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Umkehrschaltung mit Rückwärtsdiode Für zahlreiche Geräte sind elektronische
Schaltungen zur Durchführung logischer Funktionen erforderlich. So werden beispielsweise
für eine große Zahl der gegenwärtig hergestellten elektronischen Geräte, wie z.
B. für elektronische Datenverarbeitungsmaschinen, Schrittschaltungen benötigt, die
als Grundbausteine im Gesamtschaltungsaufbau benutzt werden. Darüber hinaus werden
diese als Grundbausteine fungierenden Schaltungen häufig zur Ausführung einer logischen
Funktion verwendet. Es gibt zahlreiche logische Funktionen, und ebenso gibt es zahlreiche
Schaltungen zur Ausführung dieser logischen Funktionen. Eine bestimmte logische
Funktion, und zwar die sogenannte NICHT-ODER-Verknüpfung, ist definiert worden als
die Kombination aus zwei anderen logischen Funktionen, nämlich der NICHT- sowie
der ODER-Funktion. Eine Schaltung, mit der sich die NICHT-ODER-Verknüpfung realisieren
läßt, ist sowohl vorteilhaft als auch praktisch, da sich hier zwei logische Verknüpfungen
mit einer einzigen Schaltung realisieren lassen. Die Realisierung von zwei logischen
Verknüpfungen mit Hilfe eines einzigen Verknüpfungselementes ist insbesondere deshalb
sehr wünschenswert, da hierdurch die Kosten für die Maschine infolge des geringeren
Schaltungsaufwandes gesenkt werden, wobei gleichzeitig auch noch die Maschine in
ihrer Gesamtheit kleiner gehalten werden kann. Beide Faktoren sind von Bedeutung,
sowohl vom technischen als auch vom wirtschaftlichen Standpunkt aus betrachtet.
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Zur Realisierung der logischen NICHT-ODER-Verknüpfung sind zahlreiche
Schaltungen vorgeschlagen worden, die sich alle etwas voneinander unterscheiden
sowohl in ihrem Aufbau wie in ihrer Arbeitsweise. Infolge dieser Unterschiede eignen
sich die einzelnen Schaltungen jeweils für einen bestimmten Verwendungszweck. Bei
der nachstehend beschriebenen NICHT-ODER-Schaltung werden Tunneldioden als Schaltelemente
verwendet. Das Schaltsignal wird dabei an die Tunneldiode über einen Kopplungsübertrager
angelegt. Die Ankopplung des Schaltsignals durch die übertragerkopplung wird dabei
von sogenannten Rückwärtsdioden gesteuert, die mit der Tunneldiode verbunden sind.
Je nachdem, welcher Zustand am Eingang vorherrscht, wird also eine der Rückwärtsdioden
in Rückwärts- oder Vorwärtsrichtung vorgespannt. Durch den jeweiligen Betriebszustand
der Rückwärtsdioden wird der übertrager unterschiedlich belastet, wodurch der Stromfluß
durch die Wicklungen der induktiv gekoppelten Schaltkreise, über welche das Schaltsignal
an die Tunneldiode angelegt wird, gesteuert wird. So kippt die Tunneldiode beim
Anlegen des Schaltsignals im einen Zustand der Rückwärtsdiode von ihrem einen in
den anderen Betriebszustand. Befindet sich die Rückwärtsdiode dagegen im anderen
Zustand, so kann das Schaltsignal die Tunneldiode nicht kippen. Eine weitere mit
der Ausgangselektrode der Tunneldiode verbundene Rückwärtsdiode bildet einen Stromweg,
über den beim Kippen der Tunneldiode Strom zu einer Tunneldiode fließen kann. Mit
der Tunneldiode ist ferner eine Vorspannungsquelle verbunden, wodurch die Tunneldiode
im bistabilen Betrieb arbeitet. Die Betriebseigenschaften von Tunneldiode und Rückwärtsdioden
sind bereits bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verhältnismäßig wenige
Bauelemente aufweisende und relativ preiswert herzustellende Schaltung zur Durchführung
logischer Funktionen zu schaffen. Dies erreicht die Erfindung dadurch, daß eine
Rückwärtsdiode mit stromrichtungsabhängigem Widerstand mit der Sekundärwicklung
eines Übertragers parallel geschaltet ist, daß zwischen die Sekundärwicklung und
eine Vorspannungsquelle eine Tunneldiode geschaltet ist, welche mit ihrer Anode
an der gegen Erde positiven Vorspannungsquelle, mit ihrer Kathode über die Sekundärwicklung
des übertragers an Erdpotential liegt, daß an die Primärwicklung des übertragers
eine Einstellimpulsquelle geschaltet ist und daß die Anordnung derart bemessen ist,
daß die Sekundärwicklung beim Anlegen eines Eingangssignals eines ersten Wertes
an die Rückwärtsdiode kurzgeschlossen wird, so daß bei gleichzeitigem Anliegen eines
Einstellsignals
die Tunneldiode in einem ersten Betriebszustand
verbleibt und beim Anliegen eines Eingangssignals eines anderen Wertes an die Rückwärtsdiode
diese hochohmig hält, so daß beim gleichzeitigen Auftreten eines Einstellsignals
die Tunneldiode aus dem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand
gekippt wird und damit an der Tunneldiode eine Ausgangsspannung entsteht, die einen
anderen Wert aufweist, als die im ersten Betriebszustand der Tunneldiode erzeugte
Ausgangsspannung.
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Die Umkehrschaltung nach der Erfindung gestattet es, die Toleranzbedingungen,
die an Dioden, das Eingabesignal und die zeitliche Abstimmung zu stellen sind, zu
verringern. Diese Erleichterung der Toleranzbedingungen wird in dem Ausmaße verwirklicht,
daß die Schaltkreise über Widerstände miteinander verbunden werden können. Eine
Kopplung durch Widerstände ist infolge der Arbeitsweise der Rückwärtsdiode möglich,
welche parallel zu der Sekundärwicklung des Transformators geschaltet ist. Diese
Rückwärtsdiode liefert eine Schaltschwelle, welche die Arbeitsweise des Schaltkreises
bestimmt. Die Möglichkeit einer Verwendung von Widerständen zur Kopplung der Schaltkreise
gestattet es, sonst übliche Kopplungen mittels Dioden zu vermeiden, wodurch die
Schaltkreise weniger aufwendig werden. Ferner wird hierdurch nur geringer Strom
an dem Eingang des Schaltkreises benötigt. Infolge dieses niedrigen Eingangsstromes
ist eine größere Ausfächerung der Schaltung möglich.
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigt
F i g. 1 ,das .Schaltbild von zwei in Reihe geschalteten Schaltungen der vorliegenden
Erfindung und F i g. 2 das Zeitdiagramm für die in Reihe geschalteten Schaltungen
nach F i g. 1.
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F i g. 1 zeigt zwei in Reihe geschaltete Schaltungen A und B, von
denen jede die Erfindung verwirklicht und die im wesentlichen jeweils den gleichen
Aufbau haben. Jede der beiden Schaltungen hat N Eingänge und kann zur Durchführung
der logischen Verknüpfung NICHTODER benutzt werden. Um ein Anwendungsbeispiel aufzuzeigen,
wurden zwei dieser Schaltungen in Reihe geschaltet; eine solche Anordnung kann beispielsweise
als ein Schieberegister od. dgl. angesehen werden. In der gezeigten Anordnung stellt
.die Eingangsklemme 10 eine beliebige Eingangsquelle dar, welche impuls-
oder amplitudenabhängige Signale liefern kann. Da die Schaltung sowohl auf impuls-
als auch auf amplitudenabhängige Signale anspricht, ist die Auswahl einer die Eingangssignale
liefernden Quelle nicht sehr kritisch. Die Eingangsklemme 10 ist mit der Anode einer
Rückwärtsdiode 12 verbunden. Die Kathode der Rückwärtsdiode 12 liegt an Erde. Eine
Rückwärtsdiode bietet dem Stromfluß in der einen Richtung wenig Widerstand und in
der anderen Richtung einen hohen Widerstand. Die Rückwärtsdiode bietet dem Stromfluß
wenig Widerstand, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist; und sie stellt einen
Stromweg mit hohem Widerstand dar, wenn sie in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist.
Ein Kondensator 14 liegt mit einer Klemme an der Anode der Rückwärtsdiode 12. Mit
der anderen Klemme liegt der Kondensator 14 an der einen Klemme einer Sekundärwicklung
16 i eines Übertragers T1. Die Kapazität des Kondensators kann beispielsweise etwa
25 pF betragen. Mit der anderen Klemme liegt die Wicklung 16 an Erde. Als Übertrager
T'1 kann ein Transformator mit einem Windungsverhältnis von Primär zu Sekundär von
2: 1 verwendet werden, so daß beim Anlegen eines Signals an seine Primärwicklung
dessen Strom vergrößert > wird. Die Primärwicklung des Übertragers T 1 liegt mit
ihrer .einen Klemme an Erde und mit der anderen Klemme 20 an einer Impulsquelle
A; die erste Schaltung des in Kaskade geschalteten Schaltungspaars ist zum Zweck
der Unterscheidung als Schaltkreis A bezeichnet. Als Impulsquelle 20 kann eine beliebige
konventionelle Impulsquelle verwendet werden, die bei Bedarf einen Impuls liefert.
Die Impulse können in regelmäßigen Zeitabständen auftreten, doch ist dies nicht
unbedingt erforderlich (z. B. können Eingangssignale nur dann angelegt werden, wenn
Schaltkreis A oder Schaltkreis B eine wahlweise angelegte »Eins« signalisiert).
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Ruhespannung etwa 0 V; die Spannung
des negativen Einstellimpulses A beträgt dagegen etwa -1 V.
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Die Tunneldiode 22 liegt mit ihrer Kathode am gemeinsamen Verbindungspunkt
von der Wicklung 16 und dem Kondensator 14. Die Anode der Tunneldiode ist über eine
Diode 58 mit der Rückstellimpulsquelie A 24 verbunden, wobei die Diode
58 so geschaltet ist, daß die Rückstellimpulsquelle 24 normalerweise von
der Tunneldiode 22 elektrisch getrennt ist. Die Kathode der Diode 58 ist mit der
Impulsquelle 24, ihre Anode mit der Tunneldiode 22 verbunden. lediglich ein negativer
Rücksteliimpuls A ist wirksam, um die Tunneldiode 22 von dem Zustand hoher Spannung
auf den Zustand niedriger Spannung zu schalten. Als Tunneldiode kann eine Tunneldiode
mit einem Spitzenstromwert von etwa 10 mA verwendet werden. Als Rückstellimpulsquelle
A kann eine der Impulsquelle 20 ähnliche konventionelle Impulsquelle verwendet werden,
die bei Bedarf Impulse liefert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erzeugt
die Impulsquelle 24 in regelmäßigen Zeitabständen Impulse, wobei die Ruhespannung
etwa 0 V beträgt und die Impulse eine Amplitude von etwa 1 V aufweisen. Ein Widerstand
26 mit einem Widerstandswert von etwa 1000 Ohm liegt mit einer Klemme an der Anode
der Tunneldiode 22. Die andere Klemme des Widerstandes 26 ist mit einer Spannungsquelle
28 verbunden. Als Quelle 28 dient eine konventionelle Spannungsquelle, die ein im
wesentlichen konstantes Potential von etwa 8 V liefert. Die aus der Spannungsquelle
28 und dem Widerstand 26 bestehende Schaltungskombination arbeitet im wesentlichen
als konstante Stromquelle, welche einen Strom solcher Größe liefert, daß die Tunneldiode
so vorgespannt wird, daß sie in einem ihrer bistabilen Zustände arbeitet.
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Mit der Anode der Tunneldiode 22 ist ferner die Kathode der Rückwärtsdiode
30 verbunden. Die Anode dieser Rückwärtsdiode ist geerdet. Die Rückwärtsdiode 3.0
ist der Rückwärtsdiode 12 ähnlich und bildet in ihrem vorwärts vorgespannten Zustand
einen mit der Tunneldiode 22 in Reihe liegenden Stromweg geringen Widerstandes,
wie noch nachstehend ersichtlich wird. Das Ausgangssignal der Schaltung erhält man
an der Anode der Tunneldiode 22. So sind die M möglichen Ausgänge, welche augenscheinlich
als Ausgang für eine negative ODER-Schaltung angesehen werden können, durch die
Widerstände 32 und 32a dargestellt. Einer dieser Widerstände 32, der in der Größenordnung
von 200 Ohm liegen kann, ist
mit der am Ausgang liegenden Einrichtung
verbunden, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer Schaltung (Schaltkreis
B) besteht, die der vorstehend beschriebenen Schaltung im wesentlichen ähnlich ist.
Die N Eingänge .dieser Schaltung sind durch die Widerstände 32 und 32 b dargestellt.
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Die N Eingänge des Schaltkreises B sind mit der Anode
der Rückwärtsdiode 34 verbunden. Diese Rückwärtsdiode ist der Rückwärtsdiode 12
ähnlich und liegt mit ihrer Kathode an Erde. Die Anode der Rückwärtsdiode 34 ist
außerdem mit einer Klemme eines Kondensators 36 verbunden, dessen Kapazität etwa
25 pF beträgt. Mit der anderen Klemme liegt der Kondensator 36 an der Sekundärwicklung
38 eines übertragers T2. Die Sekundärwicklung 38 sowie die Primärwicklung 40 des
Übertragers liegen jeweils mit einer Klemme an Erde. Die Einstellimpulsquelle B
42 unterscheidet sich von der Einstellimpulsqueile A 20 lediglich durch die zu anderen
Zeiten auftretenden Impulse und liegt an der anderen Klemme der Wicklung 40. Die
Kathode der Tunneldiode 44 ist mit der Wicklung 38 des Übertragers T2 verbunden.
Die Kathode der Diode 56 liegt an der Rückstellimpuisquelle B46, die sich von der
Impulsquelle 24 lediglich durch die zu anderen Zeiten auftretenden Impulse unterscheidet.
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Auch hier ist für die Tunneldiode wieder eine im wesentlichen konstanten
Strom liefernde Quelle vorgesehen. Diese konstanten Strom liefernde Quelle besteht
aus der Spannungsquelle 50, die eine Spannung von im wesentlichen 8 V liefern kann,
und dem Widerstand 48 mit einem Widerstandswert von etwa 1000 Ohm. Die Rückwürtsdiode
52 ist der Rückwärtsdiode 30 ähnlich und liegt mit ihrer Anode an Erde. Ihre Kathode
ist mit der Anode der Tunneldiode 44 verbunden. Die M möglichen Ausgänge der Schaltung,
von denen einer jeweils wirksam ist, sind durch 200-Ohm-Widerstände 54 und 54a dargestellt,
die jeweils mit einer Klemme an der Anode der Tunneldiode 44 liegen. Die anderen
Klemmen der Widerstände 54 und 54a stellen die Ausgangsklemmen 56 dar, an
die eine gewünschte Einrichtung beliebigen Typs angeschlossen ist.
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Die hier vorgeschlagenen und angegebenen Bauelemente sowie ihre Kenndaten
sollen die Erfindung nicht einschränken, sondern beziehen sich vielmehr auf ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel .der vorliegenden Erfindung.
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Die Arbeitsweise der in F i g. 1 gezeigten Schaltung läßt sich am
besten an Hand des Zeitdiagramms nach F i g. 2 beschreiben. Bei der Beschreibung
der Arbeitsweise wird daher auf F i g. 1 und 2 gleichzeitig Bezug genommen. Das
in F i g. 2 gezeigte Eingangssignal ist willkürlich definiert, d. h., das Signal
mit verhältnismäßig hoher oder verhältnismäßig niedriger Amplitude sowie der Zeitpunkt,
an dem das Signal seine Amplitude ändert, sind willkürlich gewählt und sollen die
Arbeitsweise der beschriebenen Schaltung nicht einschränken. Das Eingangssignal
ist zunächst als Signal mit verhältnismäßig hoher Amplitude (-I-500 mV) dargestellt
und bleibt auf dieser Amplitude in den Zeitabschnitten t1... t13.
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Angenommen, die Tunneldiode 22 befindet sich anfänglich in ihrem Zustand
niedriger Spannung und läßt den Vorspannungsstrom von Stromquelle 28 nach Erde durch,
dann tritt ein verhältnismäßig niedriges Signal (-I-50 mV) an den Ausgängen des
Schaltkreises A auf. In diesem Zustand niedriger Spannung der Tunneldiode 22 ist
die Rückw ärtsdiode 12 leicht rückwärts vorgespannt. Hat das an die Eingangsklemme
10 angelegte Signal einen hohen Wert, so befindet sich die Rückwärtsdiode
12 im Zustand hoher Leitfähigkeit, d. h., infolge der V-I-Kennlinie einer Rückwärtsdiode
fließt ein verhältnismäßig großer Strom durch die Diode, wenn sie in Vorwärtsrichtung
vorgespannt ist. Die Rückwärtsdiode 12 erscheint also als Bauelement mit
geringem Widerstand, der parallel zur Wicklung 16 des übertragers T1 liegt. Bei
Vorliegen eines hohen Eingangssignals ist die Vorwärtsspannung der Rückwärtsdiode
30 derart, daß, wenn in der Zeitspanne t2 von der Impulsquelle 20 ein Einstellimpuls
A an den übertrager T1 über die Wicklung 18 angelegt wird, die Wicklung 16 durch
den niederohmigen Nebenschluß kurzgeschlossen wird. Die Tunneldiode 22 bleibt also
in ihrem anfänglichen Betriebszustand, d. h. im Zustand niedriger Spannung, und
die M Ausgänge des Schaltkreises A führen weiter ein Signal mit niedriger Amplitude.
In ähnlicher Weise reichen die in den Zeitabschnitten t2, t6 und t10 auftretenden
Einstellimpulse angesichts des Eingangssignals mit hoher Amplitude nicht aus, die
an der Anode der Tunneldiode 22 liegende Spannung zu ändern. Da die Tunneldiode
in dem Arbeitszustand niedriger Spannung verbleibt, können die in den Zeitabschnitten
t 1, t 5 und t 9 auftretenden Rücksteilimpulse A keine Änderung
in der Schaltung bewirken.
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Mit Beginn des Zeitabschnittes t14 tritt ein Eingangssignal 10 als
Signal mit niedriger Amplitude (+50 mV) auf und bleibt auf diesem Wert bis zum Zeitabschnitt
t30.
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Wenn das Eingangssignal eine niedrige Amplitude besitzt, wird die
Rückwürtsdiode 12, obwohl sie leicht vorwärts vorgespannt ist, bei Fehlen eines
Einstellsignals A tatsächlich einen verhältnismäßig hohen Widerstand parallel zur
Wicklung lt für den Fall des Auftretens des Einstellimpulses A darstellen. Dies
ist der Fall, weil ein Spannungsimpuls, der durch den Einstellimpuls A in der Wicklung
1.6 induziert wird, derart gerichtet ist, daß die Rüekwärtsdiode 12 rückwärts vorgespannt
wird. Daher wird in diesem Zustand durch das Anlegen eines Einstellungsimpulses
A der Impulsquelle 20 über die Wicklung 18 eine Spannung solcher Größe und Polarität
in der Wicklung 16 des übertragers T1 induziert, daß ein vergrößerter Stromimpuls
durch die Tunneldiode 22 und die Wicklung 16 nach Erde fließt und der Verbindungspunkt
des Widerstandes 26 und der Tunnel 22 momentan negativ gegen Erde wird. Die Diode
58 ist jedoch in Sperrichtung vorgespannt. Außerdem kann auch von der einen im wesentlichen
konstanten Strom liefernden Quelle, die aus der Spannungsquelle 28 und dem Widerstand
26 besteht, kein weiterer Strom zur Tunneldiode 22 fließen. Die einzig möglichen
Wege, auf denen Strom fließen kann, führen über die Rückwärtsdiode 30 oder den Kopplungswiderstand
32. Die Rückwärtsdiode 30 wird momentan in Vorwärtsrichtung vorgespannt, da der
Verbindungspunkt des Widerstandes 26 und der Tunneldiode 22 momentan negativ wird,
und bildet einen Stromweg, welcher dem Strom .einen geringeren Widerstand als der
Kopplungswiderstand 32 entgegensetzt, so daß ein Impuls * vergrößerten Stromes durch
die Diode 30 fließt. Der Impuls vergrößerten Stromes ist wirksam zum Kippen der
Tunneldiode 22 in ihren Zustand hoher Spannung, so daß ein ver-
-hältnismäßig
hohes Ausgangssignal (-I-500 mV) erhalten wird und die Rückwärtsdiode
30 voll rückwärts vorgespannt wird. Die verhältnismäßig hohen Signale dauern
an M von T14 bis T17 an, bis die -Tunneldiode im Zeitabschnitt
t17 wieder in den Zustand niedriger Spannung durch einen Rückstellimpuls zurückgekippt
wird.
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In den Zeitabschnitten t18, t22, t26 und t30 ist die Kombination
eines Einstellimpulses A und des Signals niedriger Amplitude an dem Eingang
10 wirksam, um die Tunneldiode 22 in ihren Arbeitszustand hoher Spannung
zu kippen, sobald die Rückstellimpulse A in den Zeitabschnitten t21,
t25, t29 und t33 angelegt werden. Ein Ausgangssignalimpuls wird somit in
den Zeitabschnitten t18 bis t20, t22 bis t24,
t26 bis t28, und t30
bis t32, alle einschließlich, erzeugt.
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Ab Zeitabschnitt t31 schaltet ein Eingangssignal 10 wieder
auf den hohen Wert und bleibt auf diesem Wert bis zum Zeitabschnitt 40, und
die Tunneldiode 22 wird im Zeitabschnitt t33 zurückgestellt. Durch das Eingangssignal
mit hohem Wert wird die Rückwärtsdiode 12 wieder in Vorwärtsrichtung vorgespannt,
so daß sie sich im Zustand hoher Leitfähigkeit befindet. Die Ankopplung eines Einstellimpulses
A durch die Impulsquelle 20 hat also keine Wirkung auf die Tunneldiode 22, d. h.,
in den Zeitabschnitten t34 und t38 erhält die Tunneldiode 22 kein Signal, welches
wirksam wäre, sie in den Zustand hoher Spannung zu schalten, so daß das an der Anode
der Tunneldiode auftretende Ausgangssignal auf seinem niedrigen Wert bleibt. Die
Arbeitsweise der Schaltung während der Zeitabschnitte t31... t39 ist der
Arbeitsweise in den Zeitabschnitten t1. .. t13, in denen von der Signalquelle gleichfalls
ein Eingangssignal mit hohem Wert erzeugt wurde, ähnlich.
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Der Schaltkreis A verwirklicht die logische negative ODER-Funktion
und erzeugt nur dann ein Ausgangssignal hohen Wertes, wenn keines seiner Eingangssignale
10 vorhanden ist, d. h. alle niedrigen Wert haben. Ist jedoch ein einziges Eingangssignal
10 vorhanden, dann kann der Schaltkreis A zur Ausführung der logischen Funktion
NICHT verwendet werden. Bei geeigneter Ausbildung der Eingangskreise kann der Schaltkreis
auch zur Durchführung der logischen Funktion NICHT-UND verwendet werden.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein zweiter Schaltkreis
B mit dem Schaltkreis A in Reihe geschaltet. Die Arbeitsweise der
Schaltung B entspricht der Arbeitsweise der Schaltung A. Wenn somit einer der
N Eingänge des Schaltkreises B (einschließlich des Ausganges vom Schaltkreis
A) ein Signal hohen Wertes führt, dann wird kein Ausgangssignal erzeugt bzw. bleibt
das Ausgangssignal auf niedrigem Wert an den Ausgängen M des Schaltkreises
B; oder wenn alle Eingänge N des Schaltkreises B kein Signal führen,
d. h. auf niedrigem Wert liegen, dann wird ein Signal an den Ausgängen M des Schaltkreises
B erzeugt, da dessen Tunneldiode 44 in den Zustand hoher Spannung durch ein Einstellsignal
B gekippt wird.
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Die Kondensatoren 14 und 36 können wegfallen, wenn eine sehr hohe
Schaltfolge verwendet wird oder wenn die Wicklungen 16 und 38 eine hohe Induktivi-
i tät aufweisen. Die Signale und Impulse sind willkürlich gewählt wobei die Signale
mit hohem und niedrigem Wert be liebige Spannungswerte haben können, solange di,
relativen Werte vorhanden sind.