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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Durchführung logischer Funktionen
zur Erzielung hoher Schaltgeschwindigkeiten und einer geringen Verlust leistung
mit einer Vielzahl von Eingangsklemmen, die mit einem gemeinsamen Punkt verbunden
sind, an dem ein resultierendes Signal als Folge von an den Eingangsklemmen angeschalteten
binären Eingangssignalen auftritt, mit einer ersten steuerbaren Halbleiterschalteinheit,
welche zwischen einem Zustand niedriger Impedanz und einem Zustand hoher Impedanz
als Folge von Änderungen der Binärsignalwerte veränderbar ist, mit einer Ausgangsschaltungsanordnung,
welche mit der Halbleiterschalteinheit verbunden ist und auf deren Schaltzustand
anspricht, und mit einem Stromversorgungspfad, über welchen die Ausgangsschaltungsanorrlnung
bei Betrieb an eine Betriebsspannungsquelle angeschaltet ist.
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Die Erfindung bezieht sich besonders auf Halbleitergatter, für deren
Konstruktion hohe Geschwindigkeiten und geringer Energieverlust maßgebend sind.
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Gatterschaltungen für digitale Systeme sind allgemein derart ausgebildet,
daß sie von vorangehenden Stufen eine Mehrzahl von Eingangssignalen empfangen und
von diesen abhängige Ausgangssignale erzeugen, die eine oder mehrere nachfolgende
Stufen treiben. Die Anzahl der von den vorangehenden Stufen empfangenen Eingangssignale
wird allgemein als Eingabefächer (fan-in), die Zahl der zu treibenden nachfolgenden
Stufen als Ausgabefächer (fanout) bezeichnet. Die Gatter arbeiten in einem Ein-Aus-Modus
und stellen beispielsweise eine binäre »Eins«- und eine binäre »Null«-Information
dar.
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Ein weltverbreiteter Typ einer logischen Schaltung ist das NAND-Gatter
(negierendes Und-Gatter), das so arbeitet, daß es Eingangssignale empfängt und einen
Ausgang »Eins« liefert, wenn eines oder mehrere der Eingangssignale eine »Null«
sind, daß es dagegen einen »Null«-Ausgang nur liefert, wenn alle Eingangssignale
»Eins« sind. In dem DTL- (Diode-Transistor-Logik-) NAND-Gatter bestimmt die Kombination
der an die Dioden angelegten Eingangssignale den leitenden oder nichtleitenden Zustand
des Transistors des Gatters. Das Gatter ist an eine zweckmäßige Potentialquelle
für das Arbeitspotential angelegt, die einen vorgegebenen Strom an die Basis des
Transistors liefert, um die nachfolgenden Stufen zu treiben. Um die Möglichkeit
eines großen »Ausgabefächers« zu haben und mit hoher Geschwindigkeit arbeiten zu
können, muß dieser Strom relativ hoch sein. Wenn man jedoch das Gatter für einen
hohen Strom anlegt, erhöht sich auch die durch Umwandlung in Wärme verlorengehende
Energie, und dies ist höchst unerwünscht, besonders dann, wenn das Gatter mittels
der Technik der integrierten Schaltungen hergestellt wurde, bei der die Halbleiterelemente
auf einer Halbleiterplatte gebildet sind. Der unerwünschte, übergroße Energieverlust
kann eine starke Erhitzung zur Folge haben, die die richtige Funktion verändert
oder zerstört. Wenn der Transistor des Gatters sperrt, gelangt der Strom durch eine
Diode zu einer vorangehenden Stufe, was einen weiteren unerwünschten Energieverlust
bedeutet.
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Hauptaufgabe der Erfindung ist es, logische Schal- i tungen vorzusehen,
die mit möglichst hohen Geschwindigkeiten arbeiten und in denen der Energieverlust
durch Umwandlung in Wärme wesentlich herabgesetzt ist, die sich demnach besonders
zur Herstellung mittels der Verfahren der integrierten Schaltungen eignen.
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Diese Aufgabe ist grundsätzlich dadurch gelöst, daß in dem Stromversorgungspfad
eine zweite steuerbare Halbleiterschalteinheit vorgesehen ist, welche von dem gemeinsamen
Punkt aus gesteuert ist und als Folge des übergangs von einem Binärsignalzustand
an dem gemeinsamen Punkt in den jeweils anderen Binärzustand einen Zustand niedriger
Impedanz annimmt, derart, daß die Ausgangsschaltanordnung bei einem Übergang der
ersten Schalteinheit von ihrem einen Impedanzzustand in den anderen einen momentanen
Stromstoß erhält.
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Das Gatter arbeitet derart, daß während stetiger Betriebszustände,
d. i. im Ruhezustand, ein relativ niedriger Strom fließt und dementsprechend der
Energieverlust durch Joulesche Wärme vermindert wird. Während des übergangszustandes
von einer Betriebsweise zur anderen wird jedoch ein relativ hoher Stromstoß vorgesehen,
um die Arbeitsgeschwindigkeit zu steigern.
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Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt F i g.1 eine NAND-Gatterschaltung, wie
sie zum Stand der Technik gehört, F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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F i g. 1 zeigt ein NAND-Gatter 10, dessen Ausgangssignal in die nachfolgenden
NAND-Gatter 11, 12 und 13 eingegeben wird, die einen »Ausgabefächer« von drei darstellen;
je nach den konstruktiven Gegebenheiten kann für das System auch ein größerer »Ausgabefächer«
vorgesehen werden.
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Das DTL-NAND-Gatter 10 weist mehrere Eingangsdioden 15, 16
und 17 auf, deren Anoden zu einem gemeinsamen Punkt 20 zusammengeführt sind.
An eine Quelle für das Arbeitspotential V+ ist ein Widerstand 22, der einen Vorwiderstand
darstellt, angeschlossen. Das Gatter 10 enthält ferner einen Transistor 25, dessen
Basis mit dem gemeinsamen Punkt 20 über eine Diode 28 verbunden ist. Wenn einer
der Dioden ein Null-Signal zugeführt wird, beispielsweise der Diode 15, leitet diese,
und der Strom 1i fließt durch den Widerstand 22 und durch die Diode 15 zurück zur
vorgeschalteten Stufe. Die an dem Punkt 20 auftretende Spannung stellt ein Null-Signal
dar und kann in der Praxis gleich dem Spannungsabfall über der Diode und der Kollektor-Emitter-Spannung
V" eines Transistors einer vorgeschalteten Stufe sein. Die Spannung an dem Punkt
20 ist für Siliziumhalbleiter in der Größenordnung von 0,8 Volt. Der Spannungsabfall
von 0,8 Volt an der Diode 28 reicht nicht aus, um den Transistor 25 umzuschalten,
dessen Sperrzustand an der Ausgangsleitung 30 ein Eins-Signal darstellt.
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Wenn alle Eingangssignale an dem Gatter 10 hoch, d. h. Eins sind,
werden die Dioden 15, 16 und 17 gesperrt, die Spannung an dem gemeinsamen Punkt
20 steigt an, und ein Strom 12 fließt von der V, -Quelle durch den Widerstand 22
und die Diode 28 und wird zum Basisstrom für den Transistor 25. Grundsätzlich gilt,
je größer der Basisstrom, desto größer ist der Kollektorstrom und daher auch die
Leistungsfähigkeit bezüglich des Ausgabefächers. Außerdem erhöht ein größerer Strom
die Schaltgeschwindigkeit des Gatters. Wenn ein Basisstrom fließt, liefert jedes
der nachfolgenden Gatter 11, 12 und 13 einen Teil des
Kollektorstroms
des Transistors 25, wobei jeder Anteil gleich 1@/f 0 ist, wenn
1, den Kollektorstrom des Transistors 25 und f 0 die Ausgabefächerzahl
bedeutet. Der Strom 1@/f 0 ist gleich dem Strom hin dem Gatter
10. Dieser Strom, der durch einen entsprechenden Vorwiderstand zu einer vorgeschalteten
Stufe fließt, stellt einen großen Energieverlust dar. Das heißt, es besteht offensichtlich
eine Situation, bei der für gewisse Beanspruchungen ein großer Strom erwünscht ist,
um die Geschwindigkeit und die Ausgabeleistungsfähigkeit zu steigern, für andere
Beanspruchungen dagegen ein niedriger Strom gewünscht wird, um den Energieverlust
herabzusetzen. Die Erfindung schafft nun ein NAND-Gatter, das mit erhöhten Geschwindigkeiten
arbeitet, dabei aber einen relativ geringen Energieverlust aufweist.
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F i g. 2 zeigt ein nach der Lehre der Erfindung konstruiertes NAND-Gatter.
Das Gatter weist Eingangs-Halbleitereinheiten in der Form von Dioden 34, 35 und
36 auf, deren Anoden zu einem gemeinsamen Punkt 40 geführt sind. Jede solche
Halbleitereinheit empfängt binäre Eingangssignale an ihrer Kathode. Weiter sind
zwei Transistoren 43 und 44 vorgesehen, deren Emitterelektroden mit einem Bezugspotential,
beispielsweise Erde, verbunden sind und deren Basiselektroden miteinander verbunden
und über eine Diode 46 zu dem gemeinsamen Punkt 40 geführt sind. Beide Transistoren
arbeiten gleichlaufend und leiten oder sperren je nach der an dem gemeinsamen Punkt
40 auftretenden Spannung. Die Kollektorelektrode des Transistors 44 ist mit einer
Ausgangsanschlußstelle 48 verbunden, an der die Ausgangsleitung 49 liegt. Die an
der Ausgangsleitung 49 auftretenden Spannungen hängen generell von den konstruktiven
Einzelheiten der Schaltung ab, etwa den Spannungsquellen, Widerständen, verwendeten
Transistortypen, und in hohem Maß auch von der nachfolgenden Schaltung, die die
Ausgangssignale empfängt. Der Ausdruck binäre Signale soll hierin ein Null-Signal
bedeuten, das für Siliziumtransistoren gleich dem Erdpotential oder etwa 0,2 Volt
über dem Erdpotential ist, und ein Eins-Signal, das eine höhere Spannung hat, die
etwa bei 0,6 Volt und höher liegt, je nach den Parametern der Schaltung.
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Obwohl die F i g. 2 im Hinblick auf eine positive Logik beschrieben
wird, läßt sich der Erfindungsgedanke jedoch auch für eine negative Logik anwenden,
wenn, wie dies dem Fachmann geläufig ist, die Transistortypen neu angeordnet werden
und das Gatter an eine negative Potentialquelle angelegt wird.
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Um während der übergangsperiode, wenn die Transistoren 43 und 44 in
den Sperrzustand umschalten, einen großen Stromstoß zu erzielen, ist ein dritter
Transistor 52 vorgesehen, dessen Emitter mit der Ausgangsanschlußstelle 48 verbunden
ist und dessen Basis an der Kollektorelektrode des Transistors 43 liegt.
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Ein erster bestimmter Strom wird einer vorgeschalteten Stufe oder
den Basiselektroden der Transistoren 43 und 44 durch einen ersten Widerstand 54
zugeführt, der an einer passenden Quelle für das Arbeitspotential V+ liegt. Ein
zweiter Widerstand 56 ist einerseits mit V.. und andererseits mit der Basis des
Transistors 52 und dem Kollektor des Transistors 43 verbunden. Ein dritter Widerstand
58 verbindet den Kollektor des Transistors 52 mit V,.. Relativ gesehen ist der Wert
der Widerstände 54 und 56 sehr viel größer als der Wert des Widerstandes 58. Als
Beispiel kann in einer speziellen Schaltung der Wert des Widerstandes 54 22 000
Ohm, der Wert des Widerstandes 56 5000 Ohm und der Widerstand 58 240 Ohm haben.
Der hohe Wert des Widerstandes 54 stellt sicher, daß ein relativ niedriger Strom
zugeführt wird aus Gründen der geringeren Wärmeverluste, wogegen ein zweiter, sehr
viel höherer Strom durch die Kombination des Transistors 52 und des niedrigen Widerstandes
58 zustande kommt aus Gründen der hohen Arbeitsgeschwindigkeit.
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Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise des NAND-Gatters der F i
g. 2 sei angenommen, daß das Gatter mehrere nachfolgende Stufen treibt, die durch
die an die Ausgangsleitung 49 angelegte kapazitive Belastung in Form eines Kondensators
60 dargestellt werden sollen. Der bestimmte Wert der von dem Kondensator 60 dargestellten
Kapazitäten hängt natürlich von der Anzahl und der Art der nachfolgenden Ausgangsfächerstufen
ab.
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Zuerst sollen die Bedingungen des Ruhezustandes betrachtet werden.
Wenn an allen Dioden 34, 35 und 36 Eins-Eingänge liegen, ist die Spannung an dem
gemeinsamen Punkt 40 hoch, und die Transistoren 43 und 44 befinden sich in ihrem
leitenden Zustand. Der Basisstrom für die Transistoren 43 und 44 wird von V+ durch
den Widerstand 54 und die Diode 46 zugeleitet. Wie bereits erwähnt, ist dieser Strom
auf Grund des hohen Wertes des Widerstandes 54 relativ niedrig, so daß der Energieverlust
durch Umwandlung in Wärme möglichst gering gehalten wird. Der Kollektorstrom für
den Transistor 43 wird durch die Kombination von V.. und dem Widerstand 56 geliefert,
und dieser Strom ist ebenfalls niedrig, um den Energieverlust gering zu halten.
Wenn die Transistoren 43 und 44 leitend sind, befindet sich die Spannung ihrer Kollektoren
auf oder nahe am Erdpotential. Der Transistor 52, der ja auf die Kollektorspannung
am Transistor 43 anspricht, bleibt in seinem Sperr- oder nichtleitenden Zustand,
da seine Basisspannung (d. i. die Kollektorspannung des Transistors 43) zu niedrig
ist, um den Transistor 52 einzuschalten. Bei den der Beschreibung zugrunde liegenden
Siliziumtransistoren und für den dargestellten npn-Transistor muß die Spannung an
der Basiselektrode ungefähr 0,6 Volt höher sein als die Spannung an der Emitterelektrode.
Der Kollektorstrom für den Transistor 44 fließt aus nachgeschalteten Stufen in die
Leitung 49, etwa aus solchen, wie in F i g. 1 dargestellt. Erscheint an irgendeiner
der Eingangsdioden 34,
35 oder 36 ein Null-Signal oder ein niedriges Signal,
dann hat die Spannung an dem gemeinsamen Punkt 40 nur einen geringen Wert, die Transistoren
43 und 44 befinden sich in ihrem ausgeschalteten oder nichtleitenden Zustand, und
von V, wird über den Widerstand 54 nur ein relativ niedriger Strom zurück durch
die das Null-Signal empfangende Diode zu einer vorangehenden Stufe geschickt. Die
Spannung an dem Kollektor des Transistors 44 befindet sich auf ihrem Eins-Wert,
bedingt durch Art und Wert der Bestandteile der nachfolgenden Stufen. Die Schaltung
ist derart ausgelegt, daß die Spannung an dem Kollektor des Transistors 43, die
zur Basis des Transistors 52 weitergeleitet wird, nicht ausreicht, um den Transistor
52 im Ruhezustand in seinen Durchlaßzustand umzuschalten.
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Während des Ruhezustands fließt demnach durch den niedrigen Widerstand
58 oder den Transistor 52
kein Strom; die Ströme, die auf Grund
der verschiedenen, Signalkombinationen an den Eingangsdioden fließen, sind relativ
niedrig, da die Widerstände 54 und 56 einen relativ hohen Wert haben. Auf diese
Weise wird der Energieverlust durch Umwandlung in Wärme auf einem Minimum gehalten.
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Der Transistor 52 und der über ihn zugeführte Strom kommen während
der übergangsperiode ins Spiel; wenn das Gatter sich gerade im Vorgang des Umschaltens
befindet. Beispielsweise sei angenommen, daß alle Eingänge an den Dioden 34, 35
und 36 hoch (Eins) sind und der Transistor 44 sich in seinem leitenden Zustand befindet.
Die Spannung an der Leitung 49 hat den niedrigen oder Null-Wert und ist gleich dem
Spannungsabfall am Transistor 44 vom Kollektor zum Erdpotential. Da der Belastungskondensator
60 zwischen der Ausgangsleitung 49 und Erde liegt, ist die Spannung über ihm gleich
der niedrigen Spannung des Null-Wertes. Während des Umschaltvorganges geht die Spannung
an der Ausgangsleitung 49 in ihren hohen oder Eins-Wert über, und demzufolge ändert
sich auch die Spannung an der Belastungskapazität 60 auf den Eins-Wert. Die Ladungsänderung
an dem -Kondensator 60 ist eine Funktion der Kapazität, der Spannungsänderung über
dem Kondensator, des Wertes des treibenden Stromes und der Zeitdauer, während welcher
der treibende Strom angelegt wird.
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Der äquivalente Wert der Kapazität kann aus der Beschaffenheit der
nachfolgenden Schaltanordnung bestimmt werden. Die Spannungsänderung am Kondensator
ist bekannt; sie ist die Differenz zwischen dem Null-Wert und dem Eins-Wert. Mathematisch
gilt: d Q - C d V, worin d Q die Änderung der Ladung am Kondensator,
C den Wert des Kondensators und d V die Spannungsänderung am Kondensator
bedeutet. Es gilt jedoch: d Q = I d T, worin 1 der Ladestrom und
d T die zur Aufladung des Kondensators erforderliche Zeit ist. Aus dieser
Relation ist ersichtlich, daß bei einem bekannten d Q die zur Ladung des
Kondensators erforderliche Zeit (d T) herabgesetzt werden kann, indem man
den Wert des Stromes 1 erhöht. Eine verringerte Ladezeit für den Kondensator bedeutet,
daß die Umschaltung von einem Null-Wert auf einen Eins-Wert mit einer größeren Geschwindigkeit
erfolgt. Der Transistor 52 in Verbindung mit dem Widerstand 58 und der Spannung
V+ liefert diesen relativ hohen Stromwert, um d T herabzusetzen, d. h. um
damit die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen. Diese Funktion geht folgendermaßen vor
sich: Angenommen, zu einem Zeitpunkt kurz vor dem übergang stelle die Spannung an
der Leitung 49 eine Null dar und die Spannung an der Basis des Transistors 52 halte
diesen in einem nichtleitenden Zustand. Wenn nun eines oder m_e ; rere der Ausgangssignale
in eine Null umkehren, beginnen die Transistoren 43 und 44 sich in den nichtleitenden
Zustand umzuschalten. Wenn der Transistor 43 in seinen Sperrzustand umschaltet,
steigt die Spannung an seinem Kollektor an und gelangt zur i Basis des Transistors
52. Die Null-Spannung an dem Kondensator 60 liegt an der Emitterelektrode des Transistors
52, und die Spannungszustände an der Basis und dem Emitter des Transistors 52 sind
nun derart, daß der Transistor leitend wird. Mit einem i eingeschalteten oder leitenden
Transistor 52 wird auf Grund des niedrigen Wertes des Widerstandes 58 ein relativ
hoher Strom an die Ausgangsanschlußstelle 48 herangeführt, und dieser Strom lädt
die dem Kondensator 60 äquivalente Belastung auf den Eins-Wert auf. Wenn
der Kondensator 60 durch den von dem Transistor 52 gelieferten großen Stromstoß
auf den Eins-Wert aufgeladen ist, sind die Spannungszustände an dem Emitter und
der Basis des Transistors 52 derart, daß dieser in seinen nichtleitenden Zustand
umgeschaltet wird. Folglich steht während der übergangsperiode, wenn die Transistoren
43 und 44 gleichzeitig nichtleitend werden, um das Null-Ausgangssignal in ein Eins-Ausgangssignal
umzuschalten, momentan ein großer Stromstoß zur Verfügung, der auf dem Weg von V+
durch den Widerstand 58 und durch den Transistor 52 fließt, um die dem Kondensator
60 äquivalente Belastung aufzuladen. Allgemein gilt, je größer der Wert dieses Stromes
ist, desto schneller wird der Kondensator aufgeladen, und dies bedeutet eine wesentliche
Steigerung der Operationsgeschwindigkeit. Da der große Stromstoß nur momentan angelegt
wird, tritt auch nur für einen Moment ein erhöhter Energieverlust durch Umwandlung
in Wärme ein, bis die Schaltanordnung wieder in ihren Ruhezustand zurückgekehrt
ist.
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Die Schaltanordnung der F i g. 2 ist ausgeführt worden. Sie enthält
eine- Spannungsquelle V.,. von 2,5 Volt und Widerstände 54, 56 und 58 mit den obenerwähnten
Werten 22 000, 5000 und 240 Ohm. Die Transistoren 43, 44 und 52 waren 2N708's. Drei
solche NAND-Gatter waren in Ringanordnung verbunden und entwickelten eine Laufzeitverzögerung
von ungefähr 25 Nanosekunden bei einem mittleren Energieverlust von etwa 1 Milliwatt.
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Zwar wurden 2N708-Transistoren in der Brettschaltung verwendet, die
Schaltanordnung der F i g. 2 eignet sich jedoch vorzüglich zur Herstellung mittels
der integrierten Schaltungstechnik.
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Es wurde somit ein NAND-Gatter geschaffen, das zu hohen Schaltgeschwindigkeiten
befähigt ist, dabei aber eine insgesamt niedrige Verlustleistung aufweist. Dies
wird dadurch erreicht, daß während der Übergangsperiode, wenn das Gatter umschaltet,
ein großer Stromstoß vorgesehen wird, wogegen während der übrigen Zeit sehr niedrige
Ströme in der Schaltanordnung fließen.