DE1537972C3

DE1537972C3 - Schaltanordnung zur Verbesserung der An- und Abschalteigenschaften eines Schalttransistors einer binären Schaltung

Info

Publication number: DE1537972C3
Application number: DE1537972A
Authority: DE
Inventors: Ronald Llewellyn Scottsdale Ariz. Treadway (V.St.A.)
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1967-02-28
Filing date: 1968-02-27
Publication date: 1979-12-13
Also published as: FR1564732A; SE327216B; DE1537972A1; GB1202154A; JPS5123142B1; US3555294A; BE711307A; DE1537972B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung zur Verbesserung der An- und Abschalteigenschaften eines Schalttransistors einer binär arbeitenden Schaltung.

Die für das Abschalten eines Transistors erforderliche Zeit hängt im wesentlichen von der Zeit ab, die für das Entfernen der Ladung aus der Basiszone des Transistors erforderlich ist. Sie ist besonders wichtig bei schnellen binären Schaltungen, beispielsweise bei in der sogenannten TTL-Schaltungstechnik aufgebauten Schaltungen. TTL-Schaltungen (Transistor-Transistor-Logik-Schaltungen) besitzen einen Ausgangstransistor, der einen relativ hohen Strom führt, da in einer solchen Schaltung die gesamte Schaltzeit der logischen Schaltung praktisch von der Schaltzeit des Ausgangstransistors bestimmt wird.

Aus der deutschen Auslegeschrift 11 58 566 ist es bekannt, die Entladung, des Basisgebietes eines Transistors durch einen Entladewiderstand, auch Ableitwiderstand genannt, zu bewirken, der im allgemeinen zwischen die Basis des Transistors und ein Bezugspotential geschaltet wird. Beim Abschalten des Transistors kann die Ladung der Basiszone über den Ableitwiderstand abfließen. Anordnungen mit einem Ableitwiderstand besitzen jedoch den Nachteil, daß die Steuerquelle für den Transistor durch diesen Ableitwiderstand belastet wird, selbst dann, wenn der Transistor abgeschaltet ist. Dies hat einmal zur Folge, daß die Anordnung empfindlich gegenüber Störsignalen wird, weil diese eine Stromänderung in dem Ableitwiderstand und damit eine Spannungsänderung am Ausgang des Transistors bewirken und zum anderen, daß die Übertragungscharakteristik bezüglich der Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Eingangsspannung ungünstig beeinflußt wird, weil der für binäre Schaltungen wesentliche scharfe Knick in dem Wechsel der '

Spannungszustände nicht mehr vorhanden ist; das Ableitwiderstand schneidet, wie später noch beschrieben wird, diesen Knick ab. Die bekannte Schaltung muß daher besondere Schalteinrichtungen vorsehen, um die niederohmige Ableitstrecke für die im Basisraum des Schalttransistors befindlichen Ladungsträger gesondert hochohmig zu schalten.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung zu schaffen, bei der die An- und Abschalteigenschaften eines Schalttransistors einer binären Schaltung verbessert werden, ohne daß dazu eine besondere Schalteinrichtung notwendig ist.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung durch einen zwischen Steuerelektrode des Schalttransistors und einem Bezugspotential mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke derart geschalteten Ableittransistor, daß er gleichzeitig mit dem Schalttransistor stromführend ist, wobei zwischen Steuerelektrode des Schalttransistors und mindestens einer Elektrode des Ableittransistors ein Bauelement zur Strombegrenzung

vorgesehen ist. ι

Dies hat den Vorteil, daß die Abschaltung des Schalttransistors bei niederohmiger Ableitstrecke für die Ladungsträger im Basisraum des Schalttransistors und das anschließende Hochohmigschalten dieser Ableitstrecke und demzufolge später auch eine kürzere Wiedereinschaltzeit (was bessere An- und Abschalteigenschaften ergibt) automatisch abläuft und damit zusätzlicher Steueraufwand vermieden ist.
Zwar zeigt die deutsche Auslegeschrift 12 18 507 eine Schaltungskonfiguration, die bei bestimmter Anordnung von zusätzlichen äußeren Verbindungen der erfindungsgemäßen Schaltung scheinbar ähnlich ist, doch dient der aus dieser Schrift bekannte Baustein einem ganz anderen Zweck als die vorliegende Schaltung. Außerdem ist es notwendig, ganz bestimmte, dieser bekannten Schrift nicht entnehmbare galvanische Verbindungen herzustellen, und zudem noch den entsprechenden Eingängen getrennte, voneinander verschiedene Schaltsignale zuzuführen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie aus der folgenden Beschreibung.

Die Erfindung wird dabei in Zusammenhang mit TTL-Schaltungen gebracht, die aus mindestens einem Treibertransistor bestehen, der direkt in Kaskade zwischen einem Ausgangstransistor und einer binären Signalquelle liegt. Der Ausgangstransistor ist entweder gesättigt oder gesperrt, je nach dem Wert des binären Signals am Ausgang der TTL-Schaltung. Dieser Ausgangstransistor besitzt beim Sperreg^eine beträchtliche Ladungsmenge in seinem Basisgebiet, so daß die Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung auf diesen Transistor die gesamte logische Schaltung verbessert. Es zeigt

F i g. 1 eine besonders günstige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltanordnung,

F i g. 2 die erfindungsgemäße Schaltanordnung nach F i g. 1 bei einer binären Schaltung in Form eines TTL-Nand-Tores,

F i g. 3 die Anordnung der F i g. 1 bei einem TTL-UND-Tor,

F i g. 4 die Anordnung der F i g. 1 bei einer kombinierten UND/NAND-TTL-Schaltung, die die Eigenschaft der in den F i g. 2 und 3 gezeigten Schaltkreise kombiniert, um die binäre UND/NAND-Funktion zu liefern, und

F i g. 5 eine Übertragungskennlinie, bei der Eingangsspannung gegen die Ausgangsspannung für die in den F i g. 2 bis 4 gezeigten Schaltkreise aufgetragen ist, wobei der gestrichelte Linienteil der Kennlinie einen Teil der Kennlinie von bekannten binären TTL-Schaltkreisen mit Entladewiderstand darstellt.

In F i g. 1 ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltanordnung zur Verbesserung der An- und Abschalteigenschaften eines Schalttransistors gezeigt. Besonders geeignet ist diese Schaltung 19 für binär arbeitende Schaltkreise, wie sie in F i g. 2 bis 4 gezeigt sind.

Das Netzwerk nach Fig. 1 enthält einen Transistor 20 mit Basiswiderstand 24 und Kollektorwiderstand 22, der zwischen der Basis des Ausgangstransistors 44 in den Fig. 2 bis 4 und einem Bezugspotentialpunkt Vee geschaltet werden kann.

Die binäre TTL-Schaltung gemäß F i g. 2 weist einen Mehrfach-Emittereingangstransistor 26 mit mehreren Eingangsanschlüssen 28, 30, 32 und 34 auf, die mit binären Signalquellen verbunden werden können. Ein Treibertransistor 40 liegt mit seiner Basis direkt an dem Kollektor des Eingangstransistors 26; der Transistor 40 wird hier deshalb als Treibertransistor bezeichnet, weil er den Basisstrom für den Ausgangstransistor 44 liefert, mit welchem er verbunden ist. Die logische Schaltung der Fig.2 weist außerdem einen zweiten Ausgangstransistor 48 auf, der im Gegentakt mit dem Ausgangstransistor 44 verbunden ist, und einen zweiten Treibertransistor 46, der zwischen dem Kollektor des Transistors 40 und der Basis des zweiten Ausgangstransistors 48 liegt. Der Transistor 46 sorgt für den Basisstrom des Ausgangstransistors 48, wenn der Kollektor des Transistors 40 von einem niedrigen zu einem hohen Potential wechselt.

Die Kollektorlastwiderstände 42,52 und 54 liegen an den Kollektoren der Transistoren 40,50 bzw. 48, um die gewünschten Strompegel für die Schaltvorgänge zu gewährleisten; Quellen des Kollektor- und Emitterpotentials Vcc und Vee liegen jeweils an den Ausgängen 38 und 47 des Spannungsspeisegeräts.

Wie oben erwähnt, liegt die erfindungsgemäße Schaltanordnung 19 direkt zwischen der Basis des Ausgangstransistors 44 und einem Bezugspotential Vee 47, das in diesem Beispiel das Erdpotential ist.

Die weiteren Komponenten der binären Schaltkreise in den F i g. 2, 3 und 4 werden nicht weiter beschrieben. Die in der F i g. 2 benutzten Bezugszeichen werden dabei auch in den Fig.3 und 4 benutzt, um entsprechende Schaltungskomponenten, die identische Funktionen innerhalb der drei gezeigten binären Schaltungen erzeugen, zu kennzeichnen.

Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der

ίο erfindungsgemäßen Schaltanordnung gemäß Fig. 1 in Verbindung mit den Schaltungen der F i g. 2 bis 4, sei zunächst angenommen, daß das Netzwerk 19 in F i g. 2 in bekannter Weise durch einen einzigen Ableitwiderstand (nicht dargestellt) ersetzt ist, der dann zwischen der Basis des Ausgangstransistors 44 und dem Erdpotential Vee liegen würde. Bei Benutzung eines positiven binären Signals (bei Fehlen der UND-Bedingung an den Anschlüssen 28, 30, 32 und 34) ist der Ausgangstransistor 44 gesperrt, und der Ausgangstransistor 48 führt Strom durch die Ausgangsanschlüsse 45 zu einer äußeren Leitung (nicht dargestellt). Es sei nun angenommen, daß die an die Anschlüsse 28, 30, 32 und 34 des Eingangstransistors 26 angelegten binären Signale alle ausreichend hoch sind, um die Spannung der Mehrfachemitterbasisverbindungen des Eingangstransistors 26 teilweise umzukehren und den Strom über den Basis-Kollektor-Übergang des Transistors 26 und in die Basis des Stromsteuertransistors 40 zu treiben. Der Strom wird durch den oben beschriebenen Ableitwiderstand fließen, und dieser Strom ist nahezu gleich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 40 minus der Schleusenspannung des Transistors 24 plus der Eingangsspannung dividiert durch den Wert des Ableitwiderstandes. Der Spannungsabfall über dem Ableitwiderstand vor dem Zeitpunkt, zu dem sich der Ausgangstransistor 44 ein- oder ausschaltet, wird durch die in Serie liegenden Emitter-Basis-Gebiete der Transistoren 46 und 48 übertragen und erscheint an dem Ausgangsanschluß 45. .

Der Abfall in der Ausgangsspannung am Ausgangsanschluß 45 ist in Fig. 5 mit einem Anstieg der Eingangsspannung gezeigt; der gestrichelte Teil 15 der Stromspannungsansteuercharakteristik wird durch den in dem Ableitwiderstand fließenden Strom erzeugt.

Der Ableitwiderstand kann also im bekannten Fall zwar eine Entladung der Basiszone beim Sperren des Transistors herbeiführen, er beeinflußt jedoch beim Ansteuern die Kennlinie nach Fig.5, die einen möglichst rechteckigen Verlauf haben soll.

Wie man aus der folgenden Beschreibung erkennt, wird der Teil 15 der Kennlinie durch den Teil 13 in F i g. 5 ersetzt, wenn die erfindungsgemäße Schaltung angewendet wird.

Im folgenden soll nun beschrieben werden, wie das Netzwerk 19 wirkt, das in Fig.2 an der Basis des Ausgangstransistors angeschlossen ist. Es soll dabei zunächst der Vorgang des Aufsteuerns erläutert werden. Weil die Schleusenspannung des Transistors 20 von demselben Wert wie die Spannung über der Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors 44 ist, fließt zunächst kein Strom durch die Widerstände 22 und 24 und den Ableittransistor 20. Der vom Treibertransistor 40 gelieferte Strom baut nur Ladungen im Schalttransistor 44 auf. Erst wenn der Transistor 44 aufgesteuert ist, fließt auch über das Netzwerk 19 Strom. Das Netzwerk 19 stellt daher im Zeitpunkt des Aufsteuerns des Schalttransistors einen nahezu unendlichen Widerstand dar, so daß durch das Netzwerk 19 die Kurve 13 gemäß

F i g. 5 erreicht werden kann.

In der erfindungsgemäßen Ableitschaltung 19 ist an sich nur der Widerstand 24 funktionell notwendig. Wegen nicht vorhersehbarer Ungenauigkeiten bei der Herstellung der Elemente ist es jedoch von Vorteil, auch den Widerstand 22 vorzusehen. " ,

Der in der F i g. 3 gezeigte binare Schaltkreis unterscheidet sich von dem in F i g. 2 gezeigten darin, daß ein Umkehrtransistor 43, ein Kollektorlastwiderstand 49 und eine Diode 51 zu den Schaltungskomponenten in F i g. 2 hinzugefügt worden sind. Die Zufügung dieser drei Komponenten zu dem in F i g. 2 gezeigten Schaltkreis gewährleistet, daß die logische UND-Funktion durch den binären Schaltkreis in F i g. 3 durchgeführt werden kann. Wenn der Transistor 40 in F i g. 3 aufgesteuert wird, reicht die Spannung an der Basis des Umkehrtransistors 43 nicht aus, um letzteren Transistor einzuschalten; die Spannung an der Basis des Treibertransistors 46 ist jedoch ausreichend hoch, um die Transistoren 46 und 48 leitend vorzuspannen. Der Ausgangstransistor 44 wird abgeschaltet, und das binäre Niveau an dem Ausgangsanschluß 45 ist hoch, d. h. binär »Eins«.

Wenn einer der Eingänge des Eingangstransistors 26 auf niedrigem Niveau liegt, schaltet sich der Transistor 40 aus und der Transistor 43 wird eingeschaltet, um den Ausgangstransistor 44 mit Basisstrom zu beaufschlagen.

Um die Vorteile des Netzwerkes 19 in Fig.3 aufzuzeigen, sei zunächst eine bekannte binäre UND-Schaltung ähnlich der Fig.3 betrachtet, die aber nur einen einzigen, mit der Basis des Ausgangstransistors 44 an Stelle des Netzwerkes 19 verbundenen Ableitwiderstand aufweist. Bei ausgesteuertem Transistor 40 wäre die Spannung an dem Emitter des Transistor 44 gleich der Basis-Emitter-Spannung Vbe der Diode 51 plus der Sättigungsspannung Vce(sat> des Transistors 40 minus der Spannung Vbe des Transistors 43. Die resultierende Spannung V_Ce(sat> über dem bekannten Ableitwiderstand zieht einen kleinen Emitterstrom aus dem Transistor 43. Bei schwach leitendem Transistor 43, wobei seine Stromverstärkung nahezu Eins ist, wird der Kollektorstrom des Transistors 43 im wesentlichen gleich seinem Emitterstrom sein, wenn der Kollektorwiderstand 49 im Wert nahezu gleich dem Ableitwiderstand ist. Bei schwach leitendem Transistor 43 wird deshalb die Basisspannung an dem Treibertransistor 46 Vcc - VcE(SAT) sein und das Gleichstromausgangsniveau bei dem Anschluß 45 bei einem Wert sein, der gleich VcE(SAτ) und niedriger ist als wenn das Netzwerk gemäß der Erfindung benutzt würde. Durch die Verwendung des Netzwerkes 19 in Fig.3 an Stelle eines einzigen Ableitwiderstandes ist das Spannungsniveau Vce(sat) an der Basis des Transistors 44, wenn er abgeschaltet ist, nicht ausreichend, den Hilfstransistor 20 in den Leitfähigkeitszustand vorzuspannen. Somit fließt kein Strom aus dem Transistor 43 in F i g. 3, wenn alle Eingänge zu den Anschlüssen 28,30,32 und 34 binär Eins sind.

Die duale UND/NAND-Schaltung der F i g. 4 kombiniert die eben im Hinblick auf die F i g. 2 und 3 beschriebenen Eigenschaften und enthält ein Paar Netzwerke 19a und 19Z?, die identisch wie die in den Fig.2 und 3 gezeigten Umwegleitungsnetzwerke 19 funktionieren. In den Fig.2 bis 4 wurden identische Bezugszeichen benutzt, um entsprechende Schaltungskomponenten zu bezeichnen, wobei die Indizes »a« und »6« benutzt werden, um die entsprechenden Komponenten der zwei in Fig.4 gezeigten Umwegleitungsnetzwerke zu unterscheiden. Der linke Teil der binären

ίο Schaltung in F i g. 4, in welchem der Index »a« benutzt wird, bewirkt die Umkehr-N AN D-Funktion, während der rechte Teil, Index »b«, die Nichtumkehr-UND-Funktion bewirkt. Auch bei diesem Schaltkreis bewirkt das Netzwerk 19 eine wesentliche Verbesserung der Schalteigenschaften.

Die folgende Tabelle dient zur Erläuterung und gibt Komponentenwerte für die drei Schaltungen in den F i g. 2 bis 4 an.

Tabelle

Widerstand	Wert
R22	500 Ohm
R22a	500 Ohm
22b	500 Ohm
24	250 Ohm
24a	250 Ohm
246	250 Ohm
36	2400 Ohm
39	2400 Ohm
42	800 Ohm
42a	800 Ohm
426	800 Ohm
50	3500 Ohm
50a	3500 Ohm
506	3500 Ohm
52	180 0hm
52a	180 0hm
52b	180 0hm
54	90 Ohm
54a	90 Ohm
546	90 Ohm
Spannungsversorgung
Vee	OVoIt
Vcc	5VoIt

Der Widerstand 22 in dem Kollektorkreis des Transistors 20 in F i g. 2 beträgt bis zu 7500 Ohm, das ist nahezu das Doppelte des Widerstandes 24. Da die Basis-Emitter-Spannung Vbe des Transistors 20 nahezu das Doppelte der Kollektor-Emitter-Spannung Vce ist, werden die in die Widerstände 22 bzw. 24 fließenden Ströme nahezu gleich sein. Diese Abstimmung der Widerstandswerte für die Widerstände 22 und 24 gewährleistet mit Vorteil eine gute Abschaltsteuerung für den Ausgangstransistor 44.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!.Schaltanordnung zur Verbesserung der An- und Abschalteigensehaften eines Schalttransistors einer binär arbeitenden Schaltung, gekennzeichnet durch einen zwischen Steuerelektrode des Schalttransistors (44) un3 einem Bezugspotential (Vee) mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke derart geschalteten Ableittransistor (20), daß er gleichzeitig mit dem Schalttransistor (44) stromführend ist, wobei zwischen Steuerelektrode des Schalttransistors (44) und mindestens einer Elektrode des Ableittransistors (20) ein Bauelement zur Strombegrenzung (24) vorgesehen ist.
2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (24) zwischen Steuerelektrode von Schalttransistor (44) und Steuerelektrode von Ableittransistor (20) angeordnet ist, um der Kollektor-Emitter-Strecke des Ableittransistors (20) während des Einschaltens des Schalttransistors (44) eine sehr hohe Impedanz und während des Ausschaltens eine niedrige Impedanz zugeben.
3. Schaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bauelement zur Strombegrenzung (22) zwischen der Steuerelektrode des Schalttransistors (44) und der Kollektorelektrode des Ableittransistors (20) zur Begrenzung des Basisentladungsstromes des Schalttransistors (44) angeordnet ist.
4. Schaltanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugspotential (Vee) das Potential der Emitterelektrode des Schalttransistors (44) ist.
5. Schaltanordnung nach Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente zur Strombegrenzung (22, 24) ohmsche Widerstände sind.
6. Schaltanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (22) in der Kollektorleitung des Ableittransistors (20) größer ist als der Widerstand (24) in dessen Steuerelektrodenleitung.
7. Schaltanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (22) in der Kollektorleitung im wesentlichen doppelt so groß ist wie der Widerstand (24) in der Steuerelektrodenleitung.
8. Schaltanordnung nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die binär arbeitende Schaltung eine Transistor-Transistor-Logik-Schaltung (TTL) ist.