Funktionen Und, Oder und Nicht zu liefern. Um die Beschreibung zu vereinfachen, sind die Blockdiagramme mit drei Eingängen versehen; im Prinzip kann eine beliebige ungerade Zahl von Eingängen benutzt werden.

Wenn man eine positive Polung mit der Ziffer 1 und die negative Polung mit der Ziffer 0 bezeichnet, kann das logische Element in Kombination mit einem logischen Mehrheitssystem alle für die meisten komplexen Systeme benötigten Funktionen ausführen.

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, mit dem die Und-Funktion geliefert wird, und zeigt entsprechende Tabellen. Ein konstantes, negatives Eingangssignal, das die Ziffer 0 darstellt, wird dem logischen Element zugeführt. Eine Prüfung der Booleanschen Tabelle bezüglich der Tabelle, die die mögliche Polung von Eingangssignalen α und b zeigt, läßt die Verwirklichung der Und-Funktion erkennen.

Die Oder-Funktion wird in ähnlicher Weise gemäß Fig. 6 mit einem konstanten positiven Eingangssignal hergestellt, das dem logischen Element zugeführt wird. In der Tabelle für Oder-Funktion ist diese Arbeitsweise anschaulich gemacht.

Die Nicht-Funktion wird dadurch hergestellt, daß die Polung des Signals umgekehrt wird. Dies kann am einfachsten dadurch geschehen, daß die Ausgangsleitungen vertauscht werden, wie in Fig. 7 zu sehen ist.

Alle diese logischen Funktionen können mit Hilfe des neuen logischen Elementes in Kombination mit einer Mehrheitslogik hergestellt werden. Ein vollständiges System kann durch eine entsprechende Verbindung ähnlicher logischer Elemente aufgebaut werden. Da in jeder Stufe eine Verstärkung stattfindet, ist außerdem die erforderliche logische Verzweigung zulässig, so daß eine maximale Anpaßbarkeit gegeben ist.

Wie zuvor beschrieben, kann die Steuerung des Informationsflusses in dem logischen System in an sich bekannter Weise mit Hilfe einer dreiphasigen

ίο Spannungsquelle erfolgen. Andererseits kann die Steuerung unter Verwendung von Sperrdioden zwischen den verschiedenen untereinander verbundenen Schaltungen oder mit Hilfe in einer Richtung leitender, aktiver Schaltelemente, z. B. von Vakuumröhren und Transistoren erfolgen, um die unterschiedlichen Schaltungen zu koppeln. Alle diese Vorrichtungen tragen jedoch zur Größe und zum Umfang des Systems bei. Außerdem ist durch die Verwendung von Sperrdioden oder in einer Richtung leitenden Schaltelementen eine Begrenzung der Arbeitsgeschwindigkeit des Systems gegeben. In umfangreichen Systemen verwendet man daher zur Steuerung des Informationsflusses am einwandfreisten eine dreiphasige Stromquelle. In kleineren Systemen möchte man das gesamte System von einem einzigen Spannungsimpuls in Gang setzen. Im Hinblick auf kleine, mit hohei Geschwindigkeit arbeitende Systeme ist jedoch keine der zuvor erwähnten Steuervorrichtungen völlig einwandfrei.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist daher ein logisches Element mit einer sehr hohen Betriebsgeschwindigkeit vorgesehen, das mit einem Zeitfestsetzungsgerät aus einem Stück besteht, um eine zweckmäßige Arbeitsweise in der richtigen Reihenfolge zwischen den unterschiedlichen untereinander verbundenen logischen Elementen in einem System sicherzustellen, das von einem einzigen Spannungsimpuls in Gang gesetzt wird.

In Fig. 8 ist ein logisches Grundelement gemäß der Fig. 1 zu sehen, zu dessen Dioden 1 und 2 und Widerständen 3 und 4 ein Kondensator 20 parallel angeschlossen ist. Zwischen den unterschiedlichen untereinander verbundenen Schaltungen sind Kupplungswiderstände 21 und 22 vorgesehen, die die Spannung zwischen den Punkten 9 und 10 in den erforderlichen Signalstrom umwandeln, der die nachfolgende Schaltung steuert.

Im Betrieb der Schaltung gemäß der Fig. 8 erzeugt der Kondensator 20 eine vorgegebene zeitliche Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt, an dem ein einleitender Spannungsimpuls an den Widerständen 5 und 6 erscheint, und dem Zeitpunkt, in dem die Dioden 1 und 2 ihre betreffenden Betriebszustände erreichen. Diese Verzögerung ist auf die Zeitspanne zurückzuführen, die zur Ladung des Kondensators 20 auf eine Spannung benötigt wird, die dem Spitzenpunkt der Strom-Spannungs-Charakteristik der Dioden mit einem engen Übergang entspricht. Da diese Ladezeit und somit die Zeitverzögerung sehr genau eingestellt werden können, ist jedem logischen Element des Systems ein Zeitgeber zugeordnet, so daß die gewünschte Arbeitsfolge mit dem gesamten, von einem einzigen Spannungsimpuls in Gang gesetzten System erreicht werden kann.

Für eine entartete Germaniumdiode mit einem engen Übergang, deren Spitzenstrom etwa 1 mA beträgt, liegt die zeitliche Verzögerung bei 100 C ,«see, worin C der Wert der Kapazität 20 in μ¥ ist. Durch

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Claims (7)

11 12 eine entsprechende Wahl des Wertes für den Konden- 3. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennsator 20 kann die Verzögerung daher sehr genau ein- zeichnet, daß die Widerstände (3, 4) des Widergestellt werden, so daß sich eine zweckmäßige Arbeits- standszweiges der Brücke etwa gleich groß sind, folge ergibt. 4. Element nach Anspruch 1 oder 3, dadurch Ein logisches Element gemäß der Erfindung ist in S gekennzeichnet, daß die Größe der Widerstände Fig. 8 zu sehen; von ihm werden die folgenden (3, 4) derart einstellbar ist, daß eine Differenz in Schaltungshilfsgrößen benutzt, für die nur ein Beispiel den Ausgangssignalen, die auf eine mangelnde gegeben sei: Übereinstimmung zwischen den Charakteristiken der Tunneldioden (2, 1) zurückzuführen ist. Dioden 1 und 2 angeglichene Germanium- 10 5. Element nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Tunneldioden mit Spit- zeichnet, daß parallel zu den Brückenzweigen ein zenströmen von 1 mA Kondensator (20) angeschlossen ist, dessen Kapa- R3 180 Ohm zität eine vorgegebene zeitliche Verzögerung des R 180 Ohm Einschaltimpulses der Spannungsquelle bis zu R 10 000 Ohm 15 ^em ZdtP1111^ bewirkt, an dem die Dioden ihren 5 _ betreffenden Spannungszustand erreichen. ■^ß 10 000 unm 6 Logisches Element in Kombination mit einer Ru 500 Ohm Gruppe ähnlicher logischer Elemente nach An- A15 500 Ohm sprach 5 als Teil einer logischen Maschine, da- V 15 V 20 durch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten der Q 0 1 uF verschiedenen logischen Elemente im Hinblick 20 ' auf eine fortschreitende zeitliche Verzögerung unterschiedlich ausgewählt sind, so daß nach PATENTANSPRÜCHE: einer Erregung der Spannungsquelle die Geräte 25 mit negativem Widerstand der verschiedenen EIe-

1. Logisches Element zur Ausführung logischer mente ihren entsprechenden Spannungszustand Mehrheitsoperationen^ bei dem an zwei in Reihe zu verschiedenen Zeiten erreichen,
geschaltete Tunneldioden je eine Spannung kon- 7. Logisches Element nach Anspruch 1 als Teil stanter Amplitude, aber entgegengesetzter Polung einer logischen Maschine mit mehreren untereinangeschlossen ist und der Signaleingang bzw. 30 ander verbundenen ähnlichen logischen EIe- -ausgang zwischen den beiden Tunneldioden liegt, menten, die von einem einzigen Spannungsimpuls dadurch gekennzeichnet, daß die Tunneldioden betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das (1, 2) in einer Brückenschaltung liegen, in der sie Element an der Impulsquelle derart angeschlossen den einen Zweig und Widerstände (3, 4) den an- ist, daß beim Anlegen des Impulses sich die eine deren Zweig bilden, daß an eine Klemme (9) zwi- 35 Diode im hohen Spannungszustand und die andere sehen den Widerständen (3, 4) und an die andere im niedrigen Spannungszustand befindet, daß wei-Klemme(lO) zwischen den Tunneldioden (1, Z) tere logische Elemente an dem ersten logischen eine ungerade Zahl von Eingangssignalquellen Element angeschlossen sind und der Zustand der (17 bis 19) angeschlossen ist, und daß diese Dioden dieser weiteren logischen Elemente da-Klemmen (9, 10) als Ausgangsklemmen eine Po- 40 durch bestimmt ist, welche Diode des ersten EIelung aufweisen, die durch die Polung der Mehr- mentes sich in dem einen oder anderen Zustand heit der Eingangssignale festgelegt ist. befindet.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

zeichnet, daß die Tunneldioden (1, 2) einander In Betracht gezogene Druckschriften:

übereinstimmen und etwa gleiche Betriebseigen- 45 »IRE Transactions on Electronic Computers«,
schäften aufweisen.

März 1960, S. 25 bis 29.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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