DE1499719A1 - Leserverstaerker fuer binaere Lesesignale - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL-ING. H. E, BÖHMER

703 BOBLINGEN SINDELFINGER 8TRASSE 49

FERNSPRECHER (0 70 31) 6 6130 40 1 499719

27. Sept. 1966 gg-so

Anmelderin: International Business Machines Corporation

Armonk, N. Y. 10 504

Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenz. d. Anmelderin: Docket 12 190

Leseverstärker für binäre Lesesignale

Die Erfindung betrifft Leseverstärker für binäre, aus Impulsen unterschiedlicher Polarität bestehende Lesesignale^ denen sich durch Überschwingvorgänge jeweils ein störender Impuls entgegengesetzter Polarität anschließt.

Bei vielen digitalen Speichertypen, insbesondere bei denen, die ein Lesen ohne Zerstörung der gespeicherten Information gestatten, erfolgt das Abfragen einer Information mit hoher Geschwindigkeit. Eine binäre Information besteht dabei aus einem Signalzug, der sich bei einer binären "1" aus einem positiven Impuls und einem diesem nachfolgenden negativen Impuls und bei einer binären ¹¹O" aus einem negativen Impuls und einem diesem nachfolgenden positiven Impuls zusammensetzt. Das primäre Signal ist bei einer binären "1" ein positiver und bei einer binären "θ" ein negativer Impuls. Das primäre Signal kennzeichnet in

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jedem Beispiel die gespeicherte binäre Wertigkeit. Der jedem primären Signal jeweils nachfolgende Impuls entgegengesetzter PolarSät ist unerwünscht und entsteht zwangsläufig. Könnten die primären Impulse während einer Leseoperation jeweils abgetrennt werden, so könnten die Signale durch Integration erkannt werden, da hier bei einer binären "l" ein positiver und bei einer binären "0^M ein negativer Wert übrigbleiben würde. Es ist jedoch praktisch außerordentlich schwierig, Integratoren mit genügender Genauigkeit herzustellen, um bei den gebräuchlichen Geschwindigkeiten den Anfangs- und Endpunkt der Integration auszutasten. Der zeitliche Abstand zwischen der Spitze eines positiven Impulses bei einer binären "l" und der Spitze eines positiven Impulses bei einer binären "0" beträgt etwa 20 Nanosekunden. Binäre Signale könnten durch zeitliche Austastung voneinander unterschieden werden, wenn diese mit zuverlässig großer Genauigkeit erzielt werden könnte.

Ein weiterer Weg besteht darin, zur Vernichtung des jeweils unerwünschten Impulses beispielsweise eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode zu verwenden. Dabei sind aber extrem strenge Anforderungen an die Schwellen der Dioden und an die Verstärkungsfaktoren zu stellen, was bei den geforderten Geschwindigkeiten kaum möglich ist.

In manchen Fällen sind die minimalen und maximalen Amplituden der Signale bei diesen Geschwindigkeiten zeitlich relativ kaum unterschiedlich und außerdem kann das Verhältnis der Spitze des primären Impulses eines Signals zu der Spitze des unerwünschten sekundären Impulses des nächsten Signales in der Größenordnung von 2 : 1 liegen, und es ist sehr gut möglich, daß in manchen Fällen dieses Verhältnis sogar umgekehrt ist. Daraus ist zu ersehen, daß das Problem, binäre Informationssignale zuverlässig zu lesen, sowohl die Amplitudendiskrimination als auch eine exakte zeitliche Steuerung umfaßt.

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Es ist das Ziel der Erfindung, die erwähnten Schwierigkeiten zu vermeiden. Insbesondere soll es durch die Erfindung ermöglicht werden, aus schnellen Speicher anordnungen mit größter Zuverlässigkeit binäre Signale auszulesen. Es soll also zuverlässig zwischen Signalen, die eine binäre "l" oder eihe binäre "0" darstellen, unterschieden werden, wenn diese beispielsweise durch Überschwingvorgänge Impulse der entgegengesetzten Polarität mit sich führen.

Gemäß der Erfindung wird ein Leseverstärker vorgeschlagen, bei dem ein die Lesesignale empfangender Verstärker einen ersten, das Lesesignal wiedergebenden Ausgang aufweist, der mit einer auf Signale einer Polarität ansprechenden Detektorschaltung verbunden ist, und daß der Verstärker einen zweiten, das invertierte Lesesignal wiedergebenden Ausgang aufweist, der mit einem auf Signale der gleichen Polarität ansprechenden Schwellwertschalter verbunden ist, der seinerseits bei seinem Ansprechen ein die Detektorschaltung sperrendes Signal abgibt.

Als besonders vorteilhaft erweist sich hierbei die Verwendung eines Differential ver stärkers.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel als Blockschaltbild,

Fig. 2 eine beispielsweise aus der Blockschaltung der Fig. 1

hervorgegangene Schaltung im einzelnen,

Fig. 3 die Charakteristik einer Tunneldiode,

Fig. 4 die Signalamplituden für eine binäre "l" und eine binäre

"0", zwischen denen eine Detektorschaltung im ungünstigsten Falle unterscheiden muß und

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Fig. 5 den Signalverlauf an verschiedenen Stellen in der Schaltung

der Fig. 2.

Zur Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung wird zunächst auf die Fig, 1 Bezug genommen. Eine Signalquelle 10, beispielsweise eine Speicheranordnung, ist an einen Differentialverstärker 12 angekoppelt, der einen ersten Ausgang auf einer Leitung 14 und einen zweiten Ausgang auf einer Leitung 16 aufweist. Der erste Ausgang auf. der Leitung 14 führt zu einer Detektorschaltung 18 und der zweite Ausgang auf der Leitung 16 zu einem Schwellwertschalter 20. Der Ausgang des Schwellwertschalters 20 steht über einen Kondensator 22 und eine Leitung 24 mit der Detektorschaltung 18 in Verbindung. Über eine Anschlußklemme 26 wird der Detektorschaltung 18 ein Austaststrom zugeführt. Die Detektorschaltung 18 erzeugt auf einer Leitung 28 ein Ausgangs signal, das durch einen in der Fig. 1 nicht dargestellten Trennverstärker weiter verstärkt werden kann.

Durch die in Fig. 2 dargestellte Schaltung ist das in Fig. 1 gezeigte Prinzip verwirklicht. In diesem Ausführungsbeispiel besteht der Differentialverstärker 12 aus zwei Verstärkerstufen. Die Transistoren QlA und QlB bilden die eine und die Transistoren Q2A und Q2B bilden die andere_; Stufe des Verstärkers. Die Ausgänge des Differential Verstärkers auf den Leitungen 14 und 16 liegen an den Transistoren Q2B und Q2A und das Ausgangssignal auf der Leitung 14 wird über einen Koppelkondensator 32 zur Detektorschaltung 18 und das Ausgangs signal auf der Leitung 16 über einen Koppelkondensator 34 zum Schwellwertschalter geführt.

Die Detektorschaltung 18 enthält eine mit Widerständen 28, 40 und 42, wie dargestellt, in Reihe geschaltete Tunneldiode 36. Der Schwellwertschalter 20 enthält einen Transistorschalter Q3 in der gezeigten Schal -

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tungsanordnung. Der Atisgang der Detektorschaltung 18 ist zu einem Trennverstärker 30 geführt, der die Transistoren Q4, Q5 und Q6 in der dargestellten Schaltung enthält.

In der Fig. 3 ist die Charakteristik der in der Schaltang aus der Fig. verwendeten Tunneldiode 36 aufgezeichnet. Die gestrichelte Linie 50 entspricht dem Schaltverlauf bei der Tunneldiode beim Einschalten» während die nicht unterbrochene Linie 52 den Schaltverlauf für kleinsten Eingangsstrom darstellt. Punkt 54 entspricht dem Arbeitspunkt der Tunneldiode, wenn beim Lesen einer binären "0" (negatives Signal) eine ins Positive über schwingende Rückflanke empfangen wird. Der Arbeitspunkt 56 wird eingestellt, wenn ein Austastimpuls ]_ auftritt. Die Entfernung zwischen den Punkten 57 und 58 entspricht dem Arbeitsbereich der Tunneldiode beim Lesen einer binären "l^u (positives Signal). Im Punkt 60 wird die Tunneldiode betrieben, wenn kein Steuer- oder Austastsignal vorhanden ist. Zu Beginn der Rückstellung wird die Tunneldiode im Punkt 62 ihrer Charakteristik 52 betrieben.

Die in den Figuren 1 und 2 als Blockschaltbild dargestellte Signalquelle ist beispielsweise eine Speicheranordnung, in der binäre Informationen gespeichert sind. Viele Speichertypen, insbesondere die, die ein Auslesen ohne Löschen der Information gestatten, erzeugen während der Leseoperation charakteristische Lesesignale. Fig. 4 zeigt solche Lesesignale beim Lesen einer binären "l" und einer binären "θ". Beim Lesen einer binären "l" wird ein positives Ausgangssignal erzeugt (Wellenform 70), dem ein negatives Signal nachfolgt, wie es Linie 72 anzeigt. Die Kurven 70 und 72 entsprechen der minimalen Amplitude, die beim Lesen einer binären "1" empfangen werden können. Beim Lesen einer binären ¹¹O" wird ein negatives Ausgangs signal erzeugt, das als gestrichelte Linie 74 dargestellt ist. Diesem negativen Signal folgt ein durch die gestrichelte Linie 76 dargestelltes positives Signal. Der

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positive Signalzug 70 und der negative Signalzug 74 sind die primären Signale, die die gespeicherten binären Informationen darstellen. Der Signalzug 72 entsteht zusätzlich beim Lesen einer binären "l", während der Signalzug 76 zusätzlich beim Lesen einer binären ^H0ⁿ entsteht. Der zeitliche Unterschied zwischen dem. Auftreten der Spitze des primären Signalzuges 70 einer binären "l" und der Spitze des überschwingenden Signalzuges 76 einer binären "ö" liegt in der Größenordnung von 20 Nanosekunden. Bei diesem geringen zeitlichen Abstand der beiden Spitzen erweist sich die Methode, durch zeitliche Austastung während der Leseoperation zwischen einer binären "1" und einer ¹¹O" zu unterscheiden, als kaum durchführbar, wenn nicht sogar als unmöglich. Auch eine Unterscheidung nach der Amplitude ist zwecklos, da, wie die Fig. 4 zeigt, die kleinste positive Amplitude einer binären "l" u. U. kleiner als die positive Amplitude des störenden Teils des Signals einer binären "0" ist.

Im folgenden wird der erfindungsgemäße Weg gezeigt, wie bei der Leseoperation sicher zwischen einer binären "l" und ¹¹O" unterschieden werden kann.

Anhand der Fig. 1 wird das Prinzip beschrieben. Es sei zunächst angenommen, es werde eine binäre "l" gelesen. Beim Lesen einer binären "l" wird dem Differentialverstärker der in Fig. 1 dargestellte Signalzug 100 zugeführt. Während am ersten Ausgang auf Leitung 14 dieser Signalzug verstärkt erscheint, erscheint er am zweiten Ausgang auf Leitung 16 verstärkt und invertiert. Der Anschlußklemme 26 wird vor Beginn der Leseoperation ein bis zum Ende der Leseoperation dauernder Austastimpuls I zugeführt. Der Detektorschaltung 18 wird vom ersten Ausgang über die Leitung 14 ein Signalstrom I zugeleitet] es handelt sich hierbei um ein positives Signal, wie es durch den positiven

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Teil des Signalzuges 100 in Fig. 1 angezeigt ist. Während desselben Zeitraumes erhält der Schwellwertschalter 20 einen negativen Stromimpuls vom zweiten Ausgang über die Leitung 16; dieser Strom ist durch den negativen Teil des Signalzuges 102 in Fig. 1 dargestellt. Dieser negative Stromimpuls hält den Schwellwertschalter 20 im ^MAus"-Zustand, so daß kein Strom I über den Kondensator 22 zur Detektor-

schaltung 18 fließt. Folglich wird der Detektorschaltung 18 in Fig. 1 gleichzeitig der Strom I und der positive Signalstrom I zugeführt.

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Die Ströme I_ und I reichen aus, um die Detektorschaltung 18 zu betätigen, da die Tunneldiode 36 in Fig. 2 bei oder zwischen den Punkten und 58 betrieben wird und somit die Diode leitet und ein positives Ausgangssignal auf der Leitung 28 in Fig. 1 erzeugt. Sobald der Strom I auf der Leitung 14 in Fig. 1 negativ wird, wird die Detektorschaltung zurückgestellt und damit das Aus gangs signal beendet. Demzufolge wird auf der Ausgangsleitung 28 ein positiver Ausgangsimpuls hervorgerufen, der anzeigt, daß eine binäre "l" gelesen wurde.

Es sei nunmehr angenommen, daß eine binäre "θ" gelesen werde. Beim Lesen einer binären "O" liefert die Signalquelle 10 in Fig. 1 ein Ausgangssignal, wie es durch den Signalzug 102 in Fig. 1 angezeigt ist. Dieses Signal wird dem Differential verstärker 12 zugeführt. Dieser liefert an seinem ersten Ausgang auf Leitung 14 ein vetstärktes Abbild des Signalzuges 102 in Fig. 1. An seinem zweiten Ausgang auf Leitung 16 liefert er ein verstärktes und invertiertes Abbild dieses Signalzuges. Der invertierte Signalzug auf Leitung 16 ist in Fig. 1 durch den Kurvenzug 104 dargestellt. Die erste Halbwelle dieses Signalzuges ist positiv und betätigt den Schwellwertschalter 20, so daß dieser einen positiven Ausgangsstrom I über den Kondensator 22 fließen läßt. Der Signalstrom I auf Leitung 14 ist beim Lesen einer binären ^u0" während der ersten Halbwelle negativ. Die Ströme I und I sind entgegengesetzt zum Austaststrom I , so daß der übrigbleibende Gesamtstrom die De-

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tektorschaltung 18 nicht in den leitenden Zustand bringen kann. Der diesem Zustand entsprechende Betriebspunkt liegt in Fig. 3 unterhalb Punkt 56. Der in Fig. 1 dargestellte Schwellwertschalter 20 besteht, wie Fig. 2 zeigt, aus einem Transistor Q3. Es handelt sich um einen Lawinentransistor, dessen Kollektorspannung sich infolge der negativen Halbwelle des Signalzuges 104 verändert. Die sich ändernde Spannung hält einen Strom I aufrecht. Dieser Strom schwächt den Austaststrom T

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und hält die Detektorschaltung 18 unterhalb des Betriebspunktes 56 in Fig. 3. Der überschwingende Teil des Signals auf der Ausgangsleitung ist positiv. Dieser Strom verschiebt den Betriebspunkt der Detektorschaltung 18 nach oben bis unterhalb des Punktes 56. Demzufolge gelangt die Detektorschaltung 18 nicht in den leitenden Zustand und auf der Ausgangsleitung 28 liegt kein Ausgangssignal. Das Fehlen eines Ausgangs signals auf der Leitung 28 während eines Austastimpulses I kennzeichnet eine binäre "θ".

Diese Funktionsweise wird nun unter Bezugnahme auf die in Fig. 2 dargestellte Schaltung näher erklärt. Die in Fig. 5 dargestellten Signalzüge zeigen die Signaländerungen, die bei einem Lesevorgang an verschiedenen Stellen der Schaltung gemäß Fig. 2 eintreten. Dabei sind in der linken Hälfte der Fig. 5 die Signalzüge beim Lesen einer binären "1" und in der rechten Hälfte die Signalzüge beim Lesen einer bi- · nären "θ" dargestellt. In der in der Fig. 2 dargestellten Schaltung wird der Anschlußklemme 26 der Detektorschaltung 18 vor Beginn einer Leseoperation der Austaststrom zugeführt. Der Verlauf des Austaststromes ist in Fig. 5A dargestellt. Eine Signalquelle 10, die eine Speicheranordnung versinnbildlicht, liefert an den Eingang des Differentialverstärkers 12 beim Lesen einer binären Information ein Signal. Es sei auch hier zunächst angenommen, daß eine Leseoperation für eine binäre "1" erfolgen soll. Das von der Signalquelle 10 erzeugte Signal ist durch den Signalzug 110 in Fig. 5B angedeutet. Dieses Signal

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wird verstärkt und erscheint am ersten Ausgang auf Leitung 14. Das invertierte Signal erscheint am zweiten Ausgang auf Leitung 16. Dieses Signal ist in Fig. 5C durch den Signalzug 112 veranschaulicht. Der im Positiven liegende Teil des Signalzuges 110 in Fig. 5B liefert einen positiven Strom I an die Detektorschaltung 18. Zusammen mit dem positiven Austaststrom I_ veranlaßt der Strom I das Leitendwerden der

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Tunneldiode 36 der Detektorschaltung 18 zum Zeitpunkt t . Der Eingangsstrom der Detektorschaltung 18 zur Zeit t₁ ist aus der Fig. 5F, Punkt 114, zu ersehen. Dieser Strom setzt sich aus dem Austaststrom I

und dem Signalstrom I zusammen, während kein Strom über den Kondensator 22 geliefert wird. Über den Kondensator 22 fließt zu diesem Zeitpunkt kein Strom, weil der Schwellwertschalter 20 sich im "Aus-Zustand befindet, bewirkt durch den negativen Teil des Signalzuges 112, der in Fig. 5C dargestellt ist. Die Summe der beiden Ströme I + I

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reicht aus, um die Tunneldiode 36 der Detektorschaltung 18 zum Zeitpunkt t in den leitenden Zustand umzusehalten. Die Stromstärke im Punkt 114 der Fig. 5F liegt bei oder irgendwo zwischen den Punkten und 58 der Fig. 3. Sobald sich die Tunneldiode 36 im "Ein"-Zustand befindet, liefert die Detektorschaltung 18 über den Widerstand 38 ein Ausgangs signal, das über die Leitung 28 danTrennverstäker 30 zugeleitet wird. Das Ausgangs signal ist in Fig. 5G als Spannungsimpuls dargestellt, der, wenn eine binäre "l" gelesen wird, zum Zeitpunkt t beginnt und zum Zeitpunkt t endet. Zum Zeitpunkt t wird der Strom I auf Leitung 14 negativ, was dem Signalzug 110 in Fig. 5B zu entnehmen ist. Der positive Teil des Signalzuges 112 in Fig. 5C steuert den Transistor Q3 des Schwellwertschalters 20 in den leitenden Zustand, so daß über den Kondensator 22 der in Fig. 5E eingezeichnete Strom I an die Detektorschaltung 18 geliefert wird. Die Detektorschaltung 18 wird jedoch zum Zeitpunkt t_o in den sperrenden Zustand zurückgeschaltet,

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da der aus dem negativen Signalstrom I , dem Strom I , der dem

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Austaststrom I entgegengesetzt ist, und aus dem positiven Austaststrom I resultierende Gesamtstrom ausreichend gering ist, um die Tunneldiode der Detektorschaltung 18 in den gesperrten Zustand zurückzusetzen. Deshalb entsteht am Ausgang der Detektorschaltung ein in Fig. 5G mit 116 bezeichneter positiver Impuls. Die am Kondensator 22 liegende Spannung ist in Fig. 5D mit V bezeichnet. Der über den Kondensator 32 fließende Strom ist in Fig. 5E als I dargestellt. Zum Zeitpunkt t₀

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wird der positive Teil des Signalzuges 112 in Fig. 5C am zweiten Ausgang über die Leitung 16 dem Schwellwertschalter 20 zugeleitet. Dieses Signal wird über den Kondensator 34 auf die Basis des Transistors Q3 gekoppelt. Dadurch wird der Transistor Q3 leitend und lädt den Kondensator 22 von einem positiven auf ein negatives Signal um, wie in Fig. 2 dargestellt. Der resultierende Spannungssprung am Kondensator 22 ist in Fig. 5D dargestellt. Der über den Kondensator 22 fliessende Strom I nimmt zum Zeitpunkt t , wie aus der Fig. 5E zu ersehen, schnell zu. Der positive Austaststrom L_* der Strom über den Kondensator, der dem Austaststrom I entgegengesetzt ist, und der positive

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Signalstrom I ergeben zum Zeitpunkt t einen Gesamtstrom, der bes ί

wirkt, daß die Tunneldiode 36 in einem Arbeitspunkt unterhalb des mit 62 bezeichneten Punktes auf der Kennlinie in Fig. 3 betrieben wird. Daraus ist zu ersehen, daß das Ausgangssignal der Detektorschaltung beim Lesen einer binären ¹¹I" ein in Fig. 5G dargestellter Spannungsimpuls 116 ist.

Es sei nun angenommen, daß eine binäre "0" aus der Speicheranordnung gelesen wird. Die zugehörigen Signalzüge sind auf der rechten Hälfte der Fig. 2 dargestellt. In diesem Falle besteht das Ausgangs signal am ersten Ausgang (Leitung 14) zum Zeitpunkt t des Lesezyklus aus einem negativen Strom I . Dieses negative Signal auf der Leitung 14 ist in Fig. 5B mit der Bezeichnung 118 versehen. Am zweiten Ausgang

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(Leitung 16) liegt zum Zeitpunkt t , wie in Fig. 5C durch den Signalzug angegeben, ein positives Signal. Dieses positive Signal steuert zum Zeitpunkt t₁ den Transistor Q3 des Schwellwertschalters 20 in den leitenden Zustand. Dadurch wird der Tunneldiode 16 der Detektorschaltung 18 über den Kondensator 22 ein Strom I zugeführt. Der Strom I über den Kondensator und der Signalstrom I sind entgegengesetzt zum Austaststrom I gerichtet, so daß der resultierende Strom die Tunneldiode 36 zum Zeitpunkt t₁ nicht in den leitenden Zustand umschalten kann. Aus diesem Grunde kann auch beim Lesen einer binären ¹¹O¹¹ zum Zeitpunkt t₁ kein Aus.gangsimpuls gebildet werden. Beim Lesen einer binären "θ" bildet sich auf der Leitung 40, wie bereits ausgeführt, ein ins Positive überschwingender Signalteil. Dieses positive Signal ist in Fig. 5B durch den schraffierten Teil des Signalzuges 118 gekennzeichnet. Zwar bewirkt dieses Signal, daß der Eingangsstrom der Detektorschaltung, wie in Fig. 5F im Punkt 122 gezeigt, vergrössert wird, aber der aus dem Austaststrom I dem Strom I und dem

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Strom I resultierende Gesamtstrom kann die Tunneldiode 36 nicht c

einschalten. Die Tunneldiode wird in diesem Falle im Punkt 54 der Kennlinie in Fig. 3 betrieben. Daraus ist zu ersehen, daß auf der Leitung 28 der Detektorschaltung 18 beim Lesen einer binären ¹¹O" kein Ausgangsimpuls gebildet wird.

Man erhält demnach einen Leseverstärker, bei dem beim Lesen einer binären "θ" Signalanteile, die eine binäre "1" vortäuschen könnten, in einfacher Weise durch Sperren der Detektorschaltung unwirksam gemacht werden. Auf diese Weise können schnelle Speicher sicher ausgelesen werden.

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Claims (2)

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1. Leseverstärker für binäre, aus Impulsen unterschiedlicher Polarität bestehende Le se signale, denen sich durch Über Schwingvorgänge jeweils ein störender Impuls entgegengesetzter Polarität anschließt, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Lesesignale empfangender Verstärker einen ersten, das Lesesignal wiedergebenden Ausgang aufweist, der mit einer auf Signale einer Polarität ansprechenden Detektorschaltung verbunden ist, und daß der Verstärker einen zweiten, das invertierte Lesesignal wiedergebenden Ausgang aufweist, der mit einem auf Signale der gleichen Polarität ansprechenden Schwellwertschalter verbunden ist, der seinerseits bei seinem Ansprechen ein die Detektorschaltung sperrendes Signal abgibt.

2. Leseverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärker ein Differentialverstärker verwendet wird.

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