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Logische Schaltung mit Transistoren und Dioden Zum Verarbeiten von
Daten in elektronischen Rechenmaschinen sind logische Schaltungen bekannt, die mit
Dioden und Transistoren arbeiten, wobei die Dioden nur für die logischen Funktionen
und die Transistoren nur für die Verstärkung verwendet werden. Diese Schaltungen
sind jedoch im allgemeinen umständlich und erfordern eine Reihe verschiedener Speisespannungen.
Außerdem sind sie für übersprechen anfällig und neigen zur Aufnahme von Störgeräuschen.
Bekannt sind auch logische Schaltungen, die nur mit direkt gekoppelten Transistoren
arbeiten. Diese sogenannten DCTL-Schaltungen haben zwar den Vorteil großer Einfachheit,
sie sind jedoch von den charakteristischen Eigenschaften der Transistoren sehr abhängig
und lassen sich nur mit ganz bestimmten Transistoren ausführen.
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Die Erfindung bezieht sich auf logische Schaltungen mit einem Transistor,
dessen Emitterelektrode geerdet ist, dessen Basiselektrode mit dem Eingangskreis
und dessen Kollektorelektrode mit dem Ausgangskreis verbunden ist, und in denen
ein die Vorspannung der Basiselektrode bestimmendes Netzwerk zwischen die Basiselektrode
und den Eingangskreis geschaltet ist, das eine positive Spannungsquelle enthält,
die durch im Eingangskreis liegende Schaltelemente geerdet werden kann. Bekannte
Schaltungen dieser Art haben den Nachteil, daß im Ausgangskreis auch bei gesperrtem
Zustand des Transistors noch Ströme fließen können, die eine eindeutige Arbeitsweise
der logischen Schaltung in Frage stellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden
und stabile Arbeitsbedingungen für den Transistor zu schaffen. An sich sind auch
andere Schaltungsanordnungen zum Verstärken der Impulse in logischen Schaltungen
bekannt. So ist es bekannt, hierzu e.iD-Flop-Schaltungen zu verwenden. Auch ist
z. B. eine Schaltung bekannt, bei der ein Transistor über ein Netzwerk gesteuert
wird, das aus einem vor die Basiselektrode geschalteten und von einem Kondensator
überbrückten Widerstand besteht, an den eine negative Spannungsquelle angeschaltet
ist. Die Zuführung und die Ab-
nahme der Impulse erfolgt bei dieser bekannten
Schaltung jedoch über Impulstransformatoren, die häufig unerwünscht sind und die
Arbeitsweise einer solchen Schaltung beeinträchtigen.
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Die die Nachteile der bekannten Schaltun ' gen ve-, meidende
erfindungsgemäße logische Schaltung ist nun dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk
aus einer längsgeschalteten, den Eingangskreis mit der Basiselektrode verbindenden
Widerstandsanordnung besteht, an deren eingangsseitigem Ende die positive Vorspannungsquelle
und an deren ausgangsseitigem Ende eine negative Vorspannungsquelle angelegt sind,
und daß die Vorspannungsquellen über Vorschaltwiderstände an die längsgeschaltete
Widerstandsanordnung angelegt und die Spannungen und die Widerstände so bemessen
sind, daß der Transistor leitend ist, wenn der Eingangskreis nicht geerdet ist,
und daß der Transistor gesperrt ist, wenn der Eingangskreis geerdet ist.
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Die Erdung des Eingangskreises erfolgt zweckmäßig, über einen oder
mehrere Transistoren, von denen jeder über eine Diode mit dem eingangsseiti-en Ende
der vor der Basiselektrode des gesteuerten C Transistors liegenden Widerstandsanordnung
verbunden ist, wobei die Durchlaßrichtung der Diode entgegengesetzt zur Durchlaßrichtung,
der Basis-Emitter-Strecke des nachfolgenden gesteuerten Transistors liegen muß.
Werden als Steuertransistoren solche mit geringem Widerstand der Kollektor-Emater-Strecke
verwendet, dann hat das Einschalten
eines solchen Transistors zur
Folge, daß die mit dem Kollektor des Transistors verbundene Diode geerdet wird.
Die Widerstandsanordnung kann in an sich bekannter Weise aus einem von einem Kondensator
überbrückten Ohmschen Widerstand bestehen. Als Widerstandsanordnung kann aber auch
ein unsymmetrisch leitendes Schaltelement, insbesondere eine Zenerdiode dienen,
deren eingangsseitiges Ende über einen Vorschaltwiderstand an eine positive Spannungsquelle
angeschlossen ist. Wenn der durch den Eingan-skreis gesteuerte Transistor von der
n-p-n-Type ist, ist die Anode der Zenerdiode mit der Basiselektrode des Transistors
verbunden, bei Verwendung eines p-n-p-Transistors jedoch mit dem Eingangskreis.
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Die erfindun-s-emäße Schaltung bietet gegenüber den bisher gebräuchlichen,
mit Transistoren und Dioden arbeitenden Schaltungen eine Reihe von Vorteilen. Insbesondere
bildet die abwechselnde Verwenduna von Dioden-Torschaltun-en und Transistor-Verstärkerstufen
ein logisches System mit verteilter Verstärkung und relativ geringem Widerstand,
das nur geringe Neigung zum übersprechen oder zur Aufnahme von Störungen zeigt.
Ein weiterer ,viorteil ist die Verwendung von nur geringen Spannungsamplituden und
die in ihrer Zahl im Vergleich zu vielen anderen Transistor-Diodenschaltungen verringerte
Zahl von Speisespannungen. Außerdem bewirkt die durch eine einzelne Dioden-Torschaltung
geschaffene Gleichstromkopplung zwischen den e;iizelnen Stufen, daß eine Gleichstromkopplung
zwischen dem Kollektor des steuernden Transistors und der Basis des -esteuerten
Transistors der fol-enden Stufe hergestellt werden kann.
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Der steuernde Transistor kann deshalb durch die lo-;sche Diodenschaltun-
hindurch-reifen, von dem gesteuerten Transistor einen Basisleckstrom abziehen und
so seine Sperrung beschleunigen.
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Diese und andere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgendon
genauen Besebreibung in Verbindun- niit den Figuren. Es zeigt F i 1 eine
elementare logische Schaltung mit ransistoren und Dioden entsprechend der Erfinduna
und F i (y. 2 eine, einfache logische Schaltung in übereinstimmung mit der Erfindung,
die von der in F i g. 1 gezeileten Schaltung abgeleitet ist.
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F i 1 zeigt eine der Erläuterungeen dienende lo-Ische Grundschaltun-
mit einem Transistor 12 und C den drei Dioden 14, C 16 und 18. Der Emitter des Transistors
liegt an Masse, während seine Basis mit dem aus dem Widerstandselement 20 und den
drei
Dioden 14, 16 und 18 bestehenden 12:ingangssteuerkreis
verbunden ist. Der Transistor 12 ist ein Schichttransistor, in diesem Falle ein
n-p-n-Transistor. Er kann natürlich auch ein p-n-p-Transistor sein, wenn die Polung
der dazugehörigen Schaltung entsprechend umgekehrt wird. Der Transistor 12 wird
betätigt, d. ti. stromleitend, wenn der Basiseingang positiv und damit die
Basis-Emitter-Strecke in der Durchlaßrichtung vorgespannt ist, Wird ein Schichttransistor
stromleitend, dann ist der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke sehr -erino,
C ZD' und der Kollektor befindet sich beinahe auf Erdpotential. Wird die
Basis gegenüber dem Emitter in Sperrichtung vorgespannt, dann ist der Widerstand
der Kollektor-Emitter-Strecke sehr hoch und der Ko-II.ektor ist im wesentlichen
gesperrt. Bei dem in F i g'. 1 gezeigten n-p-n-Transistor 12 bewirkt eine
an die Basis angelegte negative Spannung, daß der Transistor gesperrt wird, während
eine positive Eingangsspannung den Transistor leitend macht. Die an Punkt 22 angelegte
negative Spannung liegt über.den Widerstand 24 an der Basis des Transistors 12 an
und spannt diesen in Richtung seines Sperrzustandes vor. Die an Punkt
26 angelegte positive Spannung wirkt über die Widerstände 28 und 20 auf die
Basis des Transistors 12 und spannt diesen in Durchlaßrichtung vor.
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Sind die Eingangsschaltungen zu den drei Dioden 14, 16 und
18 geöffnet, dann überwiegt die positive Spannung die negative, und der Transistor
12 wird betätigt. Ist der Eingang einer der Dioden 14, 16
oder 18 geerdet,
dann wird auch die an Punkt 26
von der positiven Spannungsquelle kommende
positive Vorspannung mit Erdpotential verbunden. Das kann z. B. durch Schließen
des mit dem Eingang der Diode 18 verbundenen Schalters 30 geschehen,
ebenso aber auch durch die Betätigung des mit der Diode 14 verbundenen Transistors
32. Wird die positive Spannung an Erde gelegt, dann wird die Basis des Transistors
12 leicht negativ; der Transistor 12 ist gesperrt. Der Kondensator 34 beschleunigt
das Kippen des Transistors 12, besonders dann, wenn er gesperrt wird. Wird, genauer
gesagt, einer der Diodeneingänge an Erde gelegt, dann bewirkt der Kondensator 34
einen starken Stromanstieg, der den Kondensator zu entladen sucht. Das ist auch
die Rückstromrichtune, der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 12, so daß durch
diesen Strortistoß das Kippen beschleunigt wird.
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Im Sprachgebrauch der Rechermaschinentechnik ist es gebräuchlich geworden,
von »Und«- oder »Oder«-Schaltungen zu sprechen. In gewisser Hinsieht kann man die
Schaltung der F i g. 1 je nach dem als »Undx- oder als »Oder«-Schaltung betrach-Len.
Sind z. B. alle drei Eingän-e zu den Dioden 14 bis 18 der F i g. 1
geöffnet, dann befindet sich der Transistor 12 im Betriebszustand und sein Kollektor
lie-t im wesentlichen auf Erdpo-Lential. Die Schaltun- kann in diesem Falle als
>Und«-Schp.Ituno, an-.«"seihen werden. Ist dagegon einer der zu den Dioden 14 bis
18 führenden Eingänge geerdet, dann befindet sich der Transistor 12 in Ruhestellung
oder im Sperrzustand, sein Kollektor-Ausgang ist oilen oder In diesem Falle kann
die Schaltunals »Oder«-Schaltung angesehen werden. Die Bezeichnung »Und«- oder »Oder«-Schaltung
ist für die vorliegende Schaltung nicht völlig zufriedenstellend, da iede eine Schaltung
nach F i g. 1 enthaltende Stuf' der logischen Schaltung eine Inversion des
ankonimenden Signals vorn geerdeten Zustand zum Leerlaufzustand bzw. umgekehrt bewirkt.
Es ist deshalb erfforderlich, die Arbeitsweise jeder einzelnen Schalt-i-appe getrennt
zu betrachten.
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Obwohl eine ganze Reihe von Kombinationen von Schaltelementen möglich
ist, hat sich die folgende Zusammenstellun- als besonders wirkungsvoll erwiesen:
| R.,0 1000 Ohm |
| &4 ..................... 24 000 Ohm |
| R28 11000 Ohm |
| c34 ........ 2000 P.;cofarad |
| Spannung an 22 .......... - 22 Volt |
| Spannung an 26 .......... + 22 Volt |
Die verwendeten Transistoren sind Silizium-Transistoren Als Diode
mit kann eindiffundierter jede schnell arbeitende Basis' Rechendiode verwendet werden.
Mit Bauelementen mit den oben angegebenen Werten ergibt sich am diodenseitigen Ende
des Widerstandes 20 eine Spannung von ungefähr
+ 1 bis
+ 3 Volt, während
sich bei beiden Betriebszuständen der Schaltung an der Basis des Transistors 12
eine Spannungsamplitude von etwa
0 bis
+ 1 Volt einstellt.
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Die Schaltung nach Fig. 1 kann dadurch vereinfacht werden,
daß man den Widerstand 20 durch ein nichtlineares Widerstandselement besonderer
Art ersetzt. Insbesondere kann der Widerstand 20 durch eine Zenerdiode ersetzt werden,
die in Richtung des Rückstromes eine Kippspannung von 2 bis 3 Voll benötigt,
und deren Anode mit der Basis des Transistors 12 verbunden ist. Werden p-n-p-Transistoren
verwendet, dann muß die Zenerdiode umgepolt werden. Die Zenerdiode soll nach Möglichkeit
eine Silizium-Schichtdiode mit verhältnismäßig großer übergangskapazität sein. Bei
Verwendung einer Zenerdiode können außer dem Widerstand 20 auch der Widerstand 24,
die mit diesem verbundene negative Spannungsquelle und der Kondensator 34 entfallen.
Sind die Eingänge zu den Dioden 14, 16 und 18 geöffnet, dann bewirkt
die an den Anschluß 26
angelegte positive Spannung das Kippen der Zenerdiode;
der Transistor 12 wird entsperrt. Wird der Eingang zu einer der Dioden 14,
16 und 18 geerdet, dann kehrt die Zenerdiode in den Sperrzustand zurück,
und der Basisstrom des Transistors 12 wird unterbrochen. Der Transistor 12 ist also
gesperrt. Es wurde schon erwähnt, daß der in F i g. 1 gezeigte Kondensator
34 die Sperrung des Transistors 12 beschleunigt. Wird der Widerstand 20 durch eine
Zenerdiode ersetzt, dann übernimmt die hohe Übergangskapazität der Diode diese Aufgabe.
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Die in F i g. 2 gezeigte Schaltung ist eine logische Schaltung,
die die in F i g. 1 gezeigten Grundschaltungen verwendet. Es handelt sich
dabei um die mit 40, 42, 44, 46 und 48 bezeichneten Grundschaltungen. Vergleicht
man die in dem strichpunktierten Kästchen 44 gezeichnete Schaltung mit der der F
i g. 1, dann sieht man, daß die drei Dioden 50, 52
und 54 mit dem Kollektor
des Transistors 56 verbunden sind, während die drei Dioden 14,
16 und 18 der F i g. 1 mit dem Basiseingang des Transistors
12 zusammengeschaltel sind. Schalttechnisch sind diese beiden Schaltungen praktisch
äquivalent. Es macht für eine logische Schaltung keinen Unterschied, ob die Dioden
am Ausgang der jeweils vorangehenden-Stufe liegen oder ob sie zusammen auf den Eingang
der nächsten Stufe geschaltet sind. Zur besseren Erklärung sind die Dioden 14,
16 und 18
der Fig. 1 an den Eingang der Schalteinheit gelegt.
Je nach der Verteilung der Schaltkapazitäten kann im einen oder anderen Fall die
eine Anordnung der anderen vorgezogen werden. Dementsprechend sind, um eine gegenüber
der Anordnung nach F i g. 1 alldere Möglichkeit aufzuzeigen, in F i
g. 2 die Dioden am Kollektor des Transistors angebracht.
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In der in F i g. 2 gezeigten Schaltung sind die beiden Stufenelemente
40 und 42 der logischen Schaltung so miteinander verbunden, daß sie einen Multivibrator
bilden. Das geschieht dadurch, daß man den Ausgang einer Diode einer jeden Schaltung
mit dem Eingang der anderen Schaltung verbindet. Die auf die Eingänge
62 und 64 des Multivibrators gegebenen Einstell- und Rückstellsignale sollen
bewirken, daß die Eingänge geerdet werden, um damit den Zustand des Multivibrators
entsprechend zu ändern. Wird z. B. die zur Schaltung 40 führende Eingangslei#tung
geerdet, dann wird der Transistors 66 der Stufe 40 gesperrt, der Transistor
68 der Stufe 42 dagegen betätigt.
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Anschließend soll die Eigenschaft der Schaltung der F i
g. 2 im einzelnen betrachtet werden. Die zur Darstellung der an den verschiedenen
Punkten der Schaltung auftretenden Beziehungen der Signale zueinander gebräuchliche
Ausdrucksweise beruht auf den Regeln der Booleschen Algebra. Die Grundsätze der
Booleschen Algebra sind in der Rechnertechnik allgemein bekannt und werden z. B.
in den »Design of Switching Circuits« von W. Keister, A. E. Ritchie und
S. H. Washburn, D. Van Nostrand Company Inc., New York,
1951, beschrieben. Bei Verwendung der Booleschen Algebra werden die an einer
bestimmten Stelle der Schaltung herrschenden »hochgelegten Spannungen« oder »offenen«
Zustände mit großen Buchstaben bezeichnet, während man die »Nieder«-Spannungszustände
oder Erdpotentialstellen desselben Punktes durch apostrophierte große Buchstaben
kennzeichnet. So bedeutet z. B. die Bezeichnung X, daß der Eingang der Stufe 44
spannungsmäßig »hoch« liegt, während das X'
am Eingang der Stufe 44 ein #>Am-Erde-Liegen«
dieses Punktes bedeutet.
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Betrachtet man die Arbeitsweise der Stufe 46, dann sieht man, daß
der am Kollektor des in der Stufe enthaltenen Transistors 70 liegende Ausgang
dann hoch liegt, wenn eitler der beiden Eingänge der Stufe 46 geerdet ist. Ist der
Eingang zur Stufe 44 hochgelegt, dann ist der von der Stufe 44 kornmende Eingang
zur Stufe 46 geerdet. Das entspricht den mit X bezeichneten Bedineungen. Der Ausgang
der Stufe 46 liegt also hoch, wenn der von Stufe 40 zur Stufe 46 führende Eingang
geerdet ist. Das entspricht dem Rückstellzustand des Multivibrators und wird mit
A bezeichnet, zur Unterscheidung von dem den »Ein«-Zustand des Multivibrators
kennzeichnenden A. In der Booleschen Algebra wird ein »Oder«--Zustand mit
einem Pluszeichen bezeichnet.
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Deshalb wird der hochliegende Kollektor des Transistors
70 unter Verwendung der Ausdrucksform der Booleschen Algebra durch den Ausdruck
A+ X bezeichnet.
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Bei Betrachtung der Arbeitsweise der Stufe 48 der F i g. 2
sieht man, daß deren Ausgang hoch oder offen liegt, wenn ihre beiden Eingänge geerdet
sind. Liegt der Eingang X hoch, dann ist die die Stufe 44 mit der Stufe 48 verbindende
Leitung geerdet. Die von Stufe 44 zu Stufe 48 führende Verbindun - ist geerdet,
wenn bleide zu Stufe 46 führenden Eingänge hoch liegen. Das ist dann der Fall, wenn
der Eingang der Stufe 44 geerdet und der Multivibrator in »Ein«-Stellung ist. Gleichzeitig
miteinander auftretende Bedingungen werden in der Booleschen Algebra als Produkt
angeschrieben. Die zum »Ti,efleoen« der Stufe 46 erforderlichen Bedingungen werden
durch A-X ausgedrückt. Dementsprechend ist der Boolesche Ausdruck für die Bedingungen,
die zurn Hochlegen des Ausgangs der Stuie 48 erforderlich sind, X+A-X'. Das bedeutet,
daß das Ausgangssignal hoch liegt, wenn auch der Eingang X hoch liegt, oder, wenn
der Eingang X tief liegt und wenn der Multivibrator
40, 42 sich
in dem für die Erzeugung eines »hohen« Signals an AusgangA erforderlichen »Ein«-Zustand
befindet.
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Außer der von der Stufe 48 kommenden Ausgangsleitung 72 sind
oben rechts in der F i g. 2 noch zwei weitere Ausgangsleitungen 74 und
76 gezeigt. Die Ausgangsleitung 74 ist direkt mit dem Ausgang der Stufe 40
des Multivibrators verbunden und liegt deshalb hoch, wenn sich der Multivibrator
in »Ein«-Zustand befindet. Das wird durch den an diese Aus-Crangsleitung angeschriebenen
Buchstaben A ausgedrückt. Die Ausgangsleitung 76 ist mit dem Ausgang
der Stufe 46 verbunden. Sie ist »hoch» oder »offen« unter den Bedingungen, die in
der Booleschen Algebra mit dem Ausdruck A'+ X bezeichnet werden.
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In der in F i g. 2 gezeigten Schaltung besitzt jede der die
logischen Schaltstufen 40, 42 und 44 mit den darauffolgenden logischen Schaltstufen
46 oder 48 verbindenden Schaltunaen eine Diode.
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Es ist manchmal erwünscht, in eine logische Schaltung der vorliegenden
Art eine Umkehrstufe einzufügen. Eine solche Umkehrschaltung verwandelt nur die
»hohen« Eingangssignale in »niedere« Ausgangssignale, und umgekehrt. Sind zwei Stufen
mit ihrem Aus- und Eingang miteinander verbunden und ist die erste Stufe nicht mit
dem Eingang einer anderen Stufe gekoppelt, dann braucht in der Verbindung zwischen
den beiden Stufen keine Diode zu liegen. Die Stufe 46 der F i g. 2 ist eine
Umkehrstufe, und die am Eingang der Stufe 46 liegenden Dioden sind nur notwendig,
um eine Kopplung der von der Stufe 44 kommenden Signale auf die Leitung
76 zu verhindern. Sind keine weiteren Stufen mit der Leitung 76 verbunden,
dann kann der Kollektor des Transistors 70 direkt mit dem Eingang der Stufe
48 verbunden werden.
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An dieser Stelle erscheint es wünschenswert, auf die unmittelbare
Verbindung der Transistoren der einzelnen Stufen miteinander hinzuweisen. Bei dieser
direkten Verbindung kann ein steuernder Transistor unmittelbar von einem gesteuerten
Transistor einer folgenden Stufe einen Basisleckstrom abziehen. Deshalb wird hier
der Ausdruck »direktverbundene Schaltung« angewendet, um die hier zur Anwendung
kommenden Verbindungen von den weniger wirksamen Schaltungen der bisher angeordneten
Art zu unterscheiden, bei welcher die die Stufen verbindenden Schaltungen Kondensatoren,
Übertrager oder entgegengesetzt gepolte Dioden enthielten.
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Mit Hilfe der in F i g. 2 gezeigten Schaltung können einige
einfache logische Entscheidungen durchgeführt werden. Entsprechend der Booleschen
Algebra können aber durch entsprechende Anordnung der oben angeführten logischen
Schalteinheiten alle Arten von Rechenvorgängen durchgeführt werden. Wie schon oben
an g' edeutet und in dem Artikel »An Application of Boolean Algebra to the
Design of Electronie Switching Circuits« von S. H. Washburn, A.1.E.E. Transactions,
Teil 1, Communications and Electronics, Bd.72. September 1953,
kann
jede Rechenschaltung aus »Und«-Schaltungen, »Oder«-Schaltungen und »Nein«-Schaltungen
gebildet werden. In dem oben angeführten Artikel ist gezeigt, daß eine »Oder«-Schaltung,
an deren Eingang und Ausgang eine »Nein«- oder Umkehrschaltung angeschlossen ist,
ein vollständiges Äquivalent einer »Und«-Schaltung bildet. Entsprechend stellen
ein »Und«-Schaltung in Kombination mit einer Umkehrschaltung eine Grundschaltung
eines Rechengerätes in dem Sinne dar, daß jeder Rechenvorgang mit Hilfe solcher
Grundschaltungen durchgeführt werden kann. In ähnlicher Weise ist die Kombination
einer »Oder«-Schaltung mit einer Umkehrschaltung eine solche Grundschaltung. Es
wurde schon oben erwähnt, daß die in F i g. 1 gezeigte Schaltung dann als
Umkehrschaltung anzusehen ist, wenn sie einen einzelnen Eingang und Ausgang besitzt
und daß sie sowohl »Oder«- als auch »Und«-Funktionen ausüben kann, je nach
der Art des ankommenden Si-_ gnals. Es leuchtet deshalb ein, daß die in den Figuren
gezeigten und oben beschriebenen logischen Grundschaltungen zu Schaltungen zusammengestellt
werden können, die zur Durchführung eines jeden Rechenvorgangs geeignet sind.
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C, C