DE1537155C - Schnellschaltende Verknupfungsschal tung mit Transistoren - Google Patents

Description

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Basis desselben Transistors, während bei der vor- impedanz der Ausgangsklemme 3 herabzusetzen,

stehend genannten Weiterbildung der Erfindung die Diese Maßnahme ist aber dadurch beschränkt, daß

Kollektoren unabhängig von der Basis des Mehr- der Leistungsverbrauch des NICHT-Glieds größer

kollektortransistors sind. wird und damit eine bestimmte Grenze für die Ver-

Die Erfindung wird ferner ausgestaltet durch ihre 5 minderung des Widerstandes 5 besteht.

Verwendung in einem ODER-Glied, derart, daß Eine weitere, allgemein bekannte Maßnahme zur

die Verknüpfungsanschlüsse einerseits und die Aus- Vermeidung des geschilderten Nachteiles soll an

gänge andererseits mehrerer Verknüpfungsschaltun- Hand der F i g. 2 beschrieben werden, die ein wei-

gen jeweils parallel geschaltet sind. teres impulsverstärkendes NICHT-Glied zeigt. Dieses

Schließlich ist es zweckmäßig, die Verknüpfungs- io NICHT-Glied enthält eine mit der Basis eines npnschaltung in einem NAND-Glied derart zu verwen- Transistors 6 verbundene Eingangsklemme 1, eine den, daß ihr Eingang an den Ausgang eines Mehr- Klemme 2 zum Anschluß einer Kollektor-Speiseemittertransistors angeschlossen ist. spannung +E, eine Ausgangsklemme 3, npn-Tran-

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung nach- sistoren 7 und 8, eine Diode 9 und Widerstände 10,

stehend näher erläutert. Es zeigt 15 11 und 12 mit bestimmten Funktionen. Man erkennt,

F i g. 1 das Schaltbild eines bekannten impuls- daß in F i g. 2 der Kollektorwiderstand 5 der F i g. 1

verstärkenden NICHT-Glieds in seiner einfachsten durch den Transistor 8 eines Emitterfolgers sowie

Form, den Basiswiderstand 11 für den Transistor 8 ersetzt

Fig. 2 das Schaltbild eines weiteren bekannten ist. Der Widerstand 12 dient als Schutzwiderstand,

impulsverstärkenden NICHT-Glieds, das aus dem 20 Der Transistor? arbeitet nun so, daß die Ladung,

von F i g. 1 hervorgegangen ist, die in der oben beschriebenen kapazitiven Last auf

Fig. 3 und 4 je ein Diagramm zur Erläuterung einem Spannungspegel von »1« gespeichert ist,

der Wirkungsweise des NICHT-Glieds der F i g. 2, schnell ausgeglichen wird. Das NICHT-Glied der

F i g. 5 und 6 jeweils das Schaltbild eines Aus- F i g. 2 wird hauptsächlich als letzte Stufe einer

führungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verknüp- 25 schnellschaltenden DTL-Schaltung oder einer schnell-

fungsschaltung, schaltenden TTL-Schaltung benutzt und gewöhnlich

F i g. 7 und 8 ein Diagramm zur Erläuterung der als Totem-Schaltung bezeichnet.

Wirkungsweise der Verknüpfungsschaltungen der Im folgenden wird die Arbeitsweise des NICHT-

F i g. 5 und 6, Glieds der F i g. 2 beschrieben. Dabei sei voraus-

F i g. 9 das Schaltbild einer Verknüpfungsschal- 30 gesetzt, daß mit F₁ die jeweilige Eingangsspannung

tung mit mehreren parallelgeschalteten Verknüp- ■ an der Klemme 1, mit F₃ die von der Klemme 3 ab-

fungsschaltungen der Fig. 5, geleitete Ausgangsspannung und mit V₆ die KoI-

F i g. 10 eine Kombination erfindungsgemäßer Ver- lektorspannung des Transistors 6 bezeichnet ist. Die

knüpfungsschaltungen von Fig. 11b und charakteristischen Betriebszustände des NICHT-

Fig. 11a und 11b das Schaltbild eines weiteren 35 Glieds der Fig. 2 sind in den Fig. 3 und 4 in vier

Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ver- Bereiche a, b, c und d unterteilt, wobei die Knick-

knüpfungsschaltung mit der Verknüpfungsschaltung punkte der Spannungen F₃ und F₆ in bezug auf die

in Fig. 5. Spannung F₁ als Grenzen zwischen den einzelnen

In Fig. 1, die ein bekanntes NICHT-Glied in Bereichen genommen sind. Im Bereich α befinden seiner einfachsten Form zeigt, ist mit 1 eine Ein- 40 sich die Transistoren 6 und 7 in ihrem Sperrzustand, gangsklemme bezeichnet, die mit der Basis eines während der Transistor 8 leitend bzw. gesättigt ist; npn-Transistors 4 verbunden ist. Der Kollektor des im Bereich b sind die Transistoren 6 und 8 in ihrem Transistors 4 ist über einen Widerstand 5 mittels leitenden Zustand, während der Transistor 7 noch in einer Klemme 2 an eine Sparinungsquelle +E ange- seinem Sperrzustand verbleibt; im Bereich c befinden schlossen. Mit 3 ist eine Ausgangsklemme bezeich- 45 sich sämtliche Transistoren 6, 7 und 8 in ihrem leinet. Der Transistor 4 wird bekanntlich durch eine der tenden Zustand (bzw. befinden sich die Transisto-Eingangsklem'me 1 zugeführte Spannung in Abhän- ren 7 und 8 in ihrem Sättigungszustand, während der gigkeit von dieser Spannung in seinen leitenden oder Transistor 6 leitend bleibt); im Bereich d schließlich nichtleitenden Zustand versetzt. Im leitenden Zustand liegen die Transistoren 6 und 7 in ihrem Sättigungsdes npn-Transistors 4 ist die Ausgangsklemme 3 über 50 zustand, während der Transistor 8 gesperrt ist.
einen sehr niedrigen Kollektor-Emitter-Sättigungs- Innerhalb des Bereiches α hat die an der Ausgangswiderstand geerdet. Dagegen verschlechtert im Sperr- klemme 3 erscheinende Spannung F₃ einen Wert E', zustand des Transistors 4 jede geringfügige kapazi- der um die Summe der Schwellenspannung der tive Belastung die Impulsform des Ausgangssignals, Diode 9 in Vorwärtsrichtung und der Basis-Emitterweil die Speisespannung +E an der Ausgangs- 55 Schwellenspannung des Transistors 8 niedriger als E klemme 3 über den Widerstand 5 erscheint, der einen ist. Innerhalb des Bereiches b wird der Transistor 6 verhältnismäßig hohen Widerstandswert hat. in seinen leitenden Zustand gebracht, so daß der

Darüber hinaus ergeben sich mit zunehmender Kollektorstrom zu fließen beginnt. Als Ergebnis stellt Schaltgeschwindigkeit des NICHT-Glieds nennens- sich ein Spannungsabfall am Kollektorwiderstand 11 werte Schwierigkeiten sogar dann, wenn die kapazi- 60 des Transistors 6 ein. Dieser Abfall der Kollektortive Belastung in der Größenordnung einiger pF spannung F₆ führt zu einer Verringerung der Ausliegt. Eine vollkommene Beseitigung einer derartigen gangsspannung F₃ an der Ausgangsklemme 3, wobei kapazitiven Belastung ist im Hinblick auf die Grenz- die Ausgangsspannung F₃ sich in Abhängigkeit vom Schichtkapazität des Transistors 4 und die Streu- Verlauf der Kollektorspannung F₆ des Transistors 6 kapazität der mit der Klemme 3 verbundenen Über- 65 ändert. Es fließt jedoch kein Kollektorstrom durch tragungsleitung unmöglich. Man hat deshalb im all- den Transistor 8, da der Transistor 7 noch in seinem gemeinen bisher versucht, den Widerstandswert des gesperrten Zustand verharrt.
Widerstandes 5 zu verringern, um die Ausgangs- Im Bereich c gelangt der Transistor 7 in seinen

leitenden Zustand, so daß ein Leitungsweg für den Emitterstrom des Transistors 8 vorliegt. Deshalb beginnt ein Strom durch die Transistoren 7 und 8 zu fließen, bis schließlich ein sogenannter Spitzenstrom erreicht ist, der durch den Schutzwiderstand 12 begrenzt ist und angenähert durch die Beziehung EIR₁₂ (R_n ist der Widerstand des Schutzwiderstandes 12) gegeben ist. Beim Übergang zum Bereich d werden die Transistoren 6 und 7 in ihren Sättigungszustand versetzt und die Diode 9 sowie der Transistor 8 rasch gesperrt, so daß der durch das NICHT-Glied fließende Strom plötzlich abnimmt, um in seinen stationären Zustand im Bereich d zu gelangen. Man erkennt also, daß der über die Klemme 2 der Kollektor-Speisespannung +E fließende Strom sich in bezug auf die Eingangsspannung F₁ in einer Weise ändert, wie sie in F i g. 4 dargestellt ist. Dies bedeutet, daß das große Ausgangssignale liefernde NICHT-Glied der F i g. 2 mit zwei Nachteilen behaftet ist, nämlich einer unerwünschten Abnahme der Rauschgrenze auf Grund des Abfalls der Ausgangsspannung F₃ im Bereich b und dem Auftreten des Spitzenstromes im Bereich c.

Der Spitzenstrom kann beseitigt werden, indem man eine Vielzahl von Dioden 9 in Reihe schaltet oder den Widerstandswert des Widerstandes 11 vergrößert, um einen so steilen Abfall der Spannungen F₃ und F₆ im Bereich b zu erhalten, daß die an der Klemme 3 erscheinende Spannung E' zu Beginn des Bereiches c verkleinert ist. Eine solche Maßnahme ist jedoch für ein NICHT-Glied unerwünscht, das mit einer hohen Schallgeschwindigkeit arbeiten und große Ausgangssignale liefern soll. Die Diode 9 dient als pegelschiebendes Element, das eingeschaltet ist, um den Sperrzustand des Transistors 8 positiv zu beeinflussen. Es kann jedoch an Stelle der Diode 9 jedes andere Pegelschiebeelement verwendet werden. Ein solches Pegelschiebelement wird die gleiche Funktion haben, wenn es am Ort der Diode 9 oder im Emitterkreis des Transistors 8 angeordnet ist. Es sei bemerkt, daß ein solches Pegelschiebelement für die Erfindung nicht von Bedeutung ist.

Ein wesentlicher Fortschritt der Erfindung besteht darin, daß sowohl der unerwünschte Spitzenstrom als auch die Verschlechterung der Rauschgrenze eines NICHT-Glieds von der Art nach Fig. 2 vermieden werden können und außerdem ein Verknüpfungsanschluß vorgesehen ist, so daß durch die Erfindung eine über ein bloßes NICHT-Glied hinausgehende Verknüpfungsschaltung geschaffen wird. Zwei Ausführungsbeispiele einer F i g. 2 entsprechenden erfindungsgemäßen Verknüpfungsschaltung mit großen Ausgangssignalen sind in den F i g. 5 und 6 dargestellt, wobei der F i g. 2 entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 2 versehen sind. Darüber hinaus sind in den F i g. 5 und 6 mit 13 und 19 weitere Transistoren und mit 16 ein Verknüpfungsanschluß bezeichnet. In F i g. 5 sind die Transistoren 7 und 13 von F i g. 6 durch den Transistor 19 mit zwei Kollektoren 20 und 21 ersetzt.

Die Verbesserung, welche die Ausführungsform der F i g. 6 (und ähnlich von F i g. 5) hinsichtlich des Spitzenstroms und der Rauschgrenze bewirkt, soll zunächst an Hand der F i g. 7 und 8 beschrieben werden. Dabei gibt die F i g. 7 an, wie das Anlegen einer positiven Eingangsspannung F₁ an der Klemme 1 eine entsprechende Änderung der Kollektorspannung F₆ des Transistors 13 und der Ausgangsspannung F₃ an der Klemme 3 verursacht. Der entsprechende Spannungsverlauf erklärt sich daraus, daß der Transistor 13 in ähnlicher Weise wie der Transistor 6 in F i g. 2 wirkt, und zwar so, daß der Transistor 13 in den Bereichen α und b gesperrt ist und sich im Bereich c in seinem leitenden Zustand und im Bereich d in seinem Sättigungszustand befindet.

In dem Bereich c, in dem ein Spitzenstrom zu erwarten ist, wird der Transistor 7 so gesteuert, daß ein

ίο Strom fließen kann. Gleichzeitig wird der Transistor 13 leitend und ermöglicht einen Stromfluß durch eine Schleife, die den Widerstand 11 enthält. Dementsprechend kann durch die Anwesenheit des Transistors 13 ein größerer Strom durch den Widerstand 11 fließen als für den Fall, daß der Transistor 13 nicht vorhanden wäre. Die Folge ist eine weitere Potentialverminderung an der Basis des Transistors 8 in einem solchen Ausmaß, daß sowohl der Transistor 7 als auch der Transistor 8 gleichzeitig in ihren

so Sättigungszustand gelangen. Auf diese Weise wird das Fließen eines unerwünschten Spitzenstromes verhindert. Genauer gesagt, ist der durch den Transistor 13 fließende Spitzenstrom durch den Kollektorwiderstand 11 auf einen Wert beschränkt, der angenähert durch die Beziehung AEIR₁₁ gegeben ist, wobei JE ein Maß der Änderung der Kollektorspannung F₆ des Transistors 13 im Bereich c und R₁₁ der Widerstandswert des Kollektorwiderstandes 11 ist. Der durch die Klemme 2 für die Speisespannung +E fließende Strom I₂ ändert sich demnach in bezug auf die Eingangsspannung V₁ gemäß der in F i g. 8 dargestellten Weise. Man erkennt daraus, daß ein unerwünschter Spitzenstrom im wesentlichen beseitigt werden kann.

Zusammenfassend kann festgestellt werden: Die Transistoren 13 und 19 der Verknüpfungsschaltungen nach den Fig. 5 und 6 können im Bereich c von F i g. 7 gleichzeitig gesperrt, leitend und ausgesteuert sein. Der Transistor 8 befindet sich nur dann in seinem leitenden Zustand oder Sättigungszustand, wenn die Transistoren 13 und 19 gesperrt sind, während im leitenden Zustand oder Sättigungszustand der Transistoren 13 und 19 der Transistor 8 gesperrt bleibt, falls seine Basisspannung in bezug auf seine Emitterspannung nicht die Emitter-Basis-Schwellenspannung übersteigt. Auf diese Weise errichten die Transistoren 8 und 7 einen Leitungsweg für den Spitzenstrom, so daß dieser nicht auftreten kann.
Der bereits erwähnte Verknüpfungsanschluß 16 von F i g. 5 und 6 erfüllt eine Verknüpfungsfunktion zum Aufbau einer übergeordneten Verknüpfungsschaltung, insbesondere eines ODER-Glieds. Ein solches ODER-Glied wird nun an Hand der F i g. 9 beschrieben.

Das ODER-Glied der Fig. 9 umfaßt eine Parallelschaltung von Verknüpfungsschaltungen 30 und 31, von denen jede der Verknüpfungsschaltung der F i g. 5 gleicht. Die Verknüpfungsanschlüsse der Verknüpfungsschaltungen 30 und 31 sind durch eine Verbindungsleitung 32 zusammengeschaltet, um die ODER-Verknüpfung zu erzielen. Falls beide Ausgangsklemmen 33 und 34 sich entweder auf einem niedrigen Pegel bzw. einem als logischen Wert »0« angenommenen Pegel der Kollektorsättigungsspannung oder auf einem hohen Pegel bzw. einem als logischen Wert »1« angenommenen Pegel der Speisespannung +E befinden, haben die Verknüpfungsanschlüsse das gleiche Potential, so daß die da-

Claims (5)

1 2 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Patentansprüche: gesättigte schnellschaltende Verknüpfungsschaltung zu schaffen, deren Teilschaltungen keine unerwünsch-

1. Schnellschaltende Verknüpfungsschaltung ten Spitzenströme von der sie versorgenden Strommit Transistoren, gekennzeichnet durch 5 quelle ziehen und je einen. Verknüpfungsanschluß einen Mehrkollektortransistor (19) in Emitter- aufweisen, der unabhängig vom Ausgang der beschaltung, von dem die Basis mit dem Eingang treffenden Teilschaltung ist.

(1), ein erster Kollektor (20) sowohl mit der Diese Aufgabe: wird für eine schnellschaltende Basis eines Transistors (8) als auch mit einem Verknüpfungsschaltung gelöst durch einen Mehr-Verknüpfungsanschluß (16) und ein·zweiter KoI- io kollektortransistor in Emitterschaltung, von dem die lektor (21) sowohl mit dem Emitter des Tran- Basis mit dem Eingang, ein erster Kollektor sowohl sistors (8) als auch mit dem Ausgang (3) verbun- -mit der Basis eines Transistors als auch mit einem den ist (Fig. 5). Verknüpfungsanschluß und ein zweiter Kollektor so-

2. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 1, wohl mit dem Emitter des Transistors als auch mit dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kollek- 15 dem Ausgang verbunden ist. .

tor (21) des Mehrkollektorentransistors (19) . Es war zwar bereits eine Pufferschaltung bekannt

durch den Kollektor eines weiteren Transistors (vgl. »Electronics«, März 1966, S. 50, Fig. IA), die

(7) ersetzt ist, dessen Basis mit dem Eingang (1) unter anderem eine Ausgangsschaltung und. eine

verbunden ist (F i g. 6). diese ansteuernde Ansteuerschaltung hat, wobei die

3. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 1 so ,Ausgangsschaltung zwei in Reihe geschaltete Tranoder 2, gekennzeichnet durch ihre Verwendung sistoren aufweist, zu denen ein als Emitterfolger ge-

in einem ODER-Glied, derart, daß die Verknüp- schalteter, erster Transistor gehört, dessen Kollektor ₍>fungsanschlüsse (32) einerseits und die Ausgänge an eine Stromquelle angeschlossen ist, wobei die An- ^ ' (33, 34) andererseits mehrerer Verknüpfungs- steuerschaltung einen dritten Transistor hat und wo-

schaltungen jeweils parallel geschaltet sind 25 bei der Ausgang der Pufferschaltung an eine den (F i g. 9). . ersten und zweiten Transistor verbindende Leitung

4. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 1 angeschlossen ist. Ferner ist die Basis des zweiten oder 2, gekennzeichnet durch ihre Verwendung Transistors über zwei Widerstände mit der Basis des in einem NAND-Glied, derart, daß ihr Eingang dritten Transistors verbunden. Dabei werden der an den Ausgang eines Mehremitter (38)-Tran- 30 erste und zweite Transistor mit Eingangssignalen gesistors(35) angeschlossen ist (Fig. lla). speist, die entgegengesetzte Phase aufweisen, so daß

5. Verknüpfungsschaltung nach einem der vor- die Gefahr eines fehlerhaften Betriebs der Schaltung hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch infolge hier ebenfalls aus der Stromquelle gezogener ihre Ausführung in integrierter Schaltungs- Stromspitzen durch Zeitverzögerung zwischen diesen technik. 35 Eingangssignalen besteht.

Ein bekanntes ODER-Glied (vgl. französische Patentschrift 1 462 845) hat zwei Teilschaltungen,

die ähnlich der bekannten Pufferschaltung aufgebaut

und keine NICHT-Glieder sind, wobei außerdem der 40· Emitter des dritten Transistors mit einer Diode verbunden und die Basis des .zweiten Transistors von der Basis des dritten Transistors getrennt ist.

Die Erfindung betrifft eine schnellschaltende Ver- Schließlich ist eine Treiberschaltung beschrieben

knüpfungsschaltung mit Transistoren. worden (vgl. »Proceedings of the IEEE«, Vol. 52,

Transistor-Verknüpfungsschaltungen (im folgen- 45 1964, Dezember, S. 1549, 1550, Fig. 8), die Ahnden vereinfacht nur als Verknüpfungsschaltungen lichkeiten mit der erwähnten bekannten Pufferschalbezeichnet) werden im allgemeinen in zwei Gruppen tung, insbesondere hinsichtlich der Ausgangsschalunterteilt, nämlich in gesättigte und in ungesättigte tung, hat. .

Verknüpfungsschaltungen. Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungs-

Zur ersten Gruppe der gesättigten Verknüpfungs- 50 gemäßen Verknüpfungsschaltung, die sich besonders schaltungen gehören die Schaltungen der Wider- gut zur Herstellung als integrierte Schaltung eignet, stands-Transistor-Logik (RTL), der direkt gekoppel- besteht darin, daß der zweite Kollektor des Mehrten Transistor-Logik (DCTL), der Dioden-Tran- kollektorentransistors durch den Kollektor eines sistor-Logik (DTL), der Transistor-Transistor-Logik weiteren Transistors ersetzt ist, dessen Basis mit dem (TTL) usw., während zu den ungesättigten Verknüp- 55 Eingang verbunden ist.

fungsschaltungen beispielsweise die Schaltungen der Durch diese Ausgestaltung der Erfindung wird er-

Stromart-Logik (CML, auch emittergekoppelte Tran- reicht, daß der dritte Transistor (der Ansteuerschalsistor-Logik ECL genannt) zu zählen sind. tung) mit seiner Basis und seinem Emitter direkt,

Sowohl die gesättigten als auch die ungesättigten d.h. ohne zwischengeschaltcte Widerstände, parallel Verknüpfungsschaltungen lassen sich mehr oder we- 60 zur Basis und zum Emitter des zweiten Transistors niger stark modifizieren. So ist beispielsweise die geschaltet ist, indem der zweite und dritte Transistor lastkompensierte Dioden-Transistor-Logik eine Mo- durch einen einzigen Mehrkollektortransistor ersetzt difikation des DTL-Typs. Die gesättigten Verknüp- sind, so daß die Ansteuerschaltung einen zusätzlichen fungsschaltungen werden im allgemeinen für Schalt- Strompfad von der Stromquelle gewährleistet,
vorgänge benutzt, die von langsam bis schnell 65 In der dritten Literaturstelle (vgl. Fig. 6) ist wohl reichen.' Die ungesättigten Verknüpfungsschaltungen für Verknüpfungsschaltungen die Verwendung von sind hauptsächlich für außerordentlich hohe Schalt- Transistoren mit mehreren Emittern angegeben, geschwindigkeiten vorgesehen. jedoch sind die Emitter elektrisch abhängig von der