DE1249337B - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H 03 k

Deutsche Kl.: 21 al - 36/18

Nummer: 1249 337

Aktenzeichen: J 29253 VIII a/21 al

Anmeldetag: 26. Oktober 1965

Auslegetag: 7. September 1967

Der Entwurf zuverlässig arbeitender, billiger und schnell schaltender bistabiler Kippschaltungen, die durch Gleichstromsignale umgeschaltet werden, ist durch ziemliche Schwierigkeiten charakterisiert gewesen. Das Auftreten von statischen als auch von aufeinanderfolgenden, unerwünschten Störsignalen führte in einfachen Schaltungen zu Unzuverlässigkeit. Man hat daher Schaltungen entwickelt, die durch Synchronisierimpulse beeinflußt werden, oder es wurden zur Erhöhung der Zuverlässigkeit Schaltungen mit Wechselstromkopplung vorgesehen.

Eine andere bekanntgewordene Möglichkeit, ein zuverlässigeres Arbeiten einer transistorisierten bistabilen Kippschaltung zu erreichen, in deren Eingangsleitungen Dioden vorgesehen sind, die durch das Kollektorpotential der Transistoren mit einer bestimmten Vorspannung versehen werden, besteht darin, daß mit jedem Kollektorstromkreis ein aus komplexen Widerständen aufgebauter Spannungsteiler verbunden ist, von dem eine sich zeitlich inner- ao halb eines bestimmten Bereiches ändernde Vorspannung für die Eingangsdioden abgegriffen wird. Durch die zeitlich begrenzte und während dieser Zeit sich langsam ändernde Vorspannung werden die Eingangsdioden vorübergehend gesperrt, und dadurch bleiben Störimpulse wirkungslos.

Bei einer anderen bekannten bistabilen Kippschaltung für Fernmeldeanlagen, wie beispielsweise Fernsprechvermittlungseinrichtungen, die durch Impulsketten beaufschlagt wird, in denen die Impulszeit und die Pause zwischen zwei Impulsen von verschiedenen, in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander stehenden Längen sind, wird ein fehlerhaftes Arbeiten der Kippschaltung, das bei längeren Impulsreihen infolge der für die verschiedenen Umladevorgänge stets gleichen Zeitkonstante eintreten würde, durch ein jedem Transistor zugeordnetes einmaschiges Netzwerk vermieden. Dieses Netzwerk ist in Dreieckschaltung ausgeführt und besteht aus einem Widerstand, einem Diodenschalter und einem Kondensator. Die Schaltelemente sind dabei so bemessen, daß im Zusammenwirken mit den übrigen Verzweigungen der Kippschaltung die Kondensatoren nach Beginn eines Steuerimpulses mit einer die Impulsdauer übersteigenden Verzögerung umgeladen, nach Beendigung des Impulses aber mit einer zur Impulsdauer verhältnismäßig geringen Verzögerung in der dem nunmehrigen Zustand der Kippschaltung entsprechenden Weise geladen werden.

Bei einer anderen bekannten aus Transistoren aufgebauten bistabilen Kippschaltung wird eine zuverlässige und von Störimpulsen beliebiger Polarität Bistabile Kippschaltung

Anmelder:

International Business Machines Corporation,
Armonk, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H.-E, Böhmer, Patentanwalt,
Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Edward Baxter Eichelberger, Endwell, N. Y.;

Melvin Porter Xylander,

Apalachin, -N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 27. Oktober 1964
(406 692)

weitgehend unbeeinflußte Betriebsweise in einem größeren Temperaturbereich unter Vermeiden des Sättigungsbetriebes der Transistoren, durch den die Empfindlichkeit und die Stabilität der Kippschaltung Schwankungen zeigen würde, dadurch erzielt, daß in in den Eingangskreisen der beiden Transistoren Transformatoren angeordnet sind und daß Begrenzerdioden verwendet werden. Bei dieser bekannten Schaltung führt die Primärwicklung eines Transformators Strom, wenn der zugehörige Transistor leitend ist. Ist ein Transistor leitend, so wird der durch die Primärwicklung des zugehörigen Transformators fließende Strom auf den Wert Null vermindert, während in der Primärwicklung des anderen Transformators ein Strom zu fließen beginnt. Die Induktivitäten des Transformators sind dabei so bemessen, daß nur nach einem Zeitintervall, das im wesentlichen gleich oder etwas kürzer ist als das Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Taktimpulsen, in einer Primärwicklung ein Strom zu fließen beginnt, so daß die Kippschaltung aus dem einen in den anderen stabilen Betriebszustand umgeschaltet werden kann. Dadurch wird verhindert, daß Störsignale die bistabile Kippschaltung beeinflussen.

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Alle die erwähnten Schaltungen weisen infolge der für ein betriebssicheres Arbeiten erforderlichen Schaltmaßnahmen einen komplizierten Aufbau auf.

Ziel der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute zuverlässige und für schnelles Umschalten geeignete bistabile Kippschaltung zu schaffen, die darüber hinaus für die Ausführung in der Technik der integrierten Schaltungen geeignet ist.

Dies wird bei einer bistabilen Kippschaltung mit zwei über logische Schaltungen rückgekoppelten Invertern, die durch Gleichstromsignale umgeschaltet werden, dadurch erreicht, daß der Ausgang jedes Inverters parallel mit den ersten Eingängen zweier dem anderen Inverter zugehörigen UND-Schaltungen verbunden ist, deren zweite Eingänge jeweils an eine von zwei Eingangsleitungen angeschlossen sind, auf denen gleichzeitig komplementäre, binäre Eingangssignale vorliegen, daß die Ausgänge der beiden UND-Schaltungen über eine ODER-Schaltung mit der Steuerelektrode des zugehörigen Inverters verbunden sind und daß zur Sicherstellung eines ordnungsgemäßen Umschaltens der Kippschaltung bei einer Änderung der Amplitude der Eingangssignale in der einen der beiden möglichen Richtungen ein Verzögerungsglied parallel zu der einen der beiden einem Inverter zugehörigen UND-Schaltungen angeordnet ist, durch das diese Signaländerung verzögert zum Ausgang dieser UND-Schaltung gelangt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben; von diesen zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild einer Schaltung gemäß der Erfindung,

F i g. 2 das genaue Schaltbild der Schaltung nach F i g. 1 und

F i g. 3 das Blockschaltbild eines Binärzählers nach der Erfindung.

Die bistabile Schaltung nach den F i g. 1 und 2 enthält ein Paar transistorisierter Inverter I und 2 und ein Paar logischer Eingangsschaltungen 3 und 4. Die logische Eingangsschaltung 3 besteht aus einem Paar von UND-Schaltungen 5 und 6, deren Ausgänge mit einer ODER-Schaltung 7 verbunden sind. Die ODER-Schaltung 7 ist an den Eingang des Inverters 1 angeschlossen.

Die logische Eingangsschaltung 4 stellt das Spiegelbild der logischen Eingangsschaltung 3 dar und enthält ein Paar von UND-Schaltungen 8 und 9 sowie eine ODER-Schaltung 10. Ein integrierender Kondensator 11 koppelt den Ausgang des Inverters 2 mit dem Ausgang der UND-Schaltung 5. Ein Kondensator 12 koppelt den Ausgang des Inverters I mit dem Ausgang der UND-Schaltung 9.

Die Transistor-Inverter 1 und 2 sind in F i g. 2 als NPN-Transistoren dargestellt. Der Kollektor des Transistor-Inverters 1 ist über einen Widerstand 16 mit dem positiven Pol 15 einer Spannungsquelle und über eine Begrenzerdiode 18 mit dem positiven Pol 17 einer eine geringere Spannung liefernden Spannungsquelle verbunden.

Der Kollektor des Transistor-Inverters 2 ist über einen Widerstand 21 mit dem positiven Pol 20 einer Spannungsquelle und über eine Begrenzerdiode 23 mit dem positiven Pol 22 einer eine geringere Spannung liefernden Spannungsquelle verbunden.

Obgleich die Dioden 18 und 23 für die zuverlässige Arbeitsweise der bistabilen Schaltung nicht notwendig sind, verbessern sie doch die Arbeitsweise der Vorrichtung beim Umschalten wesentlich, indem sie eine genauere Steuerung des Integrationsvorganges im Kondensator sicherstellen.

Die UND-Schaltung 5 für positiven Pegel enthält ein Diodenpaar 24 und 25, das über einen Widerstand 27 mit dem positiven Pol 26 einer Spannungsquelle verbunden ist. Die UND-Schaltung 6 enthält ein Diodenpaar 28 und 29, das über einen Widerstand 31 mit dem positiven Pol 30 einer Spannungsquelle verbunden ist. Die ODER-Schaltung 7 enthält ein Paar von Eingangsdioden 32 und 33, eine Entkopplungs- oder Trenndiode 34 und einen Widerstand 35. Das eine Ende des Widerstandes 35 ist mit der Basiselektrode des Inverters 1 und das andere mit dem negativen Pol 36 einer Spannungsquelle verbunden.

In der logischen Eingangsschaltung 4, die das Spiegelbild der logischen Eingangsschaltung 3 ist, enthält die UND-Schaltung 8 ein Diodenpaar 40 und 41 und einen Widerstand 42. Die UND-Schaltung 9 enthält ein Diodenpaar 43 und 44 und einen Widerstand 45 und die ODER-Schaltung 10 die Eingangsdioden 46 und 47, eine Entkopplungs- oder Trenndiode 48 und einen Widerstand 49. Eine erste Eingangsleitung 51 für positive Signale ist mit den Kathoden der Dioden 24 und 43 verbunden, vorzugsweise über ein Diodenentkopplungsnetzwerk, das aus der Diode 52 und einem Widerstand 53 besteht, der mit dem negativen Pol 54 einer in F i g. 2, nicht aber in F i g. 1 dargestellten Stromquelle verbunden ist.

Eine zweite Eingangsleitung 55 für negative Signale ist mit den Kathoden der Dioden 28 und 40 verbunden.

Es sei angenommen, daß der Inverter I voll leitet

und daß der Inverter 2 nicht leitet. Der Kollektor des Transistors 1 weist Erdpotential auf und dieses Potential wird den Dioden 44 und 41 zugeführt, um ein negatives Potential an der Basis des Inverters 2 zu erzeugen. Der Kollektor des Inverters 2 weist auf Grund der in Durchlaßrichtung gepolten Diode 23 ein etwas weniger positives Potential als +3 Volt auf, und dieses Potential wird den Dioden 25 und 29 und der einen Belegung des Kondensators 11 zugeführt. Es sei weiterhin angenommen, daß der normale Pegel des Eingangssignals auf der Eingangsleitung 51 negativ ist, d. h. daß auf ihr Erdpotential vorliegt und daß der Pegel des Eingangssignals auf der Eingangsleitung55 positiv ist, d.h. +3 Volt beträgt. Die positiven Potentiale, die den Dioden der UND-Schaltung 6 zugeführt werden, bewirken, daß die ODER-Schaltung 7 ein positives Potential der Basis des Inverters 1 zuführt. Es ist ersichtlich, daß die bistabile Vorrichtung sich in einem stabilen Zustand befindet und daß der Kondensator 11 über die Dioden 24 und 23 und den Widerstand 53 aufgeladen wird.

Es sei angenommen, daß der Pegel des Eingangssignals auf der Leitung 51 auf + 3 Volt ansteigt und der Pegel des Eingangssignals auf der Leitung 55 Erdpotential annimmt. Das positiv werdende Signal auf der Leitung 51 wird der Diode 24 zugeleitet. Da der Diode 25 bereits ein positives Potential von dem Inverter 2 zugeleitet wird, beginnt die Ausgangsklemme 60 der UND-Schaltung 5 ein positives Potential anzunehmen. Die Ausgangsklemme 60 befand sich jedoch vorher auf Erdpotential, was dazu führte,

(15 daß der Kondensator 11 auf eine Spannung von 3 Volt aufgeladen wurde. Da der Kondensator 11 entladen werden muß, damit das Potential an der Klemme 60 positiv werden kann, wird dieser positive

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Potentialanstieg durch die der Kapazität des Kon- Eine Anwendungsmöglichkeit der bistabilen Vor-

densators 11 und dem Wert des Widerstandes 27 richtung nach F i g. 2, bei der die Bauteile die unten

entsprechenden Zeitkonstante verzögert. aufgeführten Werte besitzen, zeigt eine zuverlässige

Auf der anderen Seite verursacht das negativ wer- Betriebsweise bei Frequenzen oberhalb von 1 MHz.

dende Signal auf der Leitung 55, daß die Ausgangs- 5 Da die jRC-Zeitkonstanten der Kondensatoren 11

klemme 61 fast augenblicklich Erdpotential an- und 12 so gewählt werden können, daß eine Betriebs-

annimmt. Das Ausgangspotential der ODER-Schal- weise bei den gewünschten hohen Geschwindigkeiten

tung 7 wird jetzt bestimmt durch den Potentialpegel ermöglicht wird, wird die maximale Arbeitsgeschwin-

an der Klemme 60 und den Spannungsabfall an den digkeit zu einem großen Teil durch die Schalt-

Dioden32 und 34 und dem Widerstand 35. Infolge io geschwindigkeit der Transistoren 1 und 2 und ihrer

des nur langsam erfolgenden Potentialanstiegs an der logischen Eingangsschaltungen bestimmt.

Klemme 60 gelangt ein negativer Impuls an die Die im folgenden aufgeführten Werte der Bauteile

Basis des Inverters 1, der damit beginnt, in den sind nur beispielsweise angeführt und stellen keine

nichtleitenden Zustand überzugehen. Beschränkung der Erfindung dar:

Das Kollektorpotential des Inverters I steigt auf 15

+ 3VoIt an, und dieser positive Anstieg wird der Widerstände 16, 21 750 Ω

Diode 44 zugeführt. Es sei daran erinnert, daß der Widerstände 27, 31, 42, 45, 53 2 ΚΩ

positiv werdende Impuls auf der Leitung 51 der , .. ,

Diode 43 zugeleitet wurde. Der Kondensator 12 inte- Widerstände 35, 4y ä ΚΩ

griert den Anstieg der Spannung an der Ausgangs- 20 Kondensatoren 11,12 200 pF

klemme 62 der UND-Schaltung 9 nicht. Dieser Kondensator dient vielmehr dazu, Potentialänderungen F i g. 3 zeigt schematisch einen dreistelligen Binäram Kollektor des Inverters 1 beschleunigt zur zähler, der drei bistabile Vorrichtungen 70, 71 und Klemme 62 zu übertragen. 72 enthält, von denen jede vorzugsweise von der in

Der positive Potentialanstieg am Kollektor des In- 25 F i g. 2 dargestellten Art ist. Eine Eingangssignal-

verters 1 erscheint daher als positiv werdender Im- leitung 73 ist direkt mit der Vorrichtung 70 und mit

puls an der Ausgangsklemme 62 der UND-Schal- einem Inverter 74 verbunden. Der Inverter weist eine

tung 9 und wird über die ODER-Schaltung 10 als Ausgangsleitung 75 auf, der ein zweites, komple-

positives Potential der Basis des Inverters 2 züge- mentäres Eingangssignal der bistabilen Vorrichtung

leitet, der dadurch leitend wird. 30 70 zuführt. Die Leitungen 73 und 75 entsprechen

Die Kollektorelektrode des Transistors 2 nimmt den Leitungen 51 und 55 der F i g. 2.
Erdpotential an. Dieser negativ werdende Impuls Zur Erklärung wird angenommen, daß positive wird der Diode 29, dem Kondensator 11 und der und negative Signalpegel den logischen Bedingun-Diode25 zugeleitet und dieser Impuls gelangt über gen »1« und »0« entsprechen. Es sei weiter angeden Kondensator 11 zu der Klemme 60, um der letz- 35 nommen, daß die positiven Impulse, die der Leitung teren ein wesentlich unter dem Erdpotential liegendes 73 zugeführt werden, gezählt werden. Der gePotential zu erteilen. Es ist zu beachten, daß in die- speicherte numerische Wert der Zählung kann den sem Fall der Kondensator 11 mehr als Kondensator Ausgangsleitungen Yl, YI, YI, Y 2, Y3, Y3... zur beschleunigten Übertragung der Potentialände- entnommen werden,
rung denn als Integrator wirkt. 40 Wenn der erste positive Impuls der Leitung 73 zu-

Das negative Potential an der Klemme 60 stellt geführt wird, um den Zustand der Stufe 70 zu än-

einen sehr raschen Übergang in den nichtleitenden dem, wird das Potential auf den Ausgangsleitungen

Zustand des Inverters 1 sicher. Nachfolgend nimmt Yl und YI positiv bzw. negativ, und dieser Zu-

das Potential an der Klemme 60 innerhalb eines Zeit- stand stellt den Wert 1 dar.

Intervalls, das durch die i?C-Zeitkonstante des Kon- 45 Wenn der zweite positive Impuls der Leitung 73

densators 11 und des Widerstandes 27 bestimmt ist, zugeführt wird, nehmen die Ausgangsleitungen Y1

wieder Erdpotential an. und YI ihre ursprünglich negativen bzw. positiven

Die bistabile Vorrichtung hat nun ihren anderen Pegel wieder an. Der positiv werdende Impuls auf stabilen Zustand angenommen. Die Rückkehr der der Leitung YI ändert den Zustand der Stufe 71, Eingangssignale auf ihre Anfangswerte ändert nicht 50 um das Potential auf den Ausgangsleitungen Y 2 und den stabilen Zustand der Vorrichtung. Wenn das Ύ1 positiv bzw. negativ werden zu lassen, welcher Diodenentkopplungsnetzwerk, das aus der Diode 52 Zustand den numerischen Wert 2 darstellt,
und dem Widerstand 53 besteht, in der Schaltung be- Der dritte Impuls macht das Potential der Ausnutzt wird, dient es dazu, Störsignale mit niedrigem gangsleitungen Yl und YI wieder positiv bzw. nega-Pegel, die am Ausgang der Vorrichtung erscheinen 55 tiv, wodurch diese Ausgangsleitungen den numekönnen, wenn das Eingangssignal auf der Leitung 51 rischen Wert 3 darstellen.

zu seinem Anfangswert zurückkehrt, zu vermindern. Der vierte Impuls läßt das Potential auf den Aus-

Die bistabile Vorrichtung zeigt jedoch auch noch gangsleitungen YI, Y2 und Y3 positiv werden und

eine zuverlässige Betriebsweise, wenn das Dioden- auf den Leitungen Yl, Y 2 und Y3 negativ, um den

entkopplungsnetzwerk entfernt wird. 60 Wert 4 darzustellen.

Da der Inverter 2 und seine logischen Eingangs- Es ist daher ersichtlich, daß die Vorrichtung nach schaltungen das Spiegelbild vom Inverter 1 und von F i g. 3 als ein Binärzähler arbeitet, bei dem Stufen dessen logischen Eingangsschaltungen sind, ist er- 70, 71 und 72 die ersten drei binären Stellen darsichtlich, daß die nächstfolgenden positiv und nega- stellen.

tiv werdenden Impulsflanken auf den Leitungen 51 65 Die Transistor-Inverter 1 und 2 (Fig. 2) können

und 55 den Inverter 2 nichtleitend und den Inverter 1 auch vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sein,

leitend machen, um den stabilen Zustand der Vor- wenn die Dioden und die Betriebsspannungen umge-

richtung zu ändern. polt werden.

Die Kondensatoren 11 und 12 können auch zwischen Erdpotential und den Ausgängen der zugehörigen UND-Schaltungen angeschlossen sein, aber das bevorzugte Ausführungsbeispiel zeigt eine verbesserte Betriebsweise.

In F i g. 2 kann die Zustandsänderung der Vorrichtung auch durch die Rückflanke des Eingangsimpulses auf der Leitung 51 bewirkt werden, indem die Leitungen 51 und 55 normalerweise positives bzw. negatives Potential führen und indem sie mit negativ bzw. positiv werdenden Impulsen beaufschlagt werden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Bistabile Kippschaltung mit zwei über logische Schaltungen rückgekoppelten Invertern, die durch Gleichstromsignale umgeschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang jedes Inverters (1, 2; F i g. 1) parallel mit den ersten Eingängen zweier dem anderen Inverter zugehöriger UND-Schaltungen (5,6 bzw. 8, 9) verbunden ist, deren zweite Eingänge jeweils an eine von zwei Eingangsleitungen (51, 55) angeschlossen sind, auf denen gleichzeitig kornplementäre binäre Eingangssignale vorliegen, daß die Ausgänge der beiden UND-Schaltungen über eine ODER-Schaltung (7 bzw. 10) mit der Steuerelektrode des zugehörigen Inverters verbunden sind und daß zur Sicherstellung eines ordnungsgemäßen Umschaltens der Kippschaltung bei einer Änderung der Amplitude der Eingangssignale in der einen der beiden möglichen Richtungen ein Verzögerungsglied (11, 12) parallel zu der einen (5 bzw. 9) der beiden einem Inverter zugehörigen UND-Schaltungen angeordnet ist, durch das diese Signaländerung verzögert zum Ausgang dieser UND-Schaltung gelangt.

2. Bistabile Kippschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungsglied ein Kondensator dient, der die Verzögerung durch Integration des der UND-Schaltung zugeführten Eingangssignals bewirkt.

3. Bistabile Kippschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Eingangsleitungen über ein Diodenentkopplungsnetzwerk mit den Eingängen der ihr zugeordneten UND-Schaltungen (5, 9) verbunden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1093 412,
971,1178112.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 640OT9 8. 67

Bnndesdnickerei Berlin