DE1512236A1 - Tristable circuit - Google Patents
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Description
703 BOBLINGEN SINDELFINGER STRA88E 49703 BOBLINGEN SINDELFINGER STRA88E 49
Böblingen, 5. Januar I967 ne-heBoeblingen, January 5th, 1967 ne-he
Anmelderin: International Business MachinesApplicant: International Business Machines
Corporation, Armonk, N.Y. 10504Corporation, Armonk, N.Y. 10504
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen d. Anmelderin: Docket 45 712Official file number: New registration file number d. Applicant: Docket 45 712
Bestimmte Speicherarten digitaler Rechenanlagen liefern Ausgangssignale, bei denen auf jeden Ausgangsimpuls einer Polarität noch einer der anderen Polarität folgt. So kann z. B. eine binäre "1" durch einen positiven Impuls, auf den ein negativer folgt, dargestellt werden und eine binäre 11O" durch einen negativen Impuls, auf den ein positiver folgt.Certain types of memory in digital computing systems deliver output signals in which each output pulse of one polarity is followed by another polarity. So z. B. a binary "1" can be represented by a positive pulse followed by a negative one and a binary 11 O "by a negative pulse followed by a positive one.
Um eine binäre "1" oder eine "θ" beim Lesen zu erkennen, kann jeweils der erste Impuls dieser Signale, die diese Binärziffern darstellen, mittels eines PrUfimpulses ausgewählt werden, um eine bistabile Schaltung einzustellen. Diese Art der Unterscheidung zwischen den gespeicherten Binärwerten ist jedoch für größere Speicher unzweckmäßig, da der zeitliche Verlauf der Lesesignale sich dabei ändern kann.To recognize a binary "1" or a "θ" when reading, you can use the first pulse of these signals representing these binary digits, be selected by means of a test pulse in order to set a bistable circuit. This kind of distinction between the stored However, binary values are inexpedient for larger memories, since the timing of the read signals can change.
Für größere Speicher ist eine multistabile Schaltung mit J5 stabilen Betriebszuständen geeignet, die nur durch den ersten Impuls einesFor larger memories, a multi-stable circuit with J5 is stable Operating states suitable that only through the first pulse of a
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Impulspaares beeinflußt wird. Die multistabile Schaltung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei identische gegenseitig miteinander gekoppelte bistabile Schaltungen enthält, die, wenn sie sich in entgegengesetzten Betriebszuständen befinden, den zweiten bzw. dritten Betriebszustand der multistabilen Schaltung ergeben, während sie, wenn sie sich beide in gleichen Betriebszuständen befinden, den ersten Betriebszustand der multistabilen Schaltung ergeben. Die multistabile Schaltung ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß sie Je nach der Polarität eines Eingangsimpulses aus ihrem ersten in den zweiten oder in den dritten Betriebszustand umgeschaltet wird, der durch einen nachfolgenden Eingangsimpuls entgegengesetzter Polarität und gleicher Amplitude nicht mehr beeinflußbar ist und daß das Umschalten der multistabilen Schaltung aus dem zweiten Betriebszustand in den dritten oder umgekehrt nicht direkt, sondern nur nach Rückstellen in den ersten Betriebszustand möglich ist.Pulse pair is influenced. The multistable circuit according to the Invention is characterized in that it contains two mutually identical contains bistable circuits coupled to one another which, when they are in opposite operating states, the second and third operating states of the multistable circuit result, while they, when they are both in the same operating states are located, result in the first operating state of the multistable circuit. The multistable circuit is further characterized by depending on the polarity of an input pulse, it switches from its first to the second or to the third operating state which can no longer be influenced by a subsequent input pulse of opposite polarity and the same amplitude and that switching the multistable circuit from the second operating state to the third or vice versa is not direct, but is only possible after resetting to the first operating state.
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Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Zeichnungen beschrieben, in denen darstellt:The invention is described below with reference to the drawings, in which represents:
Fig. 1 die beiden Arten von Kurvenverläufen, die die vorliegende multistabile Schaltung voneinander unterscheiden muß,Fig. 1 shows the two types of curves that make up the present must distinguish multi-stable circuit from each other,
Fig. 2 ein Schaltbild der multistabilen Schaltung gemäß der Erfindung undFig. 2 is a circuit diagram of the multistable circuit according to the invention and
Fig. 3> das Strom-Spannungsdiagramm einer Tunneldiode, wie sie in der Schaltung nach Fig. 5 verwendet wird.Fig. 3> the current-voltage diagram of a tunnel diode as shown in the circuit of Fig. 5 is used.
Bestimmte Arten von Speichern für digitale Rechenanlagen, insbesondere Speicher für zerstörungsfreies Lesen und Festwertspeicher liefern Ausgangssignale der in Fig. 1 gezeigten Form. Das in der Fig. (A) dargestellte Signal besteht aus einem positiven Impuls, auf den ein negativer Impuls folgt und stellt die Binärziffer 4 dar, während das in der Fig. 1 (B) wiedergegebene Signal, bei dem auf einen negativen Impuls ein positiver Impuls folgt, die Binärziffer 0 darstellt. Certain types of memories for digital computing systems, in particular memories for non-destructive reading and read-only memories, supply output signals of the form shown in FIG. The signal shown in FIG. (A) consists of a positive pulse followed by a negative pulse and represents the binary digit 4 , while the signal shown in FIG. 1 (B), in which a negative pulse is followed by a positive one Impulse follows, which represents the binary digit 0.
Ein Verfahren, um zwischen diesen beiden Arten von Signalen zu unterscheiden, besteht darin, sie einer Schaltung mit drei stabilen Zuständen zuzuführen, die einen ersten stabilen Zustand aufweist,A method of distinguishing between these two types of signals is to apply them to a three stable state circuit which has a first stable state,
und aus dem sie durch einen positiven Impuls in einen zweitenand from which it turns into a second by a positive impulse
- a se durch einen negativen Im- ■- a se through a negative Im- ■
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puls in einen dritten stabilen Zustand übergeht. Wenn die Schaltung sich in ihrem zweiten stabilen Zustand befindet, wird sie für einen nachfolgenden negativen Impuls unempfindlich gemacht, bis sie in ihren ersten stabilen Zustand rückgestellt wird. In ähnlicher Weise wird die Schaltung, wenn sie sich in ihrem dritten stabilen Zustand befindet, für einen nachfolgenden positiven Impuls unempfindlich gemacht, so daß die Schaltung nicht direkt aus ihrem zweiten in den dritten Zustand umgeschaltet werden kann.pulse passes into a third stable state. When the circuit is in its second stable state, it is made insensitive to a subsequent negative impulse until it reaches its first stable state is reset. Similarly, the circuit will when it is in its third stable state is made insensitive to a subsequent positive pulse so that the circuit does not go directly from its second to the third state can be switched.
Eine Schaltung, die diese Forderungen erfüllt, ist in der Pig. 2 · dargestellt. Die Schaltung enthält ein Paar von NPN-SiIiziumtransistoren T1 und Tp, deren Emitter mit dem Erdpotential verbunden sind und deren Kollektoren über die Widerstände R1 und FU an ein positives Potential angeschlossen sind. Zwei Germanium-Tunneldioden D1 und Dp sind zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors T1 in Reihe geschaltet., so daß die Richtung des Durchlaßstromes in den Tunneldioden die vom Kollektor zur Basis ist. Die' Tunneldioden D1 und D2 bilden daher eine Gegenkopplungsverbindung für den Transistor T1.A circuit that meets these requirements is in the Pig. 2 · shown. The circuit contains a pair of NPN silicon transistors T 1 and Tp, the emitters of which are connected to ground potential and the collectors of which are connected to a positive potential via the resistors R 1 and FU. Two germanium tunnel diodes D 1 and Dp are connected in series between the collector and the base of the transistor T 1 , so that the direction of the forward current in the tunnel diodes is that from the collector to the base. The tunnel diodes D 1 and D 2 therefore form a negative feedback connection for the transistor T 1 .
In gleicher Weise sind zwei Germanium-Tunneldioden D,- und Dg zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistor^ Tg in Reihe geschaltet. ' In the same way, two germanium tunnel diodes D, - and Dg are between the collector and the base of the transistor ^ Tg connected in series. '
Die Transistoren T1 und T2 sind miteinander Über^Siliziumdioden D5 und D1^ gekoppelt. Die Diode D5 ist zwischen den Kollektor des Tran-Docke t 45 7'12The transistors T 1 and T 2 are coupled to one another via ^ silicon diodes D 5 and D 1 ^. The diode D 5 is between the collector of the Tran-Docke t 45 7'12
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sistors T.. und der Basis des Transistors Tp angeschlossen und die Diode D^, zwischen dem Kollektor des Transistors T2 und der Basis des Transistors T1. In beiden Fällen ist die Richtung des Durchlaßstromes durch die Dioden, die vom Kollektor zur Basis.sistor T .. and the base of the transistor Tp connected and the diode D ^, between the collector of the transistor T 2 and the base of the transistor T 1 . In both cases, the direction of the forward current through the diodes is from the collector to the base.
Zwei weitere Transistoren T-, und T^ sind so angeschlossen, daß sie die Eingangsstufe eines Differenzverstärkers bilden. Der Kollektor des Transistors T, ist mit der Basis des Transistors T- und der Kollektor des Transistors T^, mit der Basis des Transistors T2 verbunden, und die Emitter der Transistoren T^ und Th sind über den Widerstand R-, an ein negatives Potential angeschlossen.Two further transistors T-, and T ^ are connected so that they form the input stage of a differential amplifier. The collector of the transistor T, is connected to the base of the transistor T- and the collector of the transistor T ^, to the base of the transistor T 2 , and the emitters of the transistors T ^ and Th are connected to a negative via the resistor R- Potential connected.
Eingangssignale der in Fig. 1 dargestellten Art werden zwischen den Basisanschlüssen der Transistoren T, und T1^ angelegt.Input signals of the type shown in Fig. 1 are applied between the base terminals of the transistors T 1 and T 1 ^.
Die Strom-Spannungskennlinie der Tunneldioden D1, D2, D5 und Dg ist in Fig. 2 dargestellt. Der Höckerstrom Ih beträgt 5 mA. Zur Erklärung der Wirkungsweise der Schaltung wird angenommen, daß jeder der Transistoren T, und T^, bei fehlendem Eingangssignal einen Strom von 3,5 mA führt.The current-voltage characteristic of the tunnel diodes D 1 , D2, D 5 and Dg is shown in FIG. The hump current I h is 5 mA. To explain the mode of operation of the circuit, it is assumed that each of the transistors T 1 and T 1 carries a current of 3.5 mA in the absence of an input signal.
Es wird zunächst das Verhalten des Transistors T1 bei fehlender Kopplung durch die Dbden D-, und D^ betrachtet. Wenn die Tunneldioden D1 und D2 im Zustand niedriger Spannung sind, leitet der Transistor T1, wird aber durch die Gegenkopplungswirkung der Tunneldioden daran gehindert, in den Sättigungsbereich zu gelangen. Der Wert desFirst, the behavior of the transistor T 1 in the absence of coupling by the Dbden D-, and D ^ is considered. When the tunnel diodes D 1 and D 2 are in the low voltage state, the transistor T 1 conducts, but is prevented from reaching the saturation region by the negative feedback effect of the tunnel diodes. The value of the
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Widerstandes R1 ist so gewählt, daß der Transistor T1 einen Strom . von 5 niA führt. Da der Basisstrom des Transistors T1 vernachlässigbar klein ist, fließt im wesentlichen der gesamte Strom von 2,5 «A, den der Transistor T, führt, durch die Tunneldioden D1 und Dg. Da die Tunneldioden im Zustand niedriger Spannung sich befinden, beträgt die Potentialdifferenz zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors T1 ungefähr 0,1 V.Resistance R 1 is chosen so that the transistor T 1 has a current. from 5 niA leads. Since the base current of transistor T 1 is negligibly small, essentially the entire current of 2.5 A that transistor T 1 carries flows through tunnel diodes D 1 and Dg. Since the tunnel diodes are in the low voltage state, the potential difference between the collector and the base of the transistor T 1 is approximately 0.1 V.
Der Transistor T2 leitet in ähnlicher Weise bei einer Potentialdifferenz von ungefähr 0,1 V zwischen seinem Kollektor und seiner Basis, wobei die zugehörigen Tunneldioden D5 und Dg sich ebenfalls im Zustand niedriger Spannung befinden.The transistor T 2 conducts in a similar manner at a potential difference of approximately 0.1 V between its collector and its base, the associated tunnel diodes D 5 and Dg also being in the low voltage state.
Die Siliziumdioden D5 und D2^ besitzen eine SchwäLlwertspannung von ungefähr 0,5 V,unterhalb der sie im wesentlichen nicht- leitend sind. Da die Potentialdifferenz an den Dioden D-, und D2^ ungefähr 0,1 V beträgt, besteht zwischen dem Kollektor des Transistors T1 und der Basis des Transistors T2 und zwischen dem Kollektor des Transistors T2 und der Basis des Transistors T1 eine vernachlässigbare Stromleitung.The silicon diodes D 5 and D 2 ^ have a threshold voltage of approximately 0.5 V, below which they are essentially non-conductive. Since the potential difference at the diodes D- and D 2 ^ is approximately 0.1 V, there is between the collector of the transistor T 1 and the base of the transistor T 2 and between the collector of the transistor T 2 and the base of the transistor T 1 a negligible power line.
Die Schaltung weist daher einen ersten stabilen Zustand auf, in dem sowohl der Transistor T1 als auch der Transistor T2 einen Strom von etwa 5 mA führen, wobei die Tunneldioden sieh im Zustand niedriger Spannung befinden.The circuit therefore has a first stable state in which both the transistor T 1 and the transistor T 2 carry a current of approximately 5 mA, the tunnel diodes being in the low voltage state.
Die Empfindlichkeit der Eingangsschaltung ist derart, daß ein posi-The sensitivity of the input circuit is such that a positive
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tiver Eingangsimpuls ein Ansteigen des Stromes durch den Transistor T, Ui 2 BiA. und ein entsprechendes Verringern des Stromes durch den Transistor Tj, um 2 raA verursacht, und daß ein negativer Eingangsimpuls ein Anwachsen des Stromes durch den Transistor T^ um 2 mA und ein Absinken des Stromes durch den Transistor T-, um 2 mA hervorruft. tive input pulse an increase in the current through the transistor T, Ui 2 BiA. and a corresponding reduction in the current through the Transistor Tj, caused by 2 raA, and that a negative input pulse an increase in the current through the transistor T ^ by 2 mA and a decrease in the current through transistor T- causes 2 mA.
Es sei zuerst die Wirkung eines positiven Eingangsimpulses auf die Schaltung betrachtet, wenn sich diese in ihrem ersten stabilen Zustand befindet. Der Strom durch die Tunneldioden D1 und Dp steigt von 3,5 mA auf 5*5 mA an, so daß die tunneldioden in den Zustand hoher Spannung umgeschaltet werden. Der Spannungsabfall an dem Tunneldiodenpaar D-, D2 beträgt etwa 0,9 V. Wenn die Kopplungsdiode D-, in der Schaltung nicht vorhanden wäre, würde die Kollektorspannung des Transistors T.. auf etwa 1,5 V ansteigen, aber die Diode D, leitet und begrenzt die Kollektorspannung des Transistor T1 auf etwa 1,2 V. Die Basisspannung des Transistors T1 fällt daher^ auf 0,3 V (1,2 - 0,9) und der Transistor sperrt. Wenn der Transistor T-. sperrt, fließt ein beträchtlicher Teil des Stromes, der ihn vorher durchfloß, Jetzt durch die Diode D-*.Let us first consider the effect of a positive input pulse on the circuit when it is in its first stable state. The current through the tunnel diodes D 1 and Dp increases from 3.5 mA to 5 * 5 mA, so that the tunnel diodes are switched to the high voltage state. The voltage drop across the tunnel diode pair D-, D 2 is about 0.9 V. If the coupling diode D- were not present in the circuit, the collector voltage of the transistor T .. would increase to about 1.5 V, but the diode D would , conducts and limits the collector voltage of transistor T 1 to about 1.2 V. The base voltage of transistor T 1 therefore falls ^ to 0.3 V (1.2-0.9) and the transistor blocks. When the transistor T-. blocks, a considerable part of the current that previously flowed through it now flows through the diode D- *.
Am Ende des positiven Eingangsimpulses nehmen die Ströme in den Transistoren,*!!,, und T^ ihren früheren Wert von 3,5 mA an. Der die Diode D, durchfließende Strom von ungefähr 5 mA teilt sich so auf, daß 3*5 mA durch den Transistor T^ und die restlichen 1,5 mA die Tunneldioden Dc, D/r in der Sperr ich tung durchfließen, und eine Po-At the end of the positive input pulse, the currents in the transistors, * !! ,, and T ^ assume their previous value of 3.5 mA. The current of about 5 mA flowing through the diode D is divided so that 3 * 5 mA flow through the transistor T ^ and the remaining 1.5 mA through the tunnel diodes D c , D / r in the blocking device, and one Butt
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tentialdifferenz von ungefähr -0,1 V zwischen dem Kollektor und derpotential difference of approximately -0.1 V between the collector and the
j-. - ■j-. - ■
Basis des Transistors T2, hervorrruft. Die Kollektorspannung des Transistors T2 beträgt daher jetzt 0,5 V und die Spannung an der Diode D2, beträgt 0,5 - 0,5 V, d. h. 0,2 V, was noch nicht ausreicht, um die Diode Dj, leitend zu machen. Die Schaltung ist Jetzt in ihrem zweiten stabilen Zustand.Base of transistor T 2 causes. The collector voltage of the transistor T 2 is therefore now 0.5 V and the voltage across the diode D 2 is 0.5-0.5 V, ie 0.2 V, which is not yet sufficient to make the diode Dj conductive do. The circuit is now in its second stable state.
In ähnlicher Weise bringt ein negativer Eingangsimpuls, die^Schaltung, wenn sie sich in ihrem ersten stabilen Zustand befindet, in den dritten stabilen Zustand, in welchem der Transistor T2 sperrt,· die Tunneldioden D,- und Dg sich im Zustand hoher Spannung befinden und die Tunneldioden D- und D2 im Sperrbereich arbeiten.Similarly, a negative input pulse brings the circuit, when it is in its first stable state, into the third stable state, in which the transistor T 2 blocks, the tunnel diodes D, - and Dg are in the high voltage state and the tunnel diodes D and D 2 work in the blocking range.
Das Zuführen eines negativen Eingangsimpulses ist, wenn sich die Schaltung in ihrem zweiten stabilen Zustand befindet, unwirksam, um die Schaltung in ihren ersten stabilen Zustand zurück- oder in den dritten stabilen Zustand umzuschalten, in dem der Transistor T2 gesperrt bleibt, da eine Änderung des Stromes im Transistor T^ von 3,5 mA auf 5*5 mA nicht ausreicht, um die Tunneldioden D1- und Dg in den Zustand hoher Spannung umzuschalten. In der Tat wächst der die Tunneldioden D5 und D^ in Durchlaßrichtung durchfließende Strom nur auf 0,5 mA an, welcher Wert noch erheblich unter dem Wert des Höckerstromes I, liegt. Darüber hinaus verringert die Abnahme des den Transistor T, durchfließenden Stromes um 2 mA, die durch das Zuführen eines negativen Eingangsimpulses verursacht ist, den Strom durch die Tunneldioden D^ und D auf 1,5 mA, welcher Stromwert ungefährThe supply of a negative input pulse is ineffective when the circuit is in its second stable state in order to switch the circuit back into its first stable state or to switch over to the third stable state in which the transistor T 2 remains blocked because of a change of the current in the transistor T ^ from 3.5 mA to 5 * 5 mA is not sufficient to switch the tunnel diodes D 1 - and Dg to the high voltage state. In fact, the current flowing through the tunnel diodes D 5 and D ^ in the forward direction only increases to 0.5 mA, which value is still considerably below the value of the hump current I i. In addition, the decrease in the current flowing through the transistor T 1 by 2 mA, which is caused by the supply of a negative input pulse, reduces the current through the tunnel diodes D ^ and D to 1.5 mA, which current value is approximately
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0,9 mA größer ist als der Talstrom I^ der Tunneldioden, so daß die Tunneldioden D1 und D2 im Zustand hoher Spannung bleiben.0.9 mA is greater than the valley current I ^ of the tunnel diodes, so that the tunnel diodes D 1 and D 2 remain in the high voltage state.
Die Schaltung kann in ihren ersten stabilen Zustand durch Stromzufuhr an den Kollektoren der Transistoren T, und -T^. ^n ih^sn ersten stabilen Zustand rückgestellt werden. Dieser Strom sollte ausreichend sein, um eine Verringerung des in Vorwärtsrichtung durch die beiden Tunneldiodenpaare auf einen Stromwert zu bewirken, der kleiner als der Talstrom I^ ist, so daß die Tunneldioden aus dem Zustand hoher Spannung in den Zustand niedriger Spannung umgeschaltet werden.The circuit can be in its first stable state by supplying current to the collectors of the transistors T 1 and T ^. ^ n ih ^ sn first stable state to be reset. This current should be sufficient to cause a reduction in the forward direction through the two pairs of tunnel diodes to a current value which is less than the valley current I ^, so that the tunnel diodes are switched from the high voltage state to the low voltage state.
Die Schd. tung nach Fig. 2, die drei stabile Zustände aufweist, kann von ihrem ersten stabilen Zustand, in dem beide Transistoren T1 und Tp leiten, in den zweiten stabilen Zustand umgeschaltet werden, in dem der Transistor T..aufgrund eines Eingangssignals der in der Fig.1 (A) dargestellten Art gesperrt ist, oder sie kann in den dritten stabilen Zustand umgeschaltet werden, in welchem der Transistor Tg aufgrund eines Eingangssignals der in der Fig. 1 (B) gezeigten Art gesperrt ist.The damage 2, which has three stable states, can be switched from its first stable state, in which both transistors T 1 and Tp conduct, to the second stable state, in which the transistor T .. due to an input signal in the 1 (A) is blocked, or it can be switched to the third stable state, in which the transistor Tg is blocked on the basis of an input signal of the type shown in FIG. 1 (B).
Die in Reihe geschalteten Germanium-Tunneldiodenpaare D1, D2 und D^, Dg können durch einzelne Galliumarsenid-Tunneldioden ersetzt werden.The series-connected germanium tunnel diode pairs D 1 , D 2 and D ^, Dg can be replaced by individual gallium arsenide tunnel diodes.
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