DE1201873B - Bistabile Kippschaltung mit einer Tunnel-Diode - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al-36/18

Nummer: 1 201 873

Aktenzeichen: W 34762 VIII a/21 al

Anmeldetag: 25. Juni 1963

Auslegetag: 30. September 1965

Die Erfindung betrifft eine bistabile Kippschaltung mit einer Tunnel-Diode, die parallel zum Emitter-Basis-Kreis eines Transistors geschaltet ist.

Eine bistabile Kippschaltung zeichnet sich durch zwei stabile Gleichgewichtszustände aus. Mit dem Eintreffen eines ersten Eingangsimpulses kippt die Schaltung von dem einen in den anderen Zustand, in dem sie so lange verbleibt, bis der nächste Eingangsimpuls auftritt. Verbleibt die Schaltung nur momentan im anderen Zustand, so spricht man von einer monostabilen Kippschaltung.

In vielen Zweigen der Elektrotechnik, z. B. in der Digital-Computer-Technik, sind Kippschaltungen mit hoher Schaltgeschwindigkeit erforderlich. Ferner werden da, wo viele Einzeloperationen durchgeführt werden sollen, große Anforderungen an kompakte Bauweise gestellt. Aus diesem Grunde sind Kippschaltungen mit einer Esaki- oder Tunnel-Diode bekannt, da sich damit hohe Schaltgeschwindigkeiten erzielen lassen.

Auf Grund von Impedanzerwägungen müssen enge Toleranzanforderungen an Schaltkreise gestellt werden, die Tunnel-Dioden aufweisen. Außerdem erzeugen diese Schaltkreise im allgemeinen nur Ausgangssignale kleiner Größe. Sowohl die Signalgrößen als auch die Schaltkreistoleranzen können durch Verwenden der Dioden in Verbindung mit Verstärkungselementen vergrößert werden.

Jedoch setzen in Fällen, in denen aus Gründen einer kompakten Bauweise als Verstärkungselemente Transistoren vorgesehen sind, diese Transistoren die Hochgeschwindigkeitsschalteigenschafen von Tunnel-Dioden herab.

Da die Umschaltung der Tunnel-Dioden entweder über den Strom oder über die Spannung erfolgen kann, können jene im Gleichgewicht in einem von zwei verschiedenen Zuständen sein. Ist der Gleichgewichtszustand stabil, so wird ein Eingangssignal dazu verwendet, die Tunnel-Diode in den anderen Zustand zu schalten. Ist der letztere Zustand gleichfalls stabil, so wird ein nachfolgendes Eingangssignal dazu verwendet, die Tunnel-Diode in den ursprünglichen Zustand zurückzuschalten. Während es für das nachfolgende Eingangssignal vorteilhaft ist, von der gleichen Polarität zu sein wie das vorhergehende, muß es kennzeichnenderweise entgegengesetzte Polarität aufweisen. Dies ist bei einer bekannten Kippschaltung der eingangs beschriebenen Art der Fall, die mit Impulsen alternierender Polarität betrieben wird.

Bei einer weiteren bekannten Kippschaltung der eingangs beschriebenen Art liegen die Sekundärwick-Bistabile Kippschaltung mit einer Tunnel-Diode

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated,

New York, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Charles James Nowell Candy, Newark, N. J.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 29. Juni 1962 (206 329)

lungen eines Eingangsübertragers und die Tunnel- -Diode in Serie zwischen Basis und Emitter des Transistors, wobei die Tunnel-Diode kathodenseitig mit dem Emitter direkt verbunden ist. Die für den Transistor vorgesehene Speisespannungsquelle ist mit einem Pol am Verbindungspunkt zwischen Tunnel-Diode und Emitter angeschaltet, während der andere Pol derselben über einen Vorwiderstand am Verbindungspunkt von Übertrager-Sekundärwicklung und Tunnel-Diode liegt. Hierdurch erhält auch zugleich die Tunnel-Diode die erforderliche Vorspannung. Bei entsprechender Bemessung ermöglicht es die bekannte Schaltung, daß der Transistor auf Grund der von der Tunnel-Diode im Zustand hoher Spannung bestimmten Basis-Emitter-Vorspannung leitet, doch nicht gesättigt ist, so daß ein durchzuschaltendes Signal mit optimaler Stromverstärkung übertragen werden kann. Dadurch aber, daß bei der bekannten Schaltung die an der Diode abfallende Spannung und der Umschaltspannungsimpuls zwischen Basis und Emitter in Serie liegend, also additiv, auftreten, wird der Transistor, insbesondere im Falle unzulässig hoher Umschaltimpulse, verhältnismäßig weit in Richtung Sättigung getrieben, wodurch die Schaltgeschwindigkeit unerwünscht klein wird. Ein korrektes Schaltverhalten kann daher nur bei konstanter Amplitude der Umschaltimpulse, also bei entsprechend hohem Aufwand hierfür, erwartet werden. Außerdem wird dadurch, wie ersichtlich, keinesfalls

509 689/371

ein Umschalten mit hoher Schaltgeschwindigkeit er- nungsquelle 21 gebildet ist. Der Widerstand 22 ist

reicht. genügend groß, damit die Tunnel-Diode einen im

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, wesentlichen konstanten Strom zugeführt erhält. Die

eine bistabile Kippschaltung der eingangs beschrie- Vorspannung des Transistors 14 wird über den

benen Art zu schaffen, die mit hoher Schalt- 5 Widerstand 23 erhalten.

geschwindigkeit und mit Impulsen gleicher Polarität In Abhängigkeit aufeinanderfolgender unipolarer

betrieben werden kann. Eingangsimpulse, die von einer Stromquelle 25 an

Gemäß der Erfindung ist dies dadurch erreicht, den Eingang der Tunnel-Diode 13 geliefert werden,

daß ein Gleichrichter parallel zum Kollektor-Basis- ändert sich die Spannung, die dem am Ausgang lie-

Kreis des Transistors geschaltet und eine Quelle uni- io genden Verbraucher 26 zugeführt wird, von einem

polarer Impulse vorgesehen ist derart, daß der jeweils ersten Spannungswert auf einen zweiten, und zwar

zum Umschalten der Tunnel-Diode in den stabilen bei jedem übernächsten Eingangsimpuls. Daher kann

Zustand niedriger Spannung vorgesehene Impuls die Schaltung nach F i g. 1 auch direkt als Zweifach-

über den Gleichrichter zur Tunnel-Diode rückgekop- untersetzer verwendet werden,

pelt wird. 15 Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, weist die Strom-

Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Gleich- Spannung-Charakteristik α der Tunnel-Diode 13 bei richter wird einmal das Kollektorpotential des Tran- niedrigen Spannungen und bei hohen Spannungen je sistors auf das Potential der Basis festgebunden, wo- einen Zweig positiven Widerstands auf, die durch durch die Ansammlung von Ladungsträgern in der einen zwischenliegenden Zweig negativen WiderBasiszone des Transistors mit Sicherheit auch dann 20 Standes getrennt sind. Der Arbeitspunkt der Tunnelauf einen erwünschten kleinen Wert begrenzt bleibt, Diode hängt vom Schnittpunkt der Dioden-Charakwenn unzulässig hohe Schaltimpulse auftreten sollten. teristik mit einer Lastkurve b ab. Infolge der Rück-Die Schaltgeschwindigkeit wird daher wegen dieser kopplungs-Diode 15 der F i g. 1 hat die Lastkurve b, nur begrenzten Ladungsträgeransammlung entspre- die durch den Transistor, die Spannungsquelle und chend höher. Außerdem bildet der Gleichrichter, für 25 die Rückkopplungs-Diode gegeben ist, zwei Hauptden zweckmäßig eine Diode verwendet wird, einen bereiche. Befindet sich der Transistor in nichtleiten-Rückkopplungsweg, mit dessen Hilfe unter Ausnut- dem Zustand, so entspricht die Lastkurve im wesentzung der Impulslaufzeit durch den Transistor, d. h. liehen der einer unbelasteten Spannungsquelle, so unter Ausnutzung der in der Basiszone des Tran- daß die Lastkurve praktisch horizontal verläuft, sistors im begrenzten Umfang gespeicherten Ladungs- 30 Wenn aber der Transistor leitend wird, dient die träger, ein Restimpuls erzeugt wird, der die Tunnel- Rückkopplungs-Diode dazu, die Spannung an der Diode vom stabilen Zustand hoher Spannung in den Tunnel-Diode konstant zu halten, so daß die Last-Zustand niedriger Spannung umschaltet und dadurch kurve im wesentlichen vertikal wird,
den Transistor sperrt. Ferner veranlaßt bei leitendem Der Einfachheit halber sei angenommen, daß sich Transistor der Gleichrichter, daß der Tunnel-Diode 35 die bistabile Kippschaltung anfänglich im stabilen eine im wesentlichen vertikale Lastlinie gegenüber- Zustand niedriger Spannung befindet. Tritt nun am steht. Dies ermöglicht ein leichtes Zurückschalten der Eingang ein negativ gepolter Stromimpuls auf, so wird Tunnel-Diode in den Zustand niedriger Spannung. die Lastlinie δ nach oben in eine oberhalb des Der nächste Impuls gleicher Polarität schaltet dann Schwellwertes e befindliche Lage geschoben mit der wieder die Tunnel-Diode in den Zustand hoher Span- 40 Folge, daß die Tunnel-Diode längs eines gestrichelt nung, wodurch der Transistor wiederum zum Leiten gezeichneten geometrischen Ortes g auf einen stabilen gebracht wird. Punkt h hoher Spannung umschaltet. Solange die

In folgendem ist die Erfindung an Hand der Zeich- Tunnel-Diode 13 im stabilen Zustand hoher Spannung beschrieben. Es zeigt nung verharrt, ist der Transistor 14 leitend, und ein

F i g. 1 ein Schaltbild einer bistabilen Kippschal- 45 Ausgangssignal wird dem Verbraucher 26 zugeführt,

tung nach der Erfindung, Zur Wiederüberführung der Tunnel-Diode in den

Fig. 2 ein Spannungs-Strom-Diagramm zur Er- stabilen Zustand niedriger Spannung und zum Be-

läuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach enden des am Verbraucher liegenden Ausgangssignals

Fig. 1. dient der nachfolgende, am Eingang auftretende

In der F i g. 1 ist eine bistabile Kippschaltung dar- 50 Stromimpuls ebenfalls negativer Polarität, der die gestellt. Der Eingang einer Vorrichtung negativen Lastlinie anfänglich nach oben verschiebt, wodurch Widerstandes 10 ist mit dem Ausgang eines verstär- der Arbeitspunkt der Tunnel-Diode zunächst aus dem kenden Schaltelementes 11 über einen Rückkopp- Gleichgewichtspunkt h in der F i g. 2 rechts etwas lungsweg 12 verbunden. Ist, wie gezeichnet, die Vor- hinaus bewegt wird. Infolge der durch die Diode 15 richtung negativen Widerstandes eine Tunnel-Diode 55 gebildeten Rückkopplungsstrecke erscheint der Im-13, z. B. eine Gallium-Arsenit-Diode, und das Schalt- puls, nachdem er den Transistor 14 durchlaufen hat element 11 ein Transistor 14, z. B. ein Silizium-Tran- und hierbei bekanntermaßen in seinem Vorzeichen sistor, so liegt im Rückkopplungsweg eine Gleich- umgekehrt worden ist, wieder am Eingang und löscht richter-Diode 15, die den Kollektor des Transistors daher den dort noch stehenden Eingangsimpuls aus. 14 mit der Basis des Transistors und mit der Kathode 60 Der Arbeitspunkt kehrt daher wieder in den Gleichder Tunnel-Diode 13 verbindet. Zusätzlich liegen der gewichtspunkt h zurück. Beim Aufhören des EinEmitter des Transistors 14 und die Anode der Tun- gangsimpulses bleibt der rückgekoppelte (positive) nel-Diodel3 gemeinsam an einem Bezugspotential, Impuls zunächst noch am Eingang stehen, da die das, wie gezeichnet, Erdpotential sein kann. Rückflanke des Eingangsimpulses erst den Tran-

Die Energieversorgung des Transistors 14 und der 65 sistor und die Rückkopplungsstrecke durchlaufen

Tunnel-Diode 13 geschieht durch eine Vorspannungs- muß, bevor auch der rückgekoppelte Impuls ver-

quelle 20, die durch eine mit dem Verbindungspunkt schwindet. Es entsteht daher im Effekt am Eingang

zweier Widerstände 22 und 23 verbundene Span- ein unmittelbar dem negativen Eingangsimpuls fol-

gender kurzer positiver Restimpuls, der der (begrenzten) Ladungsspeicherung in der Basisregion des Transistors und einem hierdurch erzeugten Laufzeiteffekt zuzuschreiben ist. Der Transistor 14 bleibt daher während dieses Zeitintervalls noch leitend.

Dieser Rückkopplungsstrom dient zur Erzeugung einer Abwärtsverschiebung der Lastlinie in eine mit gestrichelten Linien gezeichnete Stellung b". Als Folge hiervon schneidet die Lastlinie in ihrer neuen Lage die Charakteristik α im Bereich negativen Widerstands, wodurch der Arbeitspunkt der Diode veranlaßt wird, längs einer mit gestrichelten Linien gezeichneten Kurve in den stabilen Zustand niedriger Spannung verlegt zu werden. Hierdurch wird der Transistor wieder gesperrt. Der Schaltzyklus ist daher abgeschlossen, und das Ausgangssignal des Transistors 14, das dem Verbraucher 26 zugeführt wird, hat aufgehört.

Würde die Rückkopplungs-Diode 15 nicht vorgesehen werden, so hätte die Lastlinie nicht den gewünschten vertikalen Bereich (F i g. 2), so daß es schwieriger wäre, die Tunnel-Diode in ihren Niedrigspannungs-Gleichgewichtszustand zurückzuführen. Zusätzlich hierzu dient die Rückkopplungs-Diode dazu, eine eine Sättigung des Transistors erzeugende Anhäufung von Ladungsträgern in der Basisregion des Transistors 14 mit Sicherheit zu verhindern, weil durch die Diode zugleich auch das Potential des Kollektors im wesentlichen auf das der Basis festgebunden wird.

Es kann daher die bistabile Kippschaltung mit hoher Geschwindigkeit geschaltet werden. Schließlich ist, wie bereits erwähnt, die Diode die Voraussetzung zum Erzeugen eines positiven Restimpulses, mit dessen Hilfe die Tunnel-Diode 13 in den Zustand niedriger Spannung zurückgeschaltet wird.

Um die bistabile Kippschaltung der F i g. 1 bei hoher Schaltgeschwindigkeit zu betreiben, muß diese von Eingangsimpulsen mit steilen Flanken gesteuert werden. Zur Erzeugung derselben kann beispielsweise eine monostabile Kippschaltung Verwendung finden.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Bistabile Kippschaltung mit einer Tunnel-Diode, die parallel zum Emitter-Basis-Kreis eines Transistors geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichrichter (15) parallel zum Kollektor-Basis-Kreis des Transistors (14) geschaltet und eine Quelle unipolarer Impulse (25) vorgesehen ist, derart, daß der jeweils zum Umschalten der Tunnel-Diode in den stabilen Zustand niedriger Spannung vorgesehene Impuls über den Gleichrichter zur Tunnel-Diode rückgekoppelt wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 131 736,
   132 970.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   509 689/371 9.65 © Bundesdruckerei Berlin