DE1192250B - Logische Schaltung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HU3K:

Deutsche KL: 21 al-36/18

Nummer: 1192250

Aktenzeichen: L 47113 VHI a/21 al

Anmeldetag: 21. Februar 1964

Auslegetag: 6. Mai 1965

In der Elektronik hat in den letzten Jahren die Mikrominiaturisierung steigende Bedeutung erlangt. Dies liegt darin begründet, daß in den elektronischen Geräten die Anzahl der Bauelemente immer größer wird und man deshalb von diesen höhere Zuverlässigkeiten, kleinere Volumen und Gewichte sowie möglichst auch geringere Herstellungskosten fordert. Da man vorstehende Ziele mit den herkömmlichen Bauelementen und Schaltungstechniken nicht befriedigend erreicht, hat man sich von den konventionellen Formen für elektronische Bauelemente und Schaltungen abgewendet und geht bei den Herstellungsverfahren zum Teil ganz neue Wege.

Es haben sich im wesentlichen zwei Miniaturisierungsverfahren herausgebildet; es sind dies die Technik der integrierten Schaltkreise und die Festkörper-Schaltkreistechnik.

Die Erfindung bezieht sich auf die Festkörper-Schaltkreistechnik. Bei dieser Technik werden alle Bauelemente einer Schaltung (Transistoren, Dioden, Widerstände, Kondensatoren) durch mehrere aufeinanderfolgende Diffusionsprozesse in einer Siliziumscheibe erzeugt. Soweit noch eine externe Verdrahtung notwendig ist, geschieht sie durch Aufdampfen von metallischen Leiterbahnen auf eine SiO₂-Zwischenschicht.

In der industriellen Elektronik spielen die logischen Verknüpfungen eine besondere Rolle. Man ist daher bestrebt, auch logische Elemente in Miniaturbauweise, sogenannte Mikrologikelemente zu realisieren. Es ist bereits bekannt, Mikrologikelemente, die Transistoren als aktive und Widerstände, Dioden sowie Kondensatoren als passive Schaltelemente enthalten, in der Festkörper-Schaltkreistechnik auszuführen.

Bei einer bekannten Ausführungsform ist ein Mehrfach-Emitter-Transistor in Basisschaltung vorgesehen, dessen Basis-Emitter-Dioden als Dioden eines passiven Verknüpfungsgatters dienen und der über den Kollektorkreis einen nachgeschalteten, in Emitterschaltung betriebenen Transistor ansteuert. Es ist dabei nur eine Betriebsspannung vorgesehen.

Das vorstehende Mikrologikelement hat den erheblichen Nachteil, daß der aussteuernde Spannungssprung, der dem Übergang von L und 0 bzw. umgekehrt entspricht, und damit auch die Toleranz dieser Signale sehr klein ist. Er liegt in der Größenordnung von wenigen hundert mV, da praktisch nur die Schleusenspannung der Basis-Emitter-Diode zu überwinden ist. Das bekannte Mikrologikelement ist somit für eine industrielle Anwendung nicht ohne weiteres geeignet.

Logische Schaltung

Anmelder:

Licentia Patent-Verwaltungs-G. m. b. H.,

Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Klaus Marenbach, Frankfurt/M.

Bei bekannten logischen Schalteinheiten in konventioneller Technik mit einzelnen Transistoren als

ao Schaltelemente sowie Widerstände und Dioden, wie sie für industrielle Zwecke Anwendung finden, entspricht das binäre Signal »0« beispielsweise einer Spannung von 0 bis 1,5 Volt und das binäre Signal »L« einer Spannung von 7 bis 12 Volt. Die Toleranz für die einzelnen Signale und der Abstand der Grenzen ist vergleichsweise hoch. Dies wird z. B. dadurch erreicht, daß neben der eigentlichen Betriebsspannung eine Hilfsspannung entgegengesetzter Polarität (z.B. positiv bei Einheiten mit Transistoren in PNP-Technik) benutzt wird und der Basis der Transistoren ein Spannungsteiler vorgeschaltet ist, dessen eines Ende mit der Hilfsspannung und dessen anderes Ende, z. B. bei Invertern, als Eingang dient oder auch an den Ausgang eines vorgeschalteten passiven Gatters (UND- oder ODER-Gatter) angeschlossen ist. In diesem letzteren Fall erfolgt die Ansteuerung durch das vorgeschaltete Gatter.

Prinzipiell ist es, wie der Stand der Technik ausweist, möglich, eine logische Schaltung mit vorstehendem Aufbau auch in der Festkörper-Schaltkreistechnik zu realisieren. Während eine solche Schaltung in der konventionellen Technik eine durchaus optimale Lösung darstellt, erweist sich die Übertragung in die Festkörper-Schaltkreistechnik von der Technologie her als unzweckmäßig und nachteilig. Einmal stört das Vorhandensein zweier Spannungen, da die auf kleinem Raum aufgebrachten Elemente von der Summe der Spannungen beansprucht werden. Die zu dem Schaltkreis gehörenden Dioden, Widerstände und der Transistor müssen außerdem, wenn sie in einem Siliziumscheibchen durch Diffusion erzeugt werden sollen, größtenteils

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potentialmäßig im Kristall getrennt sein und bei einer abschließenden Metallbedampfung miteinander verschaltet werden, was komplizierte Herstellungsprozesse erfordert. Zudem sind Toleranz und Temperaturkoeffizient der in Silizium durch Diffusion hergestellten Widerstände verhältnismäßig hoch. (Zur Zeit beträgt die Toleranz 10 bis 20%, der Temperaturkoeffizient 0,3 Vo pro Grad Celsius.)

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine auf die Festkörper-Schaltkreistechnik zugeschnittene logische Schaltung anzugeben, die vorstehende Nachteile nicht besitzt, d.h. die keine zusätzliche Vorspannung mit allen dadurch bedingten Nachteilen aufweist und trotzdem einen hohen Spannungssprung mit ausreichenden Toleranzen beim Übergang von L auf 0 bzw. umgekehrt zur Aussteuerung benötigt, so daß sie für industrielle Anwendungen geeignet ist. Darüber hinaus soll der Aufwand an Bauelementen möglichst klein und die Art der Herstellung möglichst einfach sein. _

Ausgehend von einer logischen Schaltung in Festkörper-Schaltkreistechnik mit mindestens einem Mehrfach-Emitter-Transistor in Basisschaltung, dessen Basis-Emitter-Dioden als Dioden eines passiven Verknüpfungsgatters dienen und der über den Kollektorkreis einen zweiten nachgeschalteten Transistor ansteuert, gelingt die Lösung dieser Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß als zweiter Transistor ebenfalls ein Mehrfach-Emitter-Transistor mit mindestens zwei Emittern vorgesehen ist, der in Emitterschaltung betrieben wird und dessen zweiter Emitter mit dem Kollektor eines vorgeschalteten Mehrfach-Emitter-Transistors verbunden ist.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. la und Ib eine bekannte Schaltung für ein Mikrologikelement,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung.

Die Fig. la zeigt eine auf die Festkörper-Schaltkreistechnik zugeschnittene bekannte logische Schaltung, von der die erfindungsgemäße Schaltung ausgeht. Es ist ein in Basisschaltung betriebener Transistor Tr₂ mit dem Arbeitswiderstand R₂ vorgesehen, der mehrere Emitter E₁ bis E₃ besitzt. Bei dem dargestellten Beispiel wird ein Emitter Zs₁ von einem Transistor Tr₁ mit dem Arbeitswiderstand .R₁ angesteuert.

Der Kollektor des Mehrfach-Emitter-Transistors Tr₁ ist mit der Basis eines nachgeschalteten, in Emitterschaltung betriebenen Transistors Tr₃, der einen Arbeitswiderstand R₃ besitzt, verbunden.

Wie die Fig. Ib, in der ein Ersatzschaltbild des Mehrfach-Emitter-Transistors Tr₂ nach Fig. la dargestellt ist, zeigt, bilden die mehrfachen, durch die Signalspannung in Durchlaßrichtung beaufschlagten Basis-Emitter-Dioden die Dioden D₁ bis D₃ eines passiven Verknüpfungsgatters, wobei in Verbindung mit dem Widerstand R₂ ein UND-Verhalten erzielt wird.

Die Kollektor-Basis-Diode ist in Fig. Ib mit D₄ bezeichnet.

Wie bereits erläutert wurde, besitzt das bekannte Mikrologikelement nur eine relativ geringe Ansprechwelle, so daß es für industrielle Anwendung nicht ohne weiteres brauchbar ist. Dieser Nachteil wird durch die erfindungsgemäße Schaltung nach Fig. 2 behoben. Die erfindungsgemäße Schaltung unterscheidet sich von der bekannten Schaltung nach Fig. la dadurch, daß der TransistorTr₃ ebenfalls als Mehrfach-Emitter-Transistor ausgebildet ist, wobei jedoch nur der mit E/ bezeichnete Emitter als Emitter für die Emitterschaltung dient.

Die anderen Emitter (im Beispiel nach F i g. 2 die Emitter E₁' bis E₃') sind den Eingängen des Transistors Tr₃ zugeordnet, wobei beispielsweise der Emitter E₃ mit dem Kollektor des Mehrfach-Emitter-Transistors Tr₂ verbunden ist. Die durch die Signalspannung in Sperrichtung beaufschlagten Basis-Emitter-Dioden wirken dabei in bekannter Weise wie vorgeschaltete Zenerdioden. Auf die Fig. Ib bezogen, sind die Zenerdioden vor der Basis des Transistors Tr₃ angeordnet zu denken.

Die Zenerdioden haben eine Zenerspannung von etwa 5 bis 7 Volt, so daß der Spannungssprung, der eine Aussteuerung bewirkt, mit Vorteil relativ hoch ist. Es ist dabei vorteilhaft keine zusätzliche äußere Sperrspannung notwendig. Als Betriebsspannung ist nur eine Spannung, nämlich die Kollektorspannung notwendig.

Das logische Element nach Fig. 2 hat UND-Verhalten. Es würde zu diesem Zweck ein zusätzlicher Emitter (Emitter E₃') am Transistor Tr₃ genügen. Sieht man jedoch, wie dargestellt, mehrere zusätzliche Emitter vor, so läßt sich auch ein ODER-Verhalten erzielen. Dabei kann man die ODER-Eingänge jeweils von einem Mehrfach-Emitter-Transistor Jr₂ ansteuern. Es läßt sich dadurch auch ein logisches Verhalten gemäß nachstehender Funktion erzielen:

(a-b-c-d..,) ν {e-f-g-h.,) ν (i, k, I, m...)

Die Herstellung der Schaltung nach Fig. 2 kann nach bekannten Methoden, insbesondere bezüglich der Mehrfach-Emitter-Transistoren gemäß der Planartechnik erfolgen. Es braucht daher an dieser Stelle auf die bekannten Methoden nicht eingegangen zu werden.

Die Widerstände können dabei in dem Festkörper, der die Transistoren enthält, erzeugt werden oder durch Aufdampfen einer Widerstandsschicht einschließlich der notwendigen Verbindungsleitungen auf dem Festkörper hergestellt werden. Das letzte Verfahren scheint bezüglich der Herstellung der Schaltung nach Fig. 2 vorteilhafter zu sein.

Die Transistoren Tr₂, Tf₃ können entweder in einem gemeinsamen Festkörper unter Verwendung von Trennstegen oder in getrennten Festkörpern hergestellt werden, wobei in letzterem Fall die Festkörper analog zu der Dünnfilm-Sehaltkreistechnik zweckmäßig auf einer Trägerplatte aufgebracht sind und die notwendigen Verbindungen dureh Aufdampfen von Leitungszügen hergestellt werden.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Logische Schaltung in Festkörper-Schaltkreistechnik mit mindestens einem Mehrfach-Emitter-Transistor in Basissehaltung, dessen Basis-Emitter-Dioden als Dioden eines passiven Verknüpfungsgatters dienen und der über den Kollektorkreis einen zweiten nachgeschalteten Transistor ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß als zweiter Transistor ebenfalls

ein Mehrfach-Emitter-Transistor mit mindestens zwei Emittern vorgesehen ist, der in Emitterschaltung betrieben wird und dessen zweiter Emitter mit dem Kollektor des vorgeschalteten Mehrf ach-Emitter-Transistors verbunden ist.

2. Logische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung einer ODER-Funktion der zweite Transistor mehr als zwei Emitter entsprechend der erforderlichen Anzahl von ODER-Eingängen aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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