DE1282080B - Transistorisierte mehrstufige Inverterschaltung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4MWm> PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al-36/18

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 82 080.3-31 (J 30179)

25. Februar 1966

7. November 1968

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Die Erfindung bezieht sich auf eine transistorisierte mehrstufige Inverterschaltung, die eine Kollektorstufe mit nachfolgender Emitterstufe enthält und bei der die Basis der Kollektorstufe mit dem Kollektor der Emitterstufe zur Vermeidung des Sättigungsbetriebes dieser Stufe über eine Diode verbunden ist.

Beim Übersteuern einer Transistor-Verstärkerstufe, die beispielsweise Bestandteil von booleschen Schaltungen in programmgesteuerten elektronischen Datenverarbeitungsanlagen ist, wird die Basis-Kollektor-Strecke in Durchlaßrichtung betrieben, wodurch die Schaltgeschwindigkeit der Schaltung herabgesetzt wird. Zur Verhinderung der Übersteuerung ist es bekannt, eine Diode zwischen den Ausgang einer zweistufigen Transistor-Verstärkerstufe und deren Eingang zu schalten. Bei Spannungsbedingungen, die mit dem Annähern an die Übersteuerung verbunden sind, wird die Diode leitend und bewirkt eine Gegenkopplung des Eingangssignals und verhindert dadurch die Übersteuerung des zweiten ao Transistors. Der Gegenkopplungskanal, der durch die Diode gebildet wird, kann die Schaltung zu Schwingungen veranlassen. Das wird aus der klassischen Rückkopplungstheorie verständlich, wenn man berücksichtigt, daß die geringen Induktivitäten der as Verbindungsleitungen zwischen den beiden Transistoren bedeutsam sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine transistorisierte mehrstufige Inverterschaltung anzugeben, bei der die Maßnahmen zum Verbinden der Übersteuerung und damit der Herabsetzung der Schaltgeschwindigkeit nicht das Auftreten unerwünschter Schwingungen begünstigen.

Diese Aufgabe wird bei einer transistorisierten Inverterschaltung, die eine Kollektorstufe mit nachfolgender Emitterstufe enthält und bei der die Basis der Kollektorstufe mit dem Kollektor der Emitterstufe zur Vermeidung des Sättigungsbetriebes dieser Stufe über eine Diode verbunden ist, dadurch gelöst, daß ein Widerstand in die den Kollektor der Kollektorstufe mit der Spannungsquelle verbindende Leitung eingefügt ist und daß eine Diode derart zwischen die Kollektoren beider Transistorstufen geschaltet ist, daß ihr Durchlaßstrom den im Kollektorkreis der Kollektorstufe eingefügten Widerstand und die Emitterstufe durchfließt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen; von denen zeigt Transistorisierte mehrstufige
Inverterschaltung

F i g. 1 em
Schaltung,

Schaltbild der erfindungsgemäßen Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk,N.Y.(V.St.A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Busch, Patentanwalt,

7030 Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:
James Borland Atkins,
Pleasant Valley, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 26. Februar 1965
(435466)

Fig. 2 Kurvenverläufe, die für die Beschreibung der Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1 dienen.

In F i g. 1 ist eine Schaltung mit zwei Transistoren 10 und 11 dargestellt, die miteinander verbunden sind, um ein binäres Eingangssignal von einer Schaltung 12 zu empfangen und ein invertiertes Ausgangssignal an der Ausgangsklemme 13 der Schaltung zu erzeugen. Obgleich die Eingangsschaltung 12 nicht zur Erfindung gehört, ist eine bekannte UND-Schaltung in der Zeichnung dargestellt, um die Wirkungsweise der Schaltung nach der Erfindung verständlich zu machen. Die dargestellte Eingangsschaltung enthält eine Mehrzahl von Dioden 20, die zwischen den einzelnen Eingangsklemmen 21 und einem gemeinsamen Verbindungspunkt 22 angeordnet sind, und enthält weiter einen Widerstand 23, der zwischen einem Potentialpunkt 24 und dem Punkt 22 angeschlossen ist, um eine UND-Schaltung zu bilden. Eine Diode 25 verbindet den Punkt 22 mit der Basis 10 b des Transistors 10, um den Basisstrom des Transistors 10 über den Widerstand 23 zuzuführen, wenn jede Eingangsklemme 21 ein Signal mit hohem Pegel empfängt. Ein Widerstand 27 verbindet die Basisklemme 10 b mit einem Punkt eines Bezugspotentials, das als Masse dargestellt ist, um eine bestimmte Spannung an die Basis anzulegen, wenn irgendeine der Eingangsklemmen 21 ein Signal niedrigen Pegels empfängt. Die Diode 25 isoliert das Potential der

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Basisklemme 10 b, wenn der Punkt 22 einen Kollektoren 10 c und 11 c und an der Basis 10 b einer

niedrigen Spannungspegel aufweist, und sie bildet Schaltung ohne die Diode 40 und den Widerstand 33

mit anderen Eingangsschaltungen, die mit der Basis auftreten würden. Um die Erklärung zu vereinfachen

10 b verbunden sein können, eine ODER-Schaltung. und zu verallgemeinern, ist jeder Kurvenverlauf als

Die Eingangsschaltung 10 illustriert eine Eigenschaft S eine reine Sinusschwingung dargestellt, die einem

der meisten Eingangsschaltungen. Die Spannung an Gleichstrompotential überlagert ist. Wie aus der

der Basis 10b fällt, wenn der Strom durch den Fig. 2 qualitativ hervorgeht, ist die Spannung am

Widerstand 23 im Eingangskreis sich erhöht. In der Kollektor 10 c bezüglich der Spannung an der Basis

Schaltung, die nachfolgend beschrieben wird, ist die 10 b invertiert, und sie eilt der Basisspannung etwas

Basis 10 b mit dem Kollektor 11 c des Transistors 11 io nach, da der Transistor 10 nicht augenblicklich auf

verbunden, um die Spannung an der Basis gemäß der die Basisspannung anspricht. Die Spannung am

Spannung am Kollektor zu begrenzen, damit die Kollektor 11 c ist ebenfalls bezüglich der Spannung an

Sättigung verhindert wird. der Basis 10 b invertiert und eilt der Basisspannung

Der Transistor 10 ist in Kollektor-Schaltung ge- um einen Betrag nach, der durch Verzögerungen in schaltet. Seine Basisklemme 10 b ist mit der Ein- 15 der Schaltung mit den Transistoren 10 und 11 begangsschaltung 12 verbunden, ein Widerstand 29 ver- dingt ist. Die Spannung an der Basis 10 b kann auch bindet den Emitter 10 e mit einem Punkt 30, der ein als gegenüber der Spannung am Kollektor 11 c nachgeeignetes Potential aufweist, und der Kollektor 10 c eilend angesehen werden und zwar um einen Betrag, ist mit einem zweiten Punkt 32 eines geeigneten der durch die Verzögerungen in dem Stromkreis der Potentials verbunden. In der dargestellten, speziellen 20 Diode 38 bedingt ist. Die Schaltung schwingt bei einer Schaltung weist der Punkt 30 ein negatives Potential Frequenz, bei der die Verzögerungen, die die Trangegenüber Masse auf. Wenn der Punkt 22 in der Ein- sistoren 10 und 11 zwischen der Basis 10 b und dem gangsschaltung einen niedrigen Spannungspegel auf- Kollektor lic verursachen, bezüglich der Verzögeweist, leitet der Transistor 10 bei niedrigem Pegel, rung, die die Diode 38 zwischen dem Kollektor 11 c wobei seine Emitter-Elektrode 10 e ein gegenüber 25 und der Basis 10 b verursacht, einer halben Schwin-Masse schwach negatives Potential aufweist. gungsperiode entsprechen. (Darüber hinaus muß die

Gemäß der Erfindung verbindet ein Widerstand 33 Schleifenverstärkung bei dieser Frequenz zumindest 1

die Kollektor-Elektrode 10 c mit dem Punkt 32. Der betragen.)

Widerstand 33 bewirkt, daß der Kollektorstrom in Wenn die Spannung am Punkt 22 der Eingangseine proportionale Spannung (Abfall) am Kollektor 30 schaltung ansteigt, steigt auch die Spannung an der

10 c umgewandelt wird. Wie später erklärt wird, be- Basis 10 b an, und die Spannung am Kollektor lic wirken Spannungsänderungen am Kollektor 10 c an verringert sich entsprechend den Verzögerungen, die der Basis 10 b eine scheinbar erhöhte Kapazität. bereits beschrieben wurden. Wegen dieser Verzöge-

Der zweite Transistor U ist in üblicher Emitter- rangen schwingt die Spannung an der Basis 10 b über schaltung geschaltet, um den am Emitter 10 e auf- 35 den Gleichstrompegel hinaus, und die Spannung am tretenden Kurvenverlauf an seinem Kollektor 11 c in Kollektor 11 schwingt in negativer Richtung über, beden invertierten Kurvenverlauf umzuwandeln. Sein vor die Diode 38 leitend wird und ihren Strom geEmitter ist mit einem Punkt des Bezugspotentials, nügend erhöht, um das Ansteigen der Spannung an nämlich Masse verbunden, die Basis 11 b ist mit dem der Basis 10 b zu begrenzen. Wegen des Überschwin-EmitterlOe des Transistors 10 verbunden, und ein 40 gens der Spannung am Kollektor lic in negativer Widerstand 35 verbindet den Kollektor 11 c mit Richtung wird die Diode wirksam, um die Spannung einem Punkt 32 eines geeigneten Potentials. an der Basisklemme 10 b unter den Gleichstrompegel

Eine Diode 38 verbindet den Kollektor 11 c mit zu bringen. Auf Grund der fallenden Spannung an

der Basis 10 b. Die Diode 38 ist so angeschlossen, der Basis 10 b schwingt die Spannung am Kollektor

daß sie, wenn sie leitet, in Serie mit dem Transistor 45 11 c über den Ruhepegel hinaus. In Schaltungen ohne

11 liegt, um die Sättigung zu verhindern. den Widerstand 33 oder die Diode 40 dauern solche Gemäß der Erfindung ist eine Diode 40 zwischen Schwingungen an und zerstören den Informations-

den Kollektoren 10 c und 11 c so angeordnet, daß inhalt des gewünschten Spannungspegels an der Aus-

der beim Betrieb in Durchlaßrichtung sie durch- gangsklemme 13.

fließende Strom auch durch den Widerstand 33 und 50 . Der Beitrag der Diode 38 zu dem Schwingungs-

den Emitter-Kollektorkreis des Transistors 11 fließt. zyklus kann folgendermaßen zusammengefaßt wer-

Der Widerstand 33 und die Diode 40 sorgen für einen den: Da die Diode 38 allmählich leitend wird,

selektiven Miller-Effekt, um das Ansprechen der schwingt die Spannung an der Basis 10 b über. Da

Schaltung während eines Teiles des Schwingungs- das Nichtleitendwerden der Diode verzögert wird,

zyklus zu verlangsamen und das Ansprechen in einem 55 schwingt die Spannung an der Basis 10 & in negativer

anderen Teil des Zyklus zu beschleunigen. Die Wir- Richtung über. Die Wirkung der Verzögerungen der

kungsweise der Schaltung wird in der nachstehenden Diode 38 wird verstärkt, wenn die Spannung an der

Reihenfolge erläutert: Basis 10 b während des Überschwingens schnell an-

Zuerst wird eine kurze Erklärung gegeben, warum steigen kann, und der mit dem späteren Nichtleitenddie Schaltung ohne den Widerstand 33 und die Diode 60 werden der Diode verbundene Effekt wird verstärkt, 40 schwingt. Dann folgt eine Erklärung der Wir- wenn die Spannung an der Basis 10 b langsam abkungsweise des Ansprechens der Schaltung zu ver- sinkt. Der Erklärung der Schaltung nach der Erfinschiedenen Zeitpunkten in einem Schwingungszyklus, dung vorgreifend wird bemerkt, daß der Widerstand darauf ein Rückblick auf den Miller-Effekt und eine 33 und die Diode 40 zusammenwirken, um das AnErklärung, wie dieser Effekt selektiv gemacht wird, 65 sprechen der Schaltung zu verlangsamen, wenn die um das Ansprechen der Schaltung zum Unterdrücken Spannung an der Basis 10 & ansteigt, und das Anvon Schwingungen zu ändern. sprechen der Schaltung zu beschleunigen, wenn die

F i g. 2 zeigt die Schwingungsverläufe, die an den Spannung an der Basis 10 b abfällt. Diese Bauele-

mente sorgen für diese Arbeitsweise auf Grund des bekannten Miller-Effekts, der nachfolgend zusammengefaßt wird.

Ein Transistor weist eine ziemlich kleine Kapazität zwischen Basis und Kollektor auf. Der Widerstand 33 erzeugt Spannungsänderungen an dem Kollektor 10 c, die auf Grund der normalen Inverterwirkung gegenphasig zu den Spannungsänderungen an der Basisklemme 10 b verlaufen. Das hat die Wirkung, daß die Kapazität zwischen Basis und Kollektor vergrößert wird. Ein Weg, das zu verstehen, besteht darin, die Kapazität als das Verhältnis von Ladung zu Spannung zu betrachten. Wenn daher die Spannung am Kollektor sich gegenphasig zu Änderungen an der Basis ändert, muß die Eingangsschaltung 12 mehr Ladungen liefern, um die erforderliche Spannungsänderung an der Basis zu erzeugen. Die Änderungen der Kollektorspannung können im Hinblick auf die Änderungen an der Basisspannung auf Grund der den Widerständen 29 und 33 gegebenen Werte groß gemacht werden, so daß der Widerstand 33 die Basis-Kollektor-Kapazität um die Verstärkung des Transistors vervielfacht. Wenn die Diode 40 nicht leitet, bedingt der Widerstand 33 an der Basis 10 b einen hohen Kapazitätswert auf Grund des Miller-Effekts. Wenn die Diode 40 leitet, begrenzt sie die Spannungsänderungen am Kollektor 10 c und verhindert dadurch den Miller-Effekt. Wie als nächstes erklärt wird, wird die Diode 40 leitend und nichtleitend, um die Basis 10 b von einer hohen Kapazität auf eine niedrige zu bringen, um in geeigneter Weise das Ansprechen der Schaltung zu beschleunigen und zu verlangsamen, damit Schwingungen verhindert werden.

Wie F i g. 2 zeigt, tritt die maximale Spannung zwischen den Klemmen 10 c und 11 c im Bereich der Täler des Kurvenverlaufs an der Klemme 11 c auf, d. h. im Bereich der maximalen Amplitude und dem fallenden Teil des Kurvenverlaufs an der Basis 10 b. Daher bewirkt während eines bedeutenden Teiles des ansteigenden Spannungsverlaufs an der Klemme 10 b der Widerstand 33 den Miller-Effekt, der das Ansprechen der Schaltung verlangsamt und dadurch dazu beiträgt, dem Überschwingen an der Basis entgegenzutreten. Während eines bedeutenden Teiles des fallenden Spannungsverlaufs an der Basis 10 b unterdrückt die Diode 40 den Miller-Effekt und beschleunigt das Ansprechen der Schaltung, um dem Uberschwingen in negativer Richtung an der Klemme 11 c entgegenzutreten.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   ao Transistorisierte Inverterschaltung, die eine

   Kollektorstufe mit nachfolgender Emitterstufe enthält und bei der die Basis der Kollektorstufe mit dem Kollektor der Emitterstufe zur Vermeidung des Sättigungsbetriebes dieser Stufe über eine Diode verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (33; Fig. 1) in die den Kollektor der Kollektorstufe mit der Betriebsspannungsquelle verbindende Leiturig eingefügt ist und daß eine Diode (40) derart zwisehen die Kollektoren beider Transistorstufen geschaltet ist, daß ihr Durchlaßstrom den im Kollektorkreis der Kollektorstufe eingefügten Widerstand und die Emitterstufe durchfließt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   809 630/964 10.68 O Bundesdruckerei Berlin