DE1512518A1 - Gatterschaltkreis - Google Patents

Description

• Gatterschaltkreis Die Erfindung bezieht sich auf Gatterschaltkreise zur Verarbeitunbinärer Signale, insbesondere auf. Schaltkreise, rlen die sich für die Horstellung in monolitischer Bauweise eig u.i:i eine hohe Sicherheit gegen Störbeeinflussung bei geringer eigener Störerzeugung aufweisen.

  L:" i:;t bekannt, zur Verminderung der Störerzeugung die Aus-

  ,f,3

  von von Schaltkreisen so zu formen, daß ihre an--

  steigenden und abfallenden Planken geradlinig und im Rahmen der zulässigen Gatterlaufzeit bzw. der erforderlichen Schaltgeschwindigkeit möglichst flach verlaufen. Die Ausgangsverstirkerstufen der Gatter schaltkreise werden daher mit einer kapazitiven Gegenkopplung versehen. Sobald die zu einer derartigen Verstärker stufe gehörenden Transistoren in den Verstärkungsbereich getrieben werden, wirkt die Schaltun; als Miller-Integrator. Die Flanken der Ausgangs impulso werden dann weitgehend unabhängig von der Stromverstärkung der Transistoren und der Größe und Art der Belastung in definierter Weise abgeflacht (NTZ 18, Heft 12, Dez. 1965, Seiten 689 - 692). Es zeigt sich, daß Gatterschaltkreise mit kapazitiv gegengekoppelten Ausgangsstufen auch eine hohe dynamische Störsicherheit haben. Unter dynamischer Störsicherheit wird hier die Sicherheit gegen die Einwirkungen kurzer Störimpulse, deren Dauer klein gegen die Intcgrationszeit des Miller-Integrator2 ist, verstanden Für Störimpulse die länger als die Integrationszeit sind, gilt die statische Störsicherheit. Sie erreicht dann besonders günstige Werte, wenn a) der Signalhub, d. h. der Untersc4ied zwischen den Signalwerten, die den beiden binären Zuständen entsprechen, möglichst groß wird, b) der Übergangsbereich, in dem eine Änderung des Eingangssignals eine Änderung des Ausgangssignals hervorruft, möglichst klein ist, c) der Übergangsbereich möglichst genau beim halben _ Signalhub liegt.
• Bei den bekannten Schaltungsanordnungen, die beispielsweise aus Eingangsstufen, in denen die gewünschten logischen Verknüpfungen vorgenommen werden, und aus z u riiller-Integratoren erweiterten Ausgangsstufen bestehen, werden letztezt;mit vollem Signalhub angesteuert, um eine starke Übersteuerung zu erzielen. Um eine bestimmte Flankendauer der Auogangssignale zu erhalten, muß die Gegenkopplungskapazitüt verhältnismäßig groß gemacht werden. Derartige Schaltungsanordnungen eignen sich daher nur schlecht' oder

  gar nicht zur Herstellung in integrierter Technik, Bei

  dieser Herstellungsgreise, deren Bedeutung ständig zunimmt, werden Kapazitäten im allgemeinen durch Sperr schichtkapazitäten realisiert. Mit vertretbarem Aufwand lassen sich hierbei nur kleine Kapazitäten im Wert von mehrerer Picofarad erzielen.
• Es ist die Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen vorzusehen, durch welche Gatterschaltkreise unter Verelendung an sich bekannter Eingang;.;- und Auogangsgtufen so dimensioniert werden können, daß sie auch für die Her:@tellung in monolithischer Bauweise geeignet sind, insbesondere also nur kleine Gegenkopplungskapazitäten zur Erzeugung einer relativ großer Plankendauer erfordern.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst,daß bei einem Gatter Schaltkreis zwischen Eingangsstufe und Ausgangsstufe eine Begrenzerstufe angeordnet ist, die den zur Steuerung der Ausgangsstufe verwendeten Spannungssprung (Litegrationssprung) auf einen konstanten Wert begrenzt.
• Die Flankendauer des Integrationssprunges soll im Vergleich zur Flankendauer der Ausgangsimpuls vernachlässigbar.
• klein sein.Das Niveau des Sprunges kann so festgelegt werden, daß die Ausgangsstufe ansteigende und abfallende Planken von gleicher Dauer erzeugt.
• Am einfachsten lassen sich derartige Spannungssprünge durch Diodenbegrenzer herstellen. Obwohl hierbei der Spannungssprung dieselbe Steilheit.viie das Eingangssignal besitzt, wird die Plankendauer des Spannungssprunges infolge der Begrenzung im allgemeinen genügend klein.
• Eine erhebliche Versteilerung der Planken der Spannungsspränge und damit nahe-zu eine völlige Unabhängigkeit von der Flankendauer der Eingangsimpulse ".rird durch Vorschalten eines Verstärkers, beispielsweise eines zweistufigen Emitterverstürkero vor den Diodenbegrenzer erreicht. Geeignete Spannungssprünge mit kurzer, von der Form der Lingangoimpulse praktisch unabhängiger Plani`-zendauer können auch durch den Einsatz von begrenzenden Verstärkern anstelle der Diodenbegrenzer erzielt werden. Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Die Fig. 1 die vollständige Schaltungsanordnung eines Gatter schaltkreises gemäß der Erfindung mit einem Diodenbegrenzer, die fig. 2a bis 2i einige weitere Ausführungsbeispiele von Diodeabegrenzern, die fig. '> ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Gatterkreis mit einem Diodenbegrenzer,

  die Pig. 4 einen Gatterschaltkrei_s mit einem den Dioden-

  b1 e;r enzer vorgeschalteten zweistufigen Verstärker,

  die 'ig. 5a oi s 5c Ausfühxungsbeispiele von zweistufigen

  r'-, Ver.#, ta.:er n,

  die Pig. 6a bi;; 6n Diodenbegrenzer; die sich zusammen mit

  den Ver stliricern nach den Fig. 5a bis 5c verwenden lassen ,

  die Pig. 7a bi2 7b einen Gatterschaltkreis mit einem begrenzenden Verstärker, und die fig. B bis 10 aus Gatterschaltkreisen gemäß der Erfindung aufgebaute Schaltungsanordnungen zur zeitlichen Beeinflussung von Impulsen.
• Die Schaltungsanordnung nach Pig. 1 ist durch senkrechte strichpunktierte Linien in drei Abschnitte I bis III unterteilt. Die Eingangsstufe im Abschnitt I mit den Transistoren 1 und 2 dient zur logischen Verknüpfung der an den Klemmen 3 und 4 anliegenden Eingangssignale. Die Ansprechsch;elle des Gatterschaltkrcises wird durch den Widerotand 5 in Verbindung mit dem nachfolgenden Schaltungsteil gebildet.

  Dic/.iargestellte Eingangsstufe läßt sich in verschiedener

  Weise abwandeln oder durch andere bekannte Eingangsstufen ersetzen. Durch Parallel: chalten weiterer Verknüpfungstransistoren zu den vorhandenen Transistoren kann die Anzahl der zu verknüpfenden Eingänge vergrößert werden.
• Es ist ferner bekannt, den Widerstand 5 zur Schwellenbildung durch eitle Diode oder durch die Serienschaltung mehrerer Dioden zu ersetzen (DAS 1 233 436). Anstolle der Eingangstransistoren können auch Dioden für die logische Verknüpfuung Verwendung finden (EEE-Circuit Design Engineering, August 1916, Seite 42). Im Abschnitt III der Fig. 1 ist als Beispiel eine im wesentlichen durch die deutsche Patentschrift 1 039 570 bekannte Ausgangsschaltung dargestellt. Zwischen der Ausgangsklemme 6 und der Basis des ersten Transistors 7 der .Ausgangsstufe ist eine Diode 8 so angeschaltet, daß ihre Polung von der Basis aus gesehen mit der der Basis-Emitterstrecke des Transistors 7 übereinstimmt. Durch die Diode 8 wird eine kleine Integrationskapazität realisiert, die die Ausgangsstufe im Übergangsbereich zwischen den beiden möglichen Signalzuständen zum Miller-Integrator macht. Die Integrationszeitkonotante ist im wesentlichen durch die Sperrschicht-Kapazität der Diode 8 und durch die Parallelschaltung des Widerotandes 9 und des Eingangswiderstandes des Transistors 7 im Übergangsbereich gegeben. Im stationären Zustand wird die Ausgangsklemme 6 je nach dem henachenden Steuerpotential nieder ohmig mit dem: Bezugspotential 0 oder mit den freien Pol Uv der Versozgungsspannungsquelle verbunden. Der Abschnitt II der Schaltungsanordnung in Pig. 1 zeigt eine gemäß der Erfindung zwischen die Eingangsstufe I und die Ausganges tufe III eingefügte Begrenzerstufe in Por m eines Dioclenbrgrenzers. Der Verbindungspunkt mit der Eingangsstufe ist mit F3 bezeichnet, der Verbindungspunkt mit der Auogangs stufe mit E. Die Auoführung der Begrenl<ritufe richtet sich hauptsächlich nach. dem zur Aussteuerung der Ausgangsstufe erforderlichen Spannungssprung (Amplitude) und dem Niveau des Spannungssprunges. Der in Fig. 1 gezeigte Diodenbegrenzer mit zwei in Serie geschalteten Dioden 10 und 11 liefert Spannungssprünge von 2 Dioden-(Durchlaß-)Spannungen, d. ho zwis:ten p V und etwa + 1,4 V gegen das Bezugspotential (bei Silizium als Halbleitermaterial), entsprechend der Ansprechschwelle der Ausgangsstufe von 1 Diodenspannung.
• Ein der Serienschaltung der Dioden 10 und.11 parallelgeschalteter Widerstand 12 verhindert, daß sich der als Quellwiderstand für die Steuerung der Ausgangsstufe wirkende Begrenzerwiderstand in zu vreiten Grenzen ändert, was eine Krümmung der Flanken der Ausgangsimpulse zur Folge hätte. Ueilere Ausführungsbeispiele von Diodenbegrenzern, die an die Stelle des in Fig. 1 gezeigten Diodenbegrenzers gesetzt vrerden können, sind in Pig.2a bis 2c dargestellt.
• Die jeweiligen Verbindungspunkte zur Eingangs- und Ausgangsstufe sind wie in Fig. 1 mit B und E bezeichnet.
• Fig. 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die untere Diode 13 auch im Ruhezustand, d. h. ohne daß von der Eingangsstufe her eine Spannung anliegt, durch ein Vorström auf einem Arbeitspunkt in Nähe ihres Kennlinienknicks eingestellt ist. Der auftretende Integrationssprung bewegt sich also zwischen 1 Diodenspannung und 2 Diodenspannungen. Im Ausführungsbeispiel nach Pig. 2b ist, vom Beispiel nach Fig. 1 ausgehend, die obere Diode durch einen Widerstand 14 ersetzt. Eine andere Gruppe von Diodenbegrenzern zur Erzeugung von Spannun--;ssprüngen bis zur Größe von 3 Diodenspannungen ist in Fig. 2d bis 2i gezeigt. Diese Begrenzer werden vorzugsweise dann eingesetzt, vrenn der Schwellwert der Ausgangsstufe bei 2 Diodenspannungen liegt. Ein Bei-, spiel hierfür gibt Fig. 3, die wieder ein vollständiges Schaltbild eines Gätterschaltkreises enthält. Durch die Vorschaltung eines Transistors 15 vor die Ausgangsstufe nach Fig. 1 wird die Ansprechschwelle erhöht. Dementsprechend müßtc sich der Spannungssprung zur Ansteuerung zwischen dem hohen Wert von 3 Diodenspannungen und dem tiefen feit von 1 Diodenspannung gegen das Bezugspotential beriegen. Tatsächlich liegen jedoch bei dem in Fig. 3 eingezeichneten-Diodenbegrenzer (entsprechend Pig. 2d) die beiden Spannungsniveaus im stationären Zustand einerseits bei 3 Diodenspanriungen gegen das Bezugspotential und andererseits beim Bezugspotential selbst. Berücksichtigt man aber wiederum, daß die Begrenzerdioden beim hohen Steuerpotential niederohmig, beim niedrigen Steuerpotential dagegen hochohmig sind, so ergibt sich, daß bei geeigneter Bemessung des zur Serienschaltung der Dioden parallezi "liderstandes trotzdem einander völlig entsprechende ansteigende und abfallende Flanken der Ausgangssignale erzielt werden können. Die Ausführungsform von Diodenbegrenzern nach Pig. 2e-2i unterscheiden sich irr "-resentlichen von der Ausführungsform nach Fig. 2d bzw. Fig. 3 durch die Höhe des niedrigen Potentials. Arthand der vorstehenden Erläuterungen lassen sich Einzelheiten aus der Zeichnung entnehmen. Bei den meisten der bisher behandelten, sowie bei weiteren im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sind besondere Anschlußpunkte D vorgesehen. denn bei monolit-ischer Bauweise mehrere Gatterschaltkreise auf einer jemeinsamen Halbleiterplatte (Chip) sitzen, können jeweils die Dioden zwischen dem Anschlußpunkt D und dem Bezugspotential von allen gemeinsam benützt werden. Dadurch ergibt sich unter Umständen eine merkliche Ersparnis. YJie schon erwähnt, kann eine erhebliche Versteilerung des Integrationssprunges und damit dessen nahezu völlige Unabhängigkeit von der Flankendauer der Eingangsimpulse durch Vorschalten eines zvreistufigen Emitterverstärkers vor den Diodenbegrenzer erreicht vrerden. Ein Ausführungsbei.opiel eitles Gatterschaltkreises mit einer derartigen Begrenzerstufe zeigt Fig. 4. 111s eine von mehreren möglichen Eingangsstufen wurde in Fig. 4 eine an sich bekann lote Eingangsstufe gewählt, bei der die logische Verknüpfung der Eingangssignale mit einer Diodenkombination vorgenommen wird. Als Schwellenteil dient ein Transistor. Die Ausgangsstufe entspricht der" Ausgangsstufe nach 3. Die in Pig. 4 dargestellte Begrenzerstufe liefert in Abhängigkeit von de- Kombination der Eingangssignale ein hohes Potential Ion 3 Diodenspannungen und ein tiefes Potential von 1 Diodenspannung. In beiden Fällen ist der Ausgangswiderotand der Begrenzerstufe klein. Sowohl der Verstärkerteil als auch der Begrenzerteil der Begrenzerstufe können vielfältig abgewandelt werden. In Fig. 5a ist der nach Fig. 4 verwendete VerstUrkerteil der Begrenzerstufe nochmals abgebildet. Die Schnittstellen zum eigentlichen Begrenzerteil (Diodeabegrenzer) sind mit E1, E2 und E3 bezeichnet. Dieselben Bezeichnungen sind in den Fig. 6a bis 6n enthalten, welche Diodenbegrenzer zeigen, .die in Verbindung mit der, Verstärker nach Pig. 5a eingesetzt werden können. Jeweils gleichbezeichnete Anschlußpunkte sind zu verbinden. Die verschiedenen Begrenzerstufen, die jeweils aus dem Verstärker nach Fig. 5a und einem der Diodenbegrenzer nach fig. 6a bis 6n zusammengesetzt sind, unterscheiden sich voneinander durch die Größe des Integrationsssprunges und durch dessen Niveau. Weitere Kombinationsmöglichkeiten

  die

  ergeben sich, wenn/bei den Diodenbegrenzern nach Pig. 6a

  bis 6n teilweise vorgesehenen Widerstände durch Dioden ersetzt werden. Anstelle der Verstärkerstufe nach Fig. 5a lassen sich auch die Verutärkerstufen nach Fig. 5b oder 5c mit den Diodenbegrenzern nach Fig. 6a bis 6n kombinieren.
• Die Fig. 7a zeigt. einen Gatterschaltkreis, bei dem die Begrenzerstufe durch einen begrenzenden Verstärkertransistor 17 gebildet wird. Die Begrenzung wird durch die entsprechend niedrige Betriebsspannung dieses Transistors erreicht. Zur Stabilisierung dieser Betriebsspannung ist eine an sich bekannte Schaltungsanordnung nach Pig. 7b vorgesehen, die gegebenenfalls auch für mehrere Gatterschaltkreise gemeinsam sein kann. Werden die jeweils mit den gleichen Bezugsleichen F und H des Begrenzerverstärkers nach Fig. 7a und der Stabilisierungseinrichtung nach Fig. 7b bezeichneten Funkte miteinander verbunden, so ergibt sich, wie unmittelbar au; der Zeichnung zu ersehen ist, ein tiefes Ausgangspotential der Begrenzerstufe von 1 Diodengpannung und ein hohes Potential von 3 Diodenspannungen (4 Dioden.in Serie minus 1 Basis-Emitter-Strecke des Transistors 15. Infolge des in der gemeinsamen Emitterzuleitung für die Transistoren 16 und 17 liegenden Durchlaßwiderstandes der Diode zwischen Punkt F uhd dem Bezugspotential ergibt sich in der Begrenzerstufe neben einer geringen Hysterese ein Kippverhalten. Dies trägt wesentlich zur Versteilerung 11 des Spannungssprunges bei. Nachdem die Schaltungsanordnungen nach Pig. 4 einschließlich ihrer Varianten nach den Fig. 5 und 6 und insbesondere nach Fig. 7 Integrationssprünge erzeugen, deren Plankendauer von der Flankendauer der Eingangsimpulse praktisch völlig unabhängig ist, =eignen sie sich in besonderer Weise auch für den Aufbau von Einrichtungen, mit denen Impulse ver;:igert oder in ihrer Dauer verändert vrerden können. Hierzu ist es zweckmäßig, jeweils den Basisanschluß des ersten Transistors der Ausgangsstufe, der zugleich einer der Anschlußpunkte der Integrationskapazität ist, auf eine äußere Klemme Z herauszuführen. (Anschluß Z in Fig. 7a). Zwischen diese Klemme Z und die Ausgangsklemme 6 tann dann parallel zur innren Integrationskapazität eine KapazitlUt C geschaltet werden, mit der sich die Plankendauer über das gewöhnliche Maß hinaus verlängern , läßt. Anhand der Fig. 8 bis 10 sollen im folgenden einige Ausführungsbeispiele voll Zeitschaltungen beschrieben vierden. Die zur Darstellung der Gatterschaltkreise in den Fig. 8 bis 10 verwendeten Symbole gelten unter der Voraussetzung, daß deri binären Zustand "1" das höhere (positive) Signalpotential und dem binären Zustand "0" das tiefere Signalpotelltial zugeordnet ist.
• Die Pig. 8 zeigt eine Serienschaltung von zwei Gatterschaltkreisen zur Verzögerung von Signalen. Durch die zusätzliche Kapazität C am ersten Schaltkreis wird die Plankendauer des Ausgangssignals dieses Schaltkreises verlängert und damit der Zeitpunkt hinausgeschoben, in dem der zureite Schaltkreis anspricht. Der zweite Schaltkreis regeneriert die Signalflanke wieder.
• Eine Anordnung zur Erzeugung von Impulsen definierter Dauer ist in Fig. 9 gezeigt. Das Eingangssignal liegt gleichzeitig am Eingang des ersten Schaltkreises und an einem der Eingänge des zweiten Schaltkreises an. Im Ruhezustand sei das Signalpotential hoch. Das Potential am Ausgang des zweiten Schaltkreises ist somit tief. Ein Umschlag des Eingangssignals bewirkt einen Anstieg des Ausgangssignals auf den oberen `fiert. Nach einer bestimmten,. durch die Plankendauer des ersten Schaltkreises gegebenen Verzögerungszeit wird der zweite Schaltkreis wieder gesperrt. Die Dauer der Ausgangsimpulse kann höchsi:iis gleich der kürzesten Zeitdauer gemacht werden, in der das Eingangssignal den Viert "0" annimmt. Eine weitere Anordnung zur Erzeugung von Impulsen definierter Dauer ist in Fig. 10 gezeigt. Im Anfangszustand möge an beiden Eingänj en des ersten Schaltkreises ein "0"-Signal anliegen. Infolge der doppelten Inversion führt auch der Ausgang des dritten Schaltkreises ein "0". Ein "1" Impuls an Eingang des ersten Schaltkreises setzt sich auf den Ausgang des dritten Schaltkreises durch. Die Rückführung auf den zweiten Eingang des ersten Schaltkreiscü bewirkt die Aufrechterhaltung dieses Zustandes, auch wenn der Eingangsimpuls bereits zu Ende ist. Nach der eirege stellten Verzögerungszeit geht jedoch der Ausgang des zweiten Schaltkreises in den "1"-Zustand über und sperrt wie bei der Anordnung nach Fig. 9 den dritten Schaltkreis. Die Dauer der Eingangsimpulse ist beliebig, jedoch muß er mindestens solange als die Paarlaufzeit über zwei Schaltkreise ohne zusätzliche Verlängerung der Flankendauer, d. h. etwa länger als die Integrationszeit des ersten bzw. dritten Schaltkreises sein.

Claims (4)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e 0 Gatterschaltkreis, insbesondere zum Aufbau in monolitischer Baureise, mit einer Eingangsstufe zur logischen Verknüpfung von binären Eingangssignalen und einer Ausgangsstufe nach Art des Miller-Integrators zur Bilduni; von Ausgangssignalen mit linear ansteigenden bz"-i. abfallenden Planken bestimmter Dauer, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Eingangsstufe und Ausgangsstufe eine Berenzerstufe angeordnet ist, die den zur Steuerung der Ausgangsstufe verwendeten Spannungssprung (Integrationssprung) auf einen konstanten Wort begrenzt.
2. 2. Gatterschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzer stufe aus in Serie geschalteten Dioden bestellt und das anliegende Signal auf die Summe der Durchlaßspannungen dieser: Diodei, begrenzt wird (Diodenbegrenzer).
3. 3. Gatterschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzerstufe aus einem zweistufigem Emitterverstärker mit nachgeschalteten Diodenbegrenzer besteht.
4. 4. Gatterochaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, deA3 die .:13e@;ren@cr;;tufe aus einem begrenzendere Verstärker besteht, dessen Versorg ungsspannunö den zu erzielenden Spannungssprung entspricht.