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Transistorverstärkerstufe für logische Schaltung mit Dioden Die Erfindung
betrifft Maßnahmen zur Unterdrückung von Störimpulsen in einer Transistorverstärkerstufe
für logische Schaltung mit Dioden.
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Hochfrequente Störimpulse bilden ein Problem bei für die Datenverarbeitung
verwendeten logischen Schaltungen, und zwar besonders wenn logische Diodenschaltungen
vorgesehen sind, bei denen mehrere Stufen hintereinandergeschaltet sind. Das fehlerhafte
Ansprechen der logischen Schaltungen hat seine Ursache häufig in einem starken Rauschpegel
und in unerwünschten kapazitiven Einstreuungen. Obwohl die hierbei auftretenden
Störimpulse von verhältnismäßig kurzer Dauer sind, können sie doch zur Erzeugung
eines Ausgangssignals ausreichen, wenn keine besonderen Maßnahmen zur Unterdrückung
solcher Störimpulse getroffen sind.
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Zur Herabsetzung oder Beseitigung dieses Störsignalproblems sind schon
verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden, aber da bei der Verwendung der Diodenlogik
das Hauptziel möglichst niedrige Kosten sind, sind diese vorgeschlagenen Lösungen
wegen der damit verbundenen hohen Kosten nicht anwendbar.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung eine wirtschaftliche Maßnahme zur
Unterdrückung von Störimpulsen in Transistorverstärkerstufen für logische Schaltungen
mit Dioden zu offenbaren.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine spannungsabhängige
Kapazität als Gegenkopplung zwischen Kollektor und Basis angeordnet wird. Vorteilhafterweise
wird als spannungsabhängige Kapazität eine Germanium- oder Siliziumdiode vorgesehen.
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Es hat sich gezeigt, daß in mit niedrigen Geschwindigkeiten (z. B.
mit 100 kHz) arbeitenden logischen Schaltungen mit Dioden, die in mehreren Stufen
hintereinander angeordnet und mit einem in Emitterschaltung betriebenen Transistorschalter
abgeschlossen sind, hochfrequente Störimpulse erfindungsgemäß durch eine zwischen
Kollektor und Basis eingeschaltete Selendiode unwirksam gemacht werden können. Die
Diode bewirkt im leitenden Zustand des Transistors eine stärkere Gegenkopplung zur
Basis als im gesperrten Zustand des Transistors. Diese Tatsache ist von besonderer
Bedeutung, da im leitenden Zustand des Transistors eine stärkere Entstörung erforderlich
ist als im Sperrzustand. Die Kapazität der Diode ist umgekehrt proportional der
Amplitude der der Diode zugeführten Sperrspannung. Die Sperrspannung ist am höchsten,
wenn der Schalter gesperrt ist, und am niedrigsten, wenn der Schalter leitend, d.
h. in oder nahe dem Sättigungszustand ist. Daher ist die Diodenkapazität am kleinsten,
wenn der Schalter gesperrt ist, und am größten, wenn er leitend ist. Hierdurch ist
die Entstörung bedeutend größer, wenn der Schalter leitend ist, als wenn er nichtleitend
ist, und trotzdem findet im nichtleitenden Zustand des Schalters eine ausreichende
Störimpumlsunterdrückung statt.
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Ein Störimpuls, der dieselbe Polarität hat wie das Datensignal und
zeitweise eine größere Amplitude (bei kürzerer Dauer) aufweist als das Datensignal,
wird den Schalter nicht leitend machen, und trotzdem wird die schnelle Einschaltung
des Schalters durch den Datenimpuls praktisch nicht beeinträchtigt. Außerdem wird
durch die Diode die Abschaltzeit des Schalters nicht wesentlich verzögert.
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Ein zwischen Kollektor und Basis des Transistorschalters angeschlossener
Kondensator kann die gestellte Aufgabe nicht befriedigend lösen. Wenn die Kapazität
des Kondensators groß genug gewählt wird, um eine zuverlässige Entstörung sicherzustellen,
ist die Rückkopplung während des Einschaltens des Transistorschalters so groß, daß
die logische Schaltung mit bedeutend niedrigerer Geschwindigkeit betrieben werden
muß.
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Weiter ist festgestellt worden, daß eine in der gleichen Weise an
den Transistor angeschlossene Siliziumdiode dieselbe Entstörung bei höheren Betriebsgeschwindigkeiten,
z. B. bis zu 5 MHz, ermöglicht.
Weitere Einzelheiten ergeben sich
aus der Beschreibung sowie den nachstehend aufgeführten Zeichnungen. Es zeigt F
i g. 1 das Schaltschema einer logischen Schaltung mit Dioden, F i g. 1 a die Abhängigkeit
der Kapazität von der Sperrspannung bei einer Diode (Selen), F i g. 2 bis 8 logische
Schaltungen mit nachfolgender Transistorverstärkerstufe und graphische Darstellungen
der auftretenden Spannungspegel.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 zeigt eine logische Schaltung
10 mit Dioden, die mit einem Transistorschalter 11 abgeschlossen ist. Die Schaltung
10 besteht aus drei Stufen logischer Kreise 12, 13 und 14.
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Die Stufe 12 kann bis zu zehn Dioden enthalten; gezeigt sind drei
Dioden 15, 16 und 17, deren Kathoden an die Eingangsklemmen 18, 19 bzw.
20 angeschlossen sind. Die Anoden der Dioden sind gemeinsam an den Verbindungspunkt
21 angeschlossen, und eine positive Spannungsquelle ist über einen Widerstand 22
an den Verbindungspunkt angeschlossen.
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Die Stufe 13 kann bis zu zehn Dioden enthalten, von denen nur drei
Dioden 25, 26 und 27 dargestellt sind, deren Kathoden gemeinsam an den Verbindungspunkt28
angeschlossen sind, mit dem außerdem über einen Widerstand 29 eine negative Spannungsquelle
verbunden ist. Die Anode der Diode 25 ist an den Verbindungspunkt 21 angeschlossen,
und die Anoden der Dioden 26 und 27 sind an die Eingangsklemmen 30 bzw. 31 angeschlossen.
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Die Stufe 14 kann bis zu zehn Dioden enthalten, wie z. B. die
Dioden 35, 36 und 37, deren Anoden gemeinsam über die in Reihe liegenden Dioden
39 und 40 an den Verbindungspunkt 38 angeschlossen sind. Die Kathode der
Diode 35 ist an den Punkt 28 angeschlossen, und die Kathoden der Dioden 36 und 37
sind mit den Eingangsklemmen 41 bzw. 42 verbunden. Eine positive Spannungsquelle
liegt über einen Widerstand 43 am Verbindungspunkt 38.
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Der Schalter 11 besteht aus einem Transistor 50 mit Basis
50 b, Emitter 50 e und Kollektor 50 c. Die Basis
liegt am Verbindungspunkt38, der Emitter liegt an Erde, und der Kollektor ist über
einen Lastwiderstand 51 mit einer negativen Spannungsquelle verbunden. Die Anode
und die Kathode einer Selendiode 52 sind an den Kollektor bzw. die Basis angeschlossen,
und die Ausgangsklemme 53 ist mit dem Kollektor verbunden.
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Die Schaltung arbeitet so, daß ein am Verbindungspunkt 38 erscheinendes
negatives Potential den Transistor einschaltet, während ein über den Vorspannungswiderstand
43 angelegtes geringes positives Potential ihn ausschaltet. Ein positives Potential
erscheint am Verbindungspunkt 38, um den Transistor zu sperren, wenn keine negative
Eingangsspannung einer der Dioden 35, 36 oder 37 zugeführt wird. Der Diode 35 wird
nur dann eine negative Eingangsspannung zugeführt, wenn die Eingänge der Dioden
25, 26 und 27 alle negativ sind. Die Eingangsspannung der Diode 25 ist negativ,
wenn ein beliebiger der Eingänge zu den Dioden 15, 16 oder 17 negativ ist. Die Dioden
15 bis 17 und 35 bis 37 bilden also negative Oder-Funktionen und die Dioden 25 bis
27 eine negative Und-Funktion.
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Die logische Funktion, die den Transistor leitend macht, ist ein negativer
Eingangsimpuls an Klemme 41 oder 42 oder das Zusammentreffen negativer Eingangsimpulse
an den Klemmen 30 und 31 und einer der Klemmen 18, 19 oder 20. 1n
Boolescher Form läßt sich dies so ausdrücken: 41-#-42+30-31(18-I-19+20). Die Spannungspegel
der den verschiedenen Eingangsklemmen zugeführten Datensignale schwingen nominell
von Null oder Erde bis -12 Volt. Wegen der Toleranzen der Spannungszuführung und
der Bauelemente können die Datensignale jedoch von 0 bis -0,2 und von -3,86 bis
-12,48 Volt differieren.
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Wenn auf Grund der Erfüllung einer der oben beschriebenen logischen
Funktionen eine negative Spannung an den Punkt 38 gelegt wird, wird der Transistor
leitend, und der Punkt 38 wird über den PN-Obergang zwischen Basis und Emitter auf
etwa --0,3 Volt festgelegt. Wegen der Verwendung großer Schaltsignale wird der Transistor
50 bis zur Sättigung ausgesteuert, und die Kollektorspannung steigt auf etwa Erdspannung
an. Obwohl der PN-Übergang zwischen Basis und Kollektor im gesättigten Zustand des
Transistors geringfügig in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, wodurch die Selendiode
52 leicht in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, ist trotzdem die Entsperrspannung
niedrig, und die Diode 52 wird im Bereich hohen Widerstandes ihrer Kennlinie gehalten.
Bei Wegnahme der negativen Spannung vom Punkt 38 wird der Transistor nichtleitend,
und die Kollektorspannung fällt auf -12 Volt ab.
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Wenn also der Transistor abgeschaltet wird, wird die Diode 52 durch
die -12-V-Kollektorquelle und die schwach positive Spannung, die der Klemme 38 über
die logischen Eingänge, die Dioden 39 und 40
und den Widerstand 43
zugeführt wird, in Sperrichtung vorgespannt. Wenn der Transistor leitend wird, liegt
die Spannung, die die Diode 52 in Durchlaßrichtung vorspannt, nahe bei 0 Volt.
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Aus F i g. 1 a ist ersichtlich, daß die Kapazität der Diode 52 während
der Abschaltzeit relativ gering ist und daß die Kapazität der Diode 52 während der
Sättigung um mehrere Faktoren größer ist. Die Kapazitätswerte für die Selendiode
liegen in der Größenordnung von 180 pF bei einer Sperrspannung von 12 Volt und bei
etwa 400 pF bei einer Potentialdifferenz von etwa Null zwischen Anode und Kathode.
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Zwecks optimaler Entstörung unter Aufrechterhaltung einer möglichst
hohen Betriebsgeschwindigkeit wird eine Selendiode 52 verwendet, welche die niedrigste
Kapazitätskurve hat, die die Entstörung garantiert. Der Rauchpegel wird vorwiegend
durch die Kapazitätswerte der verschiedenen Dioden (15 bis 17,
25 bis
27, 35 bis 37 und 39 und 40) bestimmt. Die Dioden sind vorzugsweise Selendioden
wegen ihrer niedrigen Kosten. Der maximale Rauchpegel, der von diesen Dioden bei
gegebenen Toleranzen und unter verschiedenen Betriebsbedingungen erzeugt wird, hängt
von ihren Kapazitätswerten ab. Bei höheren Kapazitätswerten sind die Rauchpegel
höher, und daher muß die Kapazität der Diode 52 höher sein, um die Entstörung sicherzustellen.
Nach Bestimmung des maximalen Rauschpegels können die Vorschriften für die Diode
52 mit tragbaren Toleranzen festgelegt werden.
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Für den Betrieb mit höherer Geschwindigkeit können, wenn Siliziumdioden
verwendet werden, die Diodenkapazitätswerte in ähnlicher Weise für einen optimalen
Schaltungsbetrieb festgelegt werden.
F i g. 2 bis 8 zeigen verschiedene
Schaltungsbedingungen, die ohne die Diode 52 zur Erzeugung von Störimpulsen führen,
welche als Datenimpulse erkannt werden. F i g. 2, 4 und 6 zeigen Teile der Schaltung
von F i g. 1, und übereinstimmende Schaltungselemente tragen gleiche Bezugsziffern.
In F i g. 3 zeigt der Potentialverlauf A einen möglichen Spannungspegel, der am
Punkt 21 auftritt, wenn die negative Und-Funktion an den Eingängen der Dioden 25
bis 27 erfüllt ist, um den Transistor einzuschalten; der Potentialverlauf B ist
ein Teil eines möglichen, der Eingangsklemme 41 zugeführten Datensignals; der Potentialverlauf
C zeigt ein Fehlersignal, das am Ausgang 53 auf die Impulse A und
B hin erscheint, wenn die Diode nicht in der gezeigten Weise in die Schaltung
eingefügt ist, und der Potentialverlauf D zeigt die Verhältnisse am Ausgang 53 für
die Eingangssignale A und B an, wenn die Diode 52 vorhanden ist.
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Der der Eingangsklemme 41 zugeführte positive Impuls B hat eine hohe
positive Spannungsspitze zum Ergebnis, die über die Kapazitäten der Dioden 36, 39
und 40 an die Klemme 38 gelegt wird. Diese positive Spannungsspitze schaltet den
Transistor für kurze Zeit ab, wie es der Potentialverlauf C zeigt, und zwar selbst
dann, wenn die gewünschte logische Funktion immer noch von Signal A erfüllt wird.
Obwohl der Abschaltzustand wesentlich kürzer dauert als die Breite eines Datenimpulses,
hat er doch noch eine genügend große Amplitude und zeitliche Dauer, um als Datensignal
(logische 0) durch die die Last des Transistors 50 bildenden Schaltungen erkannt
zu werden. Selbst wenn die -3,86-Volt-Spannung des Signals A, das der Klemme 21
für den richtigen Betrieb der Schaltung zugeführt wird, den Transistor leitend halten
sollte, schaltet also die positive Vorderflanke des Signals B den Transistor kurzzeitg
ab, wenn die Diode 52 nicht verwendet wird. Wenn der leitende Zustand des Transistors
als Darstellung für die logische 1 angesehen wird, erkennen die Lastschaltungen
des Transistors 50 als Ausgangsimpuls eine logische 0 an Stelle einer logischen
1, wenn die Diode 52 nicht verwendet wird. Aus dem Potentialverlauf D geht hervor,
daß der an der Vorderflanke des positiven Ausschlags der Welle B auftretende kleine
negative Impuls so klein und von so kurzer Dauer ist, daß er nicht als logische
0 erkannt wird.
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F i g. 4 und 5 veranschaulichen die Wirkung eines der Klemme 30 zugeführten
negativen Impulses, wenn der Transistor nichtleitend ist und eine Spannung von -0,2
Volt an die Klemme 21 gelegt wird. Die Vorderflanke des negativen Impulses des der
Klemme 30 zugeführten Signals E erzeugt einen positiven Ausgangsimpuls (logische
1) an Klemme 53 (Potentialverlauf G), wenn die Diode 52 nicht verwendet wird, selbst
wenn die negative Und-Funktion der Dioden 25 bis 27 nicht erfüllt ist. Wie der Potentialverlauf
H zeigt, entsteht am Ausgang 53 nur ein sehr kleiner kurzzeitiger positiver Impuls,
wenn die Diode 52 verwendet wird.
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Der Fehlerimpuls (logische 1) im Signal G (F i g. 5) hat eine wesentlich
kürzere Dauer als der entsprechende Fehlerimpuls (logische 0) im Signal C (F i g.
3), der auftritt, solange der Transistor normalerweise leitend ist. Daher sind die
Rückkopplungserfordernisse für das Ausschalten des Fehlerimpulses des Impulsdiagramms
G wesentlich geringer als die Rückkopplungserfordernisse für das Ausschalten des
Fehlerimpulses des Impulsdiagramms C. F i g. 1 a zeigt, daß die Kapazität der Diode
52 im leitenden Zustand des Transistors wesentlich größer ist als im abgeschalteten
Zustand. Man erhält deshalb sowohl im leitenden als auch im nichtleitenden Zustand
optimale Rückkopplungsverhältnisse.
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F i g. 6 und 7 lassen erkennen, daß ohne Diode 52 ein Fehlerimpuls
(logische 0) am Ausgang 53 (Potentialverlauf K) auftritt, wenn ein positiver Impuls
(Potentialverlauf J) der Eingangsklemme 19 zugeführt wird, während der Transistor
leitend ist und eine Spannung von -3,86 Volt (Potentialverlauf I) an die Eingangsklemme
18 gelegt wird. Bei Vorhandensein der Diode 52 wird nur ein sehr kleiner und unbedeutender
negativer Rauschimpuls (Potentialverlauf L) an der Ausgangsklemme 53 erzeugt.
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Die Potentialverläufe M, N, O und P von F i g. 8 veranschaulichen
die Einschalt- und Abschaltverzögerungen an der Ausgangsklemme 53 bei Verwendung
und bei Nichtverwendung der Diode 52. Die positive Flanke des Impulses N bewirkt
das Abschalten des Transistors, und ihre negative Flanke schaltet ihn ein. Bei Nichtverwendung
der Diode 52 (Potentialverlauf O) gibt es kurze Einschalt-Abschaltverzögerungen.
Gemäß Kurve P sind diese Verzögerungen beim Ein- und Abschalten etwas größer. Der
Wert der Kapazität der Diode 52 beim Ein- und Abschalten bestimmt die Größe der
Verzögerung im Ausgangsimpuls.