DE1464340C3 - Binärer Schaltkreis mit einem Kopplungstransistor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen binären Schaltkreis nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bisher sind zur Erzielung einer Kopplungsfunktion

b^r> zwischen zwei binär arbeitenden, d. h. zwischen zwei schaltenden Transistoren, wie sie insbesondere in logischen Schaltungen vielfach enthalten sind, die direkte Kopplung, die Diodenkopplung, die Widerstandskopplung und die Widerstands-Kondensatorkopplung bekannt. Die bekannten Kopplungen haben eine Reihe von Nachteilen.

Die einfachste Kopplung, nämlich die direkte Kopplung mittels einer unmittelbaren Leitungsverbindung wurde in den frühen Tagen des Germanium-Transistors entwickelt, aber weitgehend abgelehnt, da sie eine relativ genaue Einhaltung der Transistor-Parameter verlangte, die in wirtschaftlicher Weise nicht erzielbar war. Bei den neueren Silicium-Transistoren ist zwar die direkte Kopplung wieder interessanter geworden, da die Silicium-Transistoren größere Einschalt- und Ausschaltspannungen besitzen und sich ihre Parameter auf Grund der Diffusionstechnik bei der Herstellung genauer einhalten lassen. Letzteres kann aber nur mit einem Verlust an Ausbeute, insbesondere bei den integrierten Schaltungen, erreicht werden. Hierbei ist der kritischste Transistor-Parameter die Basis-Emitter-Einschaltspannung. Nachteilig ist ferner, daß die direkte Kopplung keine Freiheit beim Schaltungsentwurf gestattet.

Eine der wichtigsten Forderungen, die an einen Schaltkreis gestellt werden, besteht darin, daß der Schaltkreis keine merkliche Verzögerung beim Schaltvorgang vom Eingang zum Ausgang erzeugt, also eine hohe Schaltgeschwindigkeit hat. Durch die Widerstandskopplung wird die Schaltgeschwindigkeit auf einen relativ niedrigen Wert begrenzt, weshalb die Widerstandskopplung z. B. für Rechenautomaten hoher Geschwindigkeit nicht brauchbar ist. Die Widerstands-Kondensatorkopplung ist zwar in bezug auf die Schaltgeschwindigkeit etwas besser als die Kopplung durch Widerstände allein, dennoch ist auch bei ihr die Schaltgewindigkeit begrenzt. Außerdem toleriert sie keine Anpassungs-Fehler. Bei beiden Kopplungsarten treten unerwünschte Leistungsverluste in den der Kopplung dienenden Widerständen auf.

Bei einer Diodenkopplung läßt sich eine hohe Schaltgeschwindigkeit nur durch ausgewählte oder sehr sorgfältig hergestellte Dioden-Anordnungen erzielen, die eine sehr kurze Erholungszeit haben. Eine kurze Erholungszeit ist entscheidend für eine geringe Verzögerung im Schaltkreis. Eine Kopplung mit zwei anti-parallelgeschalteten Dioden ist besonders empfindlich gegenüber einer Fehlanpassung.

Alle bekannten Kopplungsarten erfordern besondere Lastimpedanzem im Schaltkreis, was die Zahl der erforderlichen Bauelemente relativ groß macht. Besonders hoch ist die Zahl der erforderlichen Bauelemente, wenn eine Mehrfachkopplung verwirklicht werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen sehr schnell arbeitenden und gegenüber Anpassungsfehlern unempfindlichen Schaltkreis für binärarbeitende Transistorschaltungen zu schaffen, der einfach ausgebildet und in Form integrierter Schaltungen einfach herstellbar ist.

Der diese Aufgabe lösende binäre Schaltkreis ist durch die Merkmale a—c des Anspruches 1 gekennzeichnet.

Unter dem Ausdruck ausschließlich ein Merkmal a ist zu verstehen, daß den angegebenen Elektroden keine zusätzlichen Spannungen/Ströme zugeführt sind.

Der erfindungsgemäße Schaltkreis hat die wesentliche Eigenschaft, daß der Kopplungstransistor durch die Konstantstromquelle einen Basisstrom eingeprägt er-

hält, durch den der Kopplungstransistor stets in der Sättigung leitend ist Je nach Leitzustand des ersten Transistors, von dem ein binäres Signal auf einen zweiten gekoppelt werden soll, bildet der Basisstrom des Kopplungstransistors entweder den Emitter- oder > Kollektorstrom des ersten Transistors oder den Basisstrom des zweiten Transistors. Entsprechend dem ununterbrochen gleichsinnigen Stromfluß des Basisstromes des Kopplungstransistors ist dessen Basis in bezug auf den Kollektor stets in Durchlaßrichtung vorge- ι ο spannt, wodurch die in der Kollektorzone anwesenden Minoritätsträger eine praktisch konstante Gesamtladung haben. Es tritt höchstens eine sehr geringe Änderung der durch die Minoritätsträger gegebenen Ladungsverteilung in der Basis- und der Kollektorzone ι ^r> während eines Schaltvorganges ein. Da also eine Trägerspeicherung im Basisstrom des Kopplungstransistors nicht wirksam werden kann, hat der erfindungsgemäße Schaltkreis sehr kurze Schaltzeiten, die wesentlich niedriger als bei einer Widerstands- oder Widerstands-Kondensatorkopplung sind und in der Größenordnung der mit der Diodenkopplung erzielbaren Schaltzeiten liegen. Hierbei kommt es jedoch im Gegensatz zur Diodenkopplung nicht auf die der Erholungszeit der Dioden entsprechende Speicherzeit des Kopplungstran- 2 > sistors, nämlich die zum Abbau der Sättigung des Transistors erforderliche Zeit an, da sich, wie ausgeführt, die Gesamtladung an Minoritätsträgern im Transistor durch den Schaltvorgang nicht ändert, wie es bei Dioden als Kopplungsmittel der Fall ist. Obwohl es jo schwierig ist, die obige Hypothese über den Wirkungsmechanismus des erfindungsgemäßen Schaltkreises meßtechnisch zu betätigen, haben Messungen der Schalt- bzw. Verzögerungszeiten von Schaltkreisen nach der Erfindung mit Silicium-npn-Kopplungstransi- r> stören typische Werte von weniger als eine Nanosekunde gezeigt Dabei hatten die Kopplungstransistoren getrennt gemessene Speicherzeiten von annähernd 20 Nanosekunden. Ähnlich kurze Schaltzeiten ließen sich mit Dioden nur erzielen, wenn diese eine Erholungszeit von zwei Nanosekunden hatten.

Aus Proceedings of the IEE, Part. B, November 1960, Seite 573—584, ist es bekannt, im Übertragweg eines Paralleladdierers Transistorschalter vorzusehen, die in ihrer Wirkungsweise jeweils einem mechanischen Schalter gleichkommen, der im geöffneten Zustand den Übertragweg unterbricht. Jeder Transistorschalter umfaßt einen Transistor, der mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke im Übertragweg liegt und an der Basis zum Schließen mit einem Funktionssignal angesteuert wird. Im geschlossenen Zustand befindet sich der Transistor hierbei in der Sättigung, so daß zwischen Kollektor und Emitter eine sehr niedrige Impedanz besteht, die eine schnelle Signalweiterleitung über den Transistor von einem schaltenden Transistor zu einem anderen _ϊ5 schaltenden Transistor ergibt.

Durch die Einprägung eines konstanten, Sättigung hervorrufenden Basisstromes mittels einer Konstantstromquelle und die entsprechende, oben erläuterte Wirkungsweise unterscheidet sich der erfindungsgemäße Schaltkreis grundsätzlich von anderen bekannten Schaltungen mit Transistoren, bei denen eine Transistorstufe dadurch, daß sie zwischen zwei anderen Transistorstufen angeordnet ist, neben einer bestimmten Hauptfunktion auch die Funktion der Kopplung der ^ beiden anderen Transistorstufen hat. So ist z. B. aus der deutschen Auslegeschrift 10 54118 eine regenerative wahlweise Oder-Schaltung bekannt, bei welcher ein Transistor mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke zwischen einem eine binäre Schaltvariable erzeugenden Schalter, der dadurch einem Schalttransistor vergleichbar ist, und der Basis eines zweiten Transistors liegt. Der erste Transistor hat nicht die Funktion, den Schaltzustand der Schaltvariablen zum zweiten Transistor rein passiv weiterzugeben, sondern bildet zusammen mit dem zweiten Transistor eine funktioneile Einheit zur Erzielung des bistabilen Verhaltens der Schaltung. Die Basis des ersten Transistors ist zwar mit einer Spannungsquelle verbunden, doch ist diese keine Konstantstromquelle und außerdem derart gepolt, daß sie den ersten Transistor keinesfalls im Sättigungszustand zu halten vermag. Aus der deutschen Auslegeschrift 10 69 909 ist ein logisches Netzwerk bekannt, bei welchem in ähnlicher Weise ein Transistor mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke zwischen einem eine Schaltvariable erzeugenden Schalter und der Basis eines zweiten Transistors liegt. Auch hier dient der erste Transistor nicht lediglich der Kopplung, sondern ist funktioneller Bestandteil der Schaltung und notwendig für die Erzielung der angestrebten logischen Verknüpfung. Dies geht unter anderem daraus hervor, daß zwei Elektroden des· Transistors, wovon die eine die Basiselektrode ist, Schaltvariable zugeführt werden. Durch eine Vorspannung zur Basis des ersten Transistors, die auch fortgelassen werden kann, wird dieser nicht ständig im Sättigungszustand gehalten. Aus der deutschen Auslegeschrift 10 65 876 sind Schaltungen für einen impulsgesteuerten Schalttransistor bekannt, durch die dessen Schaltgeschwindigkeit erhöht werden soll. Der Emitter des Schalttransistors ist über eine Konstantstromquelle mit Masse verbunden. Parallel zur Konstanstromquelle verläuft ein Strompfad über die Emitter-Kollektor-Strecke eines weiteren, mit seiner Basis an Masse liegenden Transistors. Der Strompfad übernimmt im Abschaltfalle den sonst durch den Schalttransistor fließenden Strom der Konstantstromquelle. Der weitere Transistor arbeitet in der üblichen Basisschaltung und befindet sich in Abhängigkeit vom Schaltzustand des Schalttransistors höchstens zeitweise im Sättigungszustand. Weitere Anordnungen, in denen ein Transistor in üblicher Weise in Basisschaltung, also mit festem Potential an der Basis, arbeitet, sind z. B. aus der deutschen Auslegeschrift 10 99 244 und aus »Frequenz«, Band 14/1960, Nr. 1, S. 6 bis 10, insbesondere im Zusammenhang logischer Verknüpfungsschaltungen, bekannt. Aber auch bei keiner dieser bekannten Anordnungen ist ein Transistor ausschließlich zur Kopplung vorgesehen oder wird wie bei der Erfindung an der Basis mit einem Konstantstrom beaufschlagt, der ihn stets im Sättigungszustand hält.

Der erfindungsgemäße Schaltkreis hat den bereits erwähnten Vorteil der sehr kurzen Schalt- oder Verzögerungszeit Diese ist natürlich nicht kürzer als bei einer direkten Kopplung. Gegenüber dieser ergibt sich jedoch mit der Erfindung der Vorteil einer größeren Freiheit beim Schaltungsentwurf. So sollten bei einer direkten Kopplung alle Emitter der Transistoren jeweils eines bestimmten Teils einer Schaltung auf gemeinsamem Potential liegen. Bei Anwendung erfindungsgemäßer Schaltkreise ist eine derartige Einschränkung nicht notwendig. Zwar können trotzdem auch bei einer direkten Kopplung die gleichen Schaltungsfunktionen erreicht werden, jedoch nur durch Verwendung von mehr komplexen Schaltelementen mit entsprechend höheren Kosten und einer geringeren Betriebssicherheit. Bei der Erfindung gibt es ferner keine Strom-Insta-

bilität, die bei einer direkten Kopplung nur durch sehr enge Herstellungstoleranzen, insbesondere in bezug auf die Basiskennlinien und durch eine mäßige Erhöhung des Basiseingangswiderstandes, dies jedoch auf Kosten der -Schallgeschwindigkeit vermieden werden könnte. Von besonderem Vorteil ist die Unempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Schaltkreises gegenüber einer Fehlanpassung zu den Transistoren bzw. Transistorstufen, zwischen die der Schaltkreis eingefügt ist. Dies wird in der Figurenbeschreibung an Hand eines Beispiels genauer erläutert. Auf Grund der Unempfindlichkeit gegenüber Fehlanpassung mit einer entsprechend niedrigen Anforderung an die Gleichmäßigkeit der zu koppelnden Transistorstufen eignet sich der neue Schaltkreis insbesondere für die Herstellung integrierter Schaltungen, bei der ja keine so genaue Einhaltung der Schaltungsparameter wie bei der Herstellung diskreter Bauelemente möglich ist. Der neue Schaltkreis gewährleistet im Gegensatz zu einer direkten Kopplung daher eine hohe Ausbeute bei der Herstellung integrierter Schaltungen. Bei Anwendung des neuen Schaltkreises können ferner logische Schaltungen mit unterschiedlichem Spannungsbedarf bezüglich der zu verarbeitenden Schaltvariablen zusammengeschaltet werden. So können z. B. vom gleichen Signal gleichzeitg 2^r> ein Schaltkreis nach der Erfindung, bei dem die Schaltvariable die Spannungen 0,2 und 0,8 Volt haben soll, und eine andere logische Schaltung, die eine Eingangsvariable mit 0,2 und 5 Volt erfordert, angesteuert werden. Trotz dieser beachtlichen Vorteile ist der erfindungsgemäße Schaltkreis sehr einfach aufgebaut und mit wenig Aufwand zu verwirklichen. Der erforderliche Aufwand wird auch dann nicht höher, wenn mehrere erste Transistoren parallel mit einem oder mehreren zweiten, parallel arbeitenden Transisto- « ren gekoppelt werden sollen. Ob es sich bei den zu koppelnden Transistoren und dem Kopplungstransistor um npn- oder pnp-Typen handelt, spielt keine Rolle. Es müssen lediglich alle Transistoren vom gleichen Leitfähigkeitstyp sein.

Für die mit dem neuen Schaltkreis mögliche Kopplung zwischen mehreren ersten Transistoren und einem oder mehreren zweiten Transistoren ist ein Kopplungstransistor mit mehreren Emittern vorgesehen, welche jeweils mit dem Kollektor eines der ersten, in Emitterschaltung arbeitenden Transistoren verbunden sind. Auf diese Weise ist die Mehrfach-Kopplung sehr einfach mit nur einem einzigen Kopplungstransistor verwirklicht. Eine bevorzugte Konstruktion eines für die Mehrfach-Kopplung geeigneten Kopplungstransistors geht von einer Struktur etwa gemäß der USA.-Patentschrift 29 81 877 aus, bei der in einen Körper aus Halbleitermaterial hohen spezifischen Widerstandes mindestens drei ineinanderliegende Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps eingelassen, z. B. eindiffundiert sind, und ist dadurch gekennzeichnet, daß in die zweite, die Basis des Transistors bildende Zone mindestens zwei voneinander getrennte Zonen untereinander gleichen Leitfähigkeitstyps als Emitterzonen eingelassen sind. Derartige Mehr-Emitter-Transistoren bo sind an sich bekannt (USA.-PS 28 01 347).

Andere zweckmäßige Weiterbildungen des Schaltkreises nach der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet Im folgenden wird die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten an Hand mehrerer *>■> in den Zeichnungen schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 das Schaltbild eines Schaltkreises zwischen einem ersten und einem zweiten npn-Transistor,

F i g. 2 das Schaltbild eines Schaltkreises zwischen einem ersten und einem zweiten pnp-Transistor,

Fig.3 das Schaltbild eines Schaltkreises zwischen mehreren ersten und einem zweiten Transistor,

Fig.4 das Schaltbild zweier Schaltkreise zwischen einem gemeinsamen ersten Transistor und jeweils einem zweiten Transistor,

F i g. 5 die Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einer integrierten Schaltung, welcher einen Kopplungstransistor mit zwei Emittern enthält,

F i g. 6 den Querschnitt zu F i g. 5.

In F i g. 1 ist ein Kopplungstransistor 10 vom npn-Typ gezeigt, der zwischen einem ersten Transistor 11 und einem zweiten Transistor 12 liegt, die beide vom gleichen npn-Typ sind. Die Emitterelektrode 15 des Kopplungstransistors 10 ist mit der Kollektorelektrode 20 des Transistors 11 verbunden, während die Kollektorelektrode 16 des Kopplungstransistors 10 mit der Basiselektrode 30 des Transistors 12 verbunden ist Die Emitterelektroden 21 und 31 der Transistoren 11 und 12 sind beide mit Masse verbundea Die Basiselektrode 17 des Kopplungstransistors 10 ist mit einer Quelle positiven Potentials +B über einen Widerstand 14 verbunden, durch den die Quelle praktisch als Konstantstromquelle wirkt.

Die Wirkungsweise der Transistorschaltung gemäß F i g. 1 ist die folgende:

An der Basiselektrode 22 des Transistors 11 wird ein Signal empfangen, das diesen Transistor einschaltet Die Kollektor-Emitterspannung Vce dieses Transistors wird dann bei ihrem Sättigungswert liegen, von dem angenommen werden soll, daß er etwa 0,2 Volt beträgt Von der Quelle + B fließt Strom durch den Widerstand 14 und die in Vorwärtsrichtung vorgespannte Basis-Emitter-Strecke des Kopplungstransistors 10 zur Kollektorelektrode 20 des ersten Transistors 11 und durch diesen nach Masse. Der Emitter 15 des Kopplungstransistors 10 hat daher ein oberhalb Massepotential liegendes Potential. Der Kopplungstransistor 10 kann also als gesättigt betrachtet werden, da er einen starken Strom von der Basis zum Emitter führt. Die Kollektor-Emitter-Spannung des Kopplungstransistors ist daher sehr niedrig; ein typischer Wert liegt bei 0,1 Volt oder weniger. Diese Spannung wird mit V) bezeichnet wobei

V₁

ICT

In ^- und
B, q

χ 0,026 Volt ist

B ist die Vorwärts-Kurzschluß-Stromverstärkung, für Emitterschaltung und ß, die Rückwärts-Stromübersetzung, für Emitterschaltung.

Daher ist die Spannung zwischen dem Kollektor des Kopplungstransistors 10 und Masse annähernd VcE(SMt)+ V/*0,3 Volt, so daß der Transistor 12 keinen Strom führt. Wenn ein Fehlerstrom an der Basis des Transistors 12 und dadurch eine wesentliche Stromlieferung zum Kopplungstransistor 10 aufträte (in einer Höhe, die sich dem Gesamtstrom nähert der zum Transistor 11 geliefert wird), würde die Kollektor-Masse-Spannung des Kopplungstransistors 10 nur bis etwa 2 VcEfsst) oder 0,4 Volt steigen. Der Transistor 12 würde ausgeschaltet bleiben, da die erforderliche Spannung für das Arbeiten des Transistors zwischen Basis und Masse annähernd VbE(Sh)=0,75 Volt ist Es ergibt sich daraus, daß der Kopplungstransistor einen Weg niedriger Impedanz vom Kollektor 20 des Transistors 11 zur Basis 30 des Transistors 12 schafft. So wirkt der Kopplungs-

transistor während dieser Periode wie ein direkter Leiter zwischen den beiden Stufen, was eine erwünschte Verbindungsart ist.

Wenn der Transistor It abgeschaltet ist, fließt kein Strom aus dem Emitter 15 des Kopplungstransistors 10. Daher erhöht sich die Basisspannung bis zu + B. Wenn sich die Basisspannung bis zur Sättigungsspannung erhöht oder bis annähernd 0,7 Volt, fließt Strom von + B durch den Widerstand 14 und die in Vorwärtsrichtung vorgespannte Basis-Kollektor-Strecke des Kopplungstransistors zur Basis 30 des Transistors 12, wodurch dieser Transistor eingeschaltet wird.

Die nachfolgende Diskussion wird zeigen, daß Fehler in den über die neue Schaltungsanordnung miteinander gekoppelten Stufen zulässig sind. Unter »Fehler« sei ein Nebenschluß verstanden. Er kann verursacht sein durch innere oder äußere Impedanzen, die nicht vorgesehen, sondern unbeabsichtigt vorhanden sind. Der zulässige Grad des Fehlers hängt vom Transistortyp ab, der für die Kopplung verwendet wird, d. h. er hängt davon ab, ob der Transistor ein hohes oder niedriges inverses Beta hat. Er hängt auch ab von der Höhe der Speisespannung und dem Wert des Widerstardes zwischen der Quelle und der Basis des Kopplungstransistors. Spezieller ausgedrückt kann man sagen, daß ein Fehler eines Wertes, der größer oder gleich dem Wert R des Widerstands 14 ist, z. B. von der Basis 30 des Transistors 12 zur Masse zugelassen werden kann. In dem Falle, daß der Transistor 12 abgeschaltet ist, soll er abgeschaltet bleiben auch in Gegenwart eines fehlerhaften Widerstandsweges. Wenn sich in diesem Falle der Wert des Fehlers Null nähert, d. h. praktisch bei einem Kurzschluß zur Masse, so bleibt der Transistor sicherlich abgeschaltet, da dieser Weg eine niedrige Impedanz für den Stromfluß von +B bildet und entsprechend das vorhandene Potential nicht ausreicht, um den Transistor einzuschalten. Wenn der Wert von R gegen Unendlich zunimmt, würde die Wirkungsweise der Schaltung unbeeinflußt sein, da dies dem Idealfall nahekommt, bei dem überhaupt kein Nebenschluß vorhanden ist.

In dem Falle, in dem der Transistor 12 eingeschaltet ist, muß jedoch der Nebenschluß eine gewisse Mindestimpedanz haben. Wenn R sich dem Wert Unendlich nähert, bleibt die Wirkungsweise der Schaltung wiederum unbeeinflußt. Aber wenn der Fehlerwiderstand kleiner wird und sich R nähert, muß dafür gesorgt werden, daß mindestens eine gewisse Spannung an der Basis des Transistors 12 aufrechterhalten bleibt, damit er nicht abschaltet. Wenn man annimmt, daß wenigstens 0,75 Volt erforderlich sind, um den Transistor eingeschaltet zu halten, und daß der Wert von +B festliegt, daß ferner der innere Spannungsabfall der Basis-Kollektor-Diode des Transistors 10 0,7 Volt beträgt, dann muß der Fehlerwiderstand von der Basis des Transistors 12 zur Masse wenigstens gleich R sein. Daraus folgt im Beispiel, daß Λ-B wenigstens 2 · (0,75)+ 0,7 = 2,2 Volt sein muß. Ein typischer Wert von R, d. h. dem Widerstand 14, ist 1000 Ohm. Dann kann der von der Schaltung tolerierte Fehlerwiderstand in allen Fällen eines Fehlers zwischen Basis und Masse beim Transistor 12 von 1000 Ohm bis unendlich variieren, was ein beträchtlicher Bereich ist. Wenn R 100 Ohm wäre, könnte sich der Bereich von annähernd 100 Ohm bis unendlich erstrecken.

In ähnlicher Weise kann Fehler mit einem Wert größer oder gleich R zugelassen werden zwischen der Basis 30 und dem Kollektor 32 des Transistors 12. Es wird zunächst angenommen, daß der Kollektor 32 mit einem weiteren Kopplungstransistor ähnlich dem Transistor 10 abgeschlossen ist. Dann würde die Quelle + B dieses weiteren Kopplungstransistors zwar den Transistor 12 einzuschalten suchen, jedoch ohne Erfolg, da seine Basis über die sehr niedrige Impedanz des durchgeschalteten ersten Transistors 11 und des ersten Kopplungstransistors 10, zwischen dessen Kollektor und Emitter nur ein Potentialunterschied von etwa 0,1 Volt herrscht, auf Masse liegt.

ίο Es kann in ähnlicher Weise gezeigt werden, daß ein Fehler mit einem Wert größer oder gleich R zugelassen werden kann vom Kollektor 20 des Transistors 11 nach Masse. Wenn der Transistor 11 eingeschaltet ist und dieser Fehlerwiderstand existiert, ist die Wirkungsweise im wesentlichen unbeeinflußt, da der Transistor einen Weg niedrigerer Impedanz nach Masse bildet als der Fehlerwiderstand. Wenn andererseits der Transistor 11 abgeschaltet ist, ist die Spannung am Kollektor des Kopplungstransistors etwas höher als die des Emitters.

Sie hat den erforderlichen Wert von 0,75 Volt, um den Transistor 12 einzuschalten. Der Transistor 12 bleibt beim Vorhandensein eines Widerstands parallel zum Transistor 11 eingeschaltet, da zwischen Basis und Emitter des Transistors 12 0,75 Volt auch dann noch erscheinen, wenn nur 0,65 Volt über dem Widerstand vom Koliktor 20 des Transistors 11 zur Masse abfallen. Dies setzt einen Spannungsabfall von 0,7 Volt zwischen Basis und Kollektor des Kopplungstransistors und einen Spannungsabfall von 0,8 Volt zwischen Basis und Emitter des Kopplungstransistors 10 voraus. Auch daraus, daß die Spannung +B annähernd 2,2 Volt beträgt, ergibt sich der Spannungsabfall von 0,65 Volt über dem Fehlerwiderstand. Immer wurde angenommen, daß nur ein im Vergleich zum Speisestrom sehr kleiner Basisstrom erforderlich ist, um den Transistor 12 einzuschalten.

F i g. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, die derjenigen nach F i g. 1 nach Aufbau und Wirkungsweise weitgehend gleicht. Wie bei dieser ist ein Kopplungstransistor 50 mit Basis 51, Kollektor 53 und Emitter 54 zwischen einen ersten Transistor 40 mit Basis 42, Kollektor 43 und Emitter 41 und einen zweiten Transistor 60 mit Basis 62, Kollektor 63 und Emitter 61 eingefügt. Im Gegensatz zur Schaltungsanordnung nach F i g. 1 sind alle Transistoren vom pnp-Typ. Entsprechend ist eine Quelle negativen Potentials — B gegenüber Masse und damit den Emittern 41 und 61 der beiden zu koppelnden Transistoren vorgesehen. Diese Quelle bildet wie bei der Schaltungsanordnung nach

so F i g. 1 zusammen mit dem Widerstand 52 eine an die Basiselektrode 51 des Kopplungstransistors 50 angeschlossene Konstantstromquelle. Die von der Quelle abgegebene Spannung muß größer als die Einschaltspannung des Kopplungstransistors und die des Ausgangstransistors sein. Im anderen Fall, wenn alle Transistoren vom npn-Typ sind, muß bei mit Masse verbundenem Emitter des zweiten Transistors die Speisespannung positiv und größer als die Summe der Basis-Kollektor-Sättigungsspannung des Kopplungstransistors und der Basis-Emitter-Sättigungsspannung des Ausgangstransistors sein.

Fig.3 zeigt eine Transistorschaltung, die der nach F i g. 1 ähnlich ist und durchweg npn-Transistoren verwendet. Es ist ein Kopplungstransistor 70 mit zwei Emitterelektroden 71 und 72 sowie einem Kollektor 73 und einer Basis 74 vorgesehen. Die Basis 74 ist an den Widerstand 75 einer Konstantstromquelle angeschlossen. Die Emitterelektrode 71 ist mit der Kollektorelek-

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trode 82 eines ersten Transistors 81 auf der Eingangsseite verbunden, während die Emitterelektrode 72 mit der Kollektorelektrode 83 eines weiteren, ersten Transistors 80 auf der Eingangsseite verbunden ist. Die Emitterelektrode 84 und 85 der beiden ersten Transistoren liegen an Masse. Die Eingangssignale werden an den Basiselektroden der beiden ersten Transistoren empfangen. Der einzige Kollektor des Kopplungstransistors 70 ist mit der Basiselektrode 91 eines zweiten Transistors 90 auf der Ausgangsseite verbunden, dessen Emitterlektrode 93 an Masse liegt und an dessen Kollektorelektrode 92 das Ausgangssignal der Schaltung entsteht. Der Unterschied der Schaltungsanordnung nach Fig.3 gegenüber derjenigen nach F i g. 1 liegt also in einer weiteren Emitterelektrode des Kopplungstransistors, die mit einem weiteren ersten Transistor verbunden ist. Die Schaltungsanordnung verwirklicht also eine Mehrfachkopplung. Ihre Wirkungsweise ist derart, daß derjenige erste Transistor, der eingeschaltet ist, die Betriebsweise steuert. Es brauchen also nicht beide ersten Transistoren gleichzeitig eingeschaltet zu sein. Ein gegebenenfalls abgeschalteter erster Transistor zieht keinen Strom, und der mit diesem abgeschalteten Transistor verbundene Emitter des Kopplungstransistors nimmt ein beliebiges positives Potential in der Nähe der Durchbruchspannung der Emitter-Basis-Grenzschicht des abgeschalteten ersten Transistors an.

Zwei allgemeine Fälle müssen diskutiert werden. Wenn beide ersten Transistoren 80 und 81 abgeschaltet sind, liefert der Kopplungstransistor 70 Strom zum Einschalten des zweiten Transistors 90. Wenn nur einer der beiden ersten Transistoren eingeschaltet ist, liefert der Kopplungstransistor Strom zu diesem eingeschalteten Transistor (im allgemeinen Falle, in dem mehr als zwei Emitter entsprechend mehr erste Transistoren vorgesehen sind, wird Strom zu allen jeweils eingeschalteten ersten Transistoren geliefert). Das dabei an der Basis 91 des zweiten Transistors entstehende Potential reicht zum Einschalten oder zur Aufrechterhaltung der Einschaltung des zweiten Transistors nicht aus. Daher ist im zweiten allgemeinen Fall der zweite Transistor abgeschaltet.

F i g. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung mit npn-Transistoren. Es sind zwei Kopplungstransistoren 140 und 141 vorgesehen, die zur gegenseitigen wirksamen Isolierung und zur Verbindung eines einzigen ersten Transistors 150 und zweier zweiter Transistoren 160 und 161 dienen. Die Emitterelektroden 142 und 144 der beiden Kopplungstransistoren sind über einer Leitung 145 untereinander und mit der Kollektorelektrode 151 des ersten Transistors 150 verbunden. Jede der Basiselektroden 146 und 147 der beiden Kopplungstransistoren ist über einen Widerstand 148 bzw. 149 mit einer Quelle positiven Potentials + B verbunden. Die Kollektorelektroden 152 bzw. 153 der beiden Kopplungstransistoren sind an die Basiselektroden 162 bzw. 164 der beiden zweiten Transistoren 160 bzw. 161 angeschlossen.

Es sei angenommen, daß die beiden zweiten Transistoren 160 und 161 nicht aneinander angepaßt sind und z. B. der Transistor 160 zum Einschalten eine Basis-Emitter-Spannung von 0,75 Volt erfordert, während 0,90 Volt Basis-Emitter-Spannung zum Einschalten des Transistors 161 erforderlich ist. Im Falle einer direkten Kopplung ohne Verwendung der beiden Kopplungstransistoren 140 und 141 wären die Basen der beiden zweiten Transistoren unmittelbar mit dem Kollektor 151 des ersten Transistors verbunden. Unter diesen Umständen würde der Transistor 161 niemals eingeschaltet werden, da bei einer Spannung von 0,75 Volt am Kollektor des Transistors 150 der Transistor

160 praktisch den gesamten Strom ziehen und dadurch die erforderliche Einschaltspannung von 0,90 Volt für den Transistor 161 nicht erreicht werden würde. Durch Verwendung der beiden Kopplungstransistoren wird eine Isolation der Basiselektroden der zweiten Transistoren gegeneinander erzielt. Die dabei an verschiedenen Punkten der Schaltung auftretenden Spannungen

sind in Fig.4 angegeben. Am Emitter 142 des Kopplungstransistors 140 kann die Spannung über den zum Durchschalten des Transistors 160 benötigten Wert von 0,65 V auf 0,8 V zum Durchschalten des Transistors

161 ansteigen. Dabei geht zwar die Vorwärts-Vorspannung der Basis-Emitter-Strecke des Kopplungstransistors 140 zurück. Jedoch genügt der über die Basis-Kollektor-Strecke des Kopplungstransistors 140 fließende Strom, den Transistor 160 eingeschaltet zu halten.

Das Vorstehende trifft für Kopplungstransistoren zu, die eine niedrige Rückwärts-Stromverstärkung haben, wie dies bei vielen Silicium-Schalttransistoren der Fall ist. Durch Verwendung von Schaltkreisen nach der Erfindung können also die bei direkter Kopplung mit nicht genau aneinander angepaßten Transistoren auftretenden Strom-Instabilitäten vermieden werden.

In den F i g. 5 und 6 ist die bevorzugte Konstruktion eines npn-Kopplungstransistors mit mehreren Emittern dargestellt. Der Kopplungstransistor ist in einem Grundkristall 100 aus p-Silicium ausgebildet, das einen hohen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10 bis 200 · 10³ Ohm/cm besitzt. Zentral innerhalb

■ des Grundkristalls 100 ist eine n-Kollektorzone 101 mit einem spezifischen Widerstand von vorzugsweise mehr

⁴S als 0,04 Ohm/cm vorgesehen, die sich aufwärts bis dicht unter die Oberfläche des Grundkristalls erstreckt. An die Kollektorzone 101 grenzt eine ringförmige Kollektor-Kontaktzone 102 an, die vom Leitfähigkeitstyp n⁺ ist und bis zur Oberfläche des Grundkristalls reicht.

Zentral innerhalb der Kollektorzone 101 ist die Basiszone 103 angeordnet, die p-Leitfähigkeit besitzt. In die Oberfläche der Basiszone 103 sind zwei Emitterzonen 110 und 111 von n+-Leitfähigkeit eingelassen. Die gesamte Oberfläche des Grundkristalls 100 ist mit einer

Oxydschicht 115 bedeckt. Durch öffnungen in der Oxydschicht sind metallisierte Kontakte zu allen erwähnten Zonen hergestellt. Der Kollektorkontakt ist mit 120, der Basiskontakt mit 122 und die Emitterkontakte sind mit 123 und 124 bezeichnet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Binärer Schaltkreis, bei dem mindestens ein erster und ein zweiter schaltender Transistor ^r> gleichen Leitfähigkeitstyps durch einen im Sättigungszustand befindlichen, weiteren Transistor ebenfalls vom gleichen Leitfähigkeitstyp miteinander gekoppelt sind, dessen Emitter-Kollektor-Strekke zwischen dem Kollektor bzw. Emitter des ersten i<> Transistors und der Basis des zweiten Transistors liegt, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) von beiden in Emitter- oder Kollektorschaltung betriebenen schaltenden Transistoren (11; 40; i^r> 80; 81 bzw. 12; 60; 90) sind der erste Transistor mit dem Kollektor (20; 43; 82; 83) bzw. Emitter und der zweite Transistor mit der Basis (30; 62; 91) ausschließlich und direkt an diese Strecke (15,16; 53,54; 71, 72, 73) des Kopplungstransistors (10; 50; 70) angeschlossen,

b) der Kopplungstransistor ist mit seiner Basis (17; 51; 74) an eine Konstantstromquelle (B, 14; 52; 75) angeschlossen, die ihn stets im Sättigungszustand hält, -'■">

c) die von der Konstantstromquelle abgegebene Spannung ist so groß, daß sie außer der Sättigung des Kopplungstransistors auch noch die Einschaltung des zweiten schaltenden Transistors ermöglicht. M)

2. Schaltkreis nach Anspruch 1 mit einem ersten Transistor in Emitterschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter (15; 54) des Kopplungstransistors (10; 50) mit dem Kollektor (20; 43) des ersten Transistors (11; 40) verbunden ist (F ig. 1,2). r>

3. Schaltkreis nach Anspruch 1 mit mehreren ersten Transistoren in Emitterschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kopplungstransistor (70) mit mehreren Emittern (70; 72) vorgesehen ist, welche jeweils mit dem Kollektor (82; 83) eines ersten Transistors (81; 80) verbunden sind (F i g. 3).

4. Schaltkreis nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle durch eine Spannungsquelle (B) mit einem relativ hochohmigen Vorwiderstand (14;52; 75) gebildet ist. 4ϊ

5. Schaltkreis nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter (21; 41; 84; 85 und 31; 61; 93) des bzw. der ersten und zweiten Transistoren (11; 40; 80; 81 und 12; 60; 90) alle an ein gemeinsames Potential, vorzugsweise an Masse ^r><> angeschlossen sind.

6. Schaltkreis nach Anspruch 3 mit einem Kopplungstransistor, bei dem in einen Körper aus Halbleitermaterial hohen spezifischen Widerstandes mindestens drei ineinanderliegende Zonen abwech- ^r>5 selnden Leitfähigkeitstyps eingelassen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in die zweite, die Basis des Transistors bildende Zone (103) mindestens zwei voneinander getrennte Zonen (110; 111) untereinander gleichen Leitfähigkeitstyps als Emitterzonen ho eingelassen sind (F i g. 5,6).