DE1762119A1

DE1762119A1 - Schaltungsanordnung zur Durchfuehrung logischer Operationen

Info

Publication number: DE1762119A1
Application number: DE19681762119
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dieter Straub
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1968-04-11
Filing date: 1968-04-11
Publication date: 1970-04-09
Also published as: GB1231774A

Description

Telefunken Patentverwertungsgesellschaft mit beschränkter Haftung

Ulm (Donau), Elisabethenstraße 3

Konstanz, den 10. April I968 FE/PT-KN Dr.WS/Ro

Schaltungsanordnung zur Durchführung logischer Operationen

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Durchführung logischer Operationen mit einem Transistorschalter aus zwei an ihren Emittern verbundenen Transistoren, an deren jeweils über einen Widerstand mit einem ersten festen Potential (z.B. Masse) verbundenen Kollektoren die Ausgangsspannungen abgenommen werden, deren Basen die logischen Eingangsgrößen entsprechenden Eingangsspannungen zugeführt werden und deren gemeinsamer Emitterpunkt über eine Konstantstromquelle mit einem festen Potential (z.B. negative Batteriespannung bei npn-Transistoren) verbunden ist. Derartige Schaltungen sind als ECTL-Schaltungen (Emittergekoppelte Transistorlogik) oder CML-Schaltungen (current mode logic) bekannt. Sie eignen sich besonders zur Ausführung*in monolithisch integrierter Schaltkreistechnik, bei der die einzelnen Schaltelemente durch chemische, Diffusions- und Aufdampfprozesse zusammen «ixt ihren Verbindungsleitungen auf einen gemeinsamen Halbleiterblock aufgebracht werden« Eine ECTL-Schaltung besteht aus einem emitterge-

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koppelten Transistorschalter, der zur Erkennung und Regenierung der die logischen Variablen kennzeichnenden Signalpegel dient, und einfachen Emitternfolgern, die zwischen die einzelnen Transistorschalter zur Vermeidung der Sättigung geschaltet werden.

Fig. 1 zeigt eine bekannte ECTL-Schaltung· Der Transistorschalter besteht aus zwei an ihrem Emitter verbundenen npn-Transistoren 1 und 2, die über eine Stromeinprägung 3» die als Konstantstromquelle wirkt, mit dem negativen Pol -U der. Batteriespannung verbunden sind. Die Kollektorwiderstände k und 5 der Transistoren liegen am positiven Pol der Batteriespannung, der beispielsweise geerdet ist. Die beiden Transistoren nehmen entgegengesetzte Schaltaustände ein, d.h. jeweils einer der beiden Transistoren ist leitend, während der andere gesperrt ist.

Der soweit beschriebene emittergekoppelte Transistorschalter bildet einen spannungsgesteuerten Stromschalter (current mode , switch). Sein Schaltzustand wird im einfachsten Fall dadurch erreicht, daß, anders als in Fig. 1, an die Basis des Transistors 2 (Punkt B*) eine feste Referenzspannung gelegt wird und die Basis des Transistors 1 mit einem Impuls angesteuert wird, dessen Amplitude symmetrisch zur Referenzspannung liegt. Der Impuls bestimmt, welcher der beiden Transistoren im leitenden Zustand ist. Das ist jeweils derjenige Transistor, an dessen Basis die positivere Spannung liegt· Aa Kollektor des Transistors 2 entsteht dann als Ausgangssignal F die regenerierte Eingangsvariable, während am Kollektor des Transistors 1 ihre Negation F erzeugt wird. 0er von der Stromquelle 3 eingeprägt« Strom wird durch die Spannung an der Basis des Transistors 1 umge-

schaltet. ' 309815/1568

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Durch die deutsche Auslegeschrift 1 246 027 ist es bereits bekanntgeworden, den Transistorschalter, wie in Fig. 1 dargestellt, von beiden Seiten her anzusteuern. Die Basis des Transistor». 1 wird in Eiaitterfolgerschaltung von den Transistoren 6 und 7 mit den gemeinsamen Emitterwiderstand 8 angesteuert· An den Basen der Tranaistoren 6 und 7 werden die Eingangsgrößen A. und A„ zugeführt« Die Basis des Transistors 2 ist mit dem Verbindungspunkt einer Konstantstromquelle 9 mit einem Widerstand 10 verbunden, der den gemeinsamen Emitterwiderstand der Transistoren 11 und 12 bildet· An den Basen der Transistoren 11 und 12 werden weitere Eingangsgrößen B und B„ ™ zugeführt.

Bei der Bemessung der Ansteuerspannungen einer derartigen Schaltung ist zu beachten, daß eine Übersteuerung der Transistorer die infolge der Speicherzeit der Minoritätenträger in der Basis eine Signalverzögerung ergeben würde, vermieden werden muß. Der Signalhub der Eingangs- und Ausgangsklemmen, d.h. die Spannungsdifferenz AU zwischen dem logischen Wert "Null" (θ) und dem logischen Wert "Eins" (L), darf daher nicht großer als die Λ

Basisetni t terspnnnung U des Transistors sein. Für die folgende Beschreibung soll angenommen werden, daß an den Klemmen A , A , B , B₁, F, F dem logischen Wert L die Spannung 0 Volt und dem lopischcn Wert 0 die Spannung -0,75 Volt zugeordnet sei. An den !linkten A und B liegen die Spannungen jeweils um den Wert I₁₁. weiter im Xegativen und der Widerstand 10 ist so bemessen,

LJlLJ

daß der l\inkt B¹ nochmals um -χ U„„ negativer ist. Durch die Höhenlage der Punkte im Schaltbild sind diese Spannungsverhältnisse ungefähr angedeutet,

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. , , bad o;v,u;::al

Unter den vorstehenden Annahmen verwirklicht die bekannte Schaltung nach Fig. 1 die logischen Gleichungen:

F =
7 =

Dabei ist das Zeichen "·" für die konjunktive Verknüpfung, das Zeichen "+" für die disjunktive Verknüpfung verwendet· Das logische Schaltbild einer solchen Schaltung zeigt Pig·

Gemäß der Erfindung wird bei einer Schaltungsanordnung nach Art der anhand der Figuren 1 und 2 erläuterten Schaltung die Konstantstromquelle durch den einen Transistor eines zweiten gleichartig aufgebauten Transistorschalters gebildet, indem dessen Kollektor mit dem gemeinsamen Emitterpunkt des ersten Transistorschalters verbunden ist, während der Kollektor, des anderen Transistors des zweiten Transietorschalters mit einem zweiten Emitter eines der beiden Transistoren des ersten Transistorschalters verbunden ist, und zwar derart, daß dieser ψ letztere Transistor zwangsläufig im leitenden Zustand gehalten wird, wenn besagter andere Transistor des zweiten Transistorschalters sich im leitenden Zustand befindet, wobei den Basen der Transistoren des zweiten Traneistorschalters 'Spannungen zugeführt werden, die weiteren logischen Eingangsgrößen entsprechen. I..· I , .·

Das Prinzipschaltbild einer solchen Schaltungsanordnung zeigt Fig. 3, worin entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen tragen wie in Fig. 1. Mit I¹ und 2 sind die beiden Transistoren des ersten Transistorschalter bezeichnet, die den Transistoren

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1/ύο-Κ\ ·

1 und 2, der Fig. 1 entsprechen. Der Transistor I¹ ist als Multi-Smitter-Transistor aufgebaut wie dies aus der Technik der integrierten Schaltungen an sich bekannt ist. Der eine Emitter ist in der bekannten Weise mit dem Emitter des Transistors

2 direkt verbunden und der gemeinsame Emitterpunkt ist mit dem Kollektor eines Transistors 21 verbunden, der im eingeschalteten Zustand als Konstantstromquelle des ersten Transistorschalters dient. Der andere Emitter des Transistors I¹ ist mit dem Kollektor eines Transistors 22 verbunden, der zusammen mit dem Transistor 21 den zweiten Transistorschalter bildet. Der gemeinsame Emitterpunkt der Transistoren 21 und 22 ist über eine Konstantstromquelle 23 in bekannter Weise an den negativen Pol -U der Betriebsspannungsquelle angeschlossen. Den Basen der Transistoren 21 und 22 können weitere* logische Eingangsvariable C bzw. D¹ zugeführt werden, wobei der Spannungspegel dieser Größen gegenüber den Größen A und B¹ entsprechend den Basisemitterspannungen U„_E noch weiter ins Negative abgesenkt werden muß, wie weiter unten erläutert wird.

Bs ergibt sich auf diese Weise ein sehr vielseitig verwendbarer doppelter Transistorschalter. Legt man z.B. die Eingänge B¹ und D¹ auf entsprechende feste Referenzspannungen und speist die Eingänge A und C über Transistoren in Emitterfolgerschaltung, so erhält man einen Schaltkreis, dessen logisches Schaltbild dem der Fig. 2 entspricht, wobei die Eingänge B., B mit C., C zu bezeichnen wären.

Eine logische Verknüpfungsschaltung, in der sämtliche Möglichkeiten eines doppelten Transistorschalters gemäß der Erfindung

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ausgenutzt sind, zeigt Fig. '*, in der wiederum gleiche Bezugszeichen auf entsprechende Teile der vorher beschriebenen Figuren hinweisen. Die Schaltelemente sind in der Zeichnung wieder so angeordnet, daß die Spannungsniveaus der logischen Variablen an den einzelnen Knotenpunkten durch die Höhenlage im Schaltbild ungefähr angedeutet sind· Als Konstantetromquelle (entsprechend 23 in Fig. 3) dient ein Transistor Zh₉ dessen Kollektor mit dem gemeinsamen Emitterpunkt der Transistoren 21 und 22 verbunden ist und dessen Emitter über einen Widerstand 25 an der negativen Betriebsspannung -U liegt. Die Basis des Transistors 2k ist über zwei in Reihe geschalteten Dioden 26 mit der negativen Betriebsspannung verbunden.

Die Eingangsvariablen C und C werden an den Basen der

Transistoren 27 und 28 zugeführt, deren miteinander verbundene Emitter über Dioden 29 zur Spannungsabsenkung mit der Basis des Transistors 21 verbunden sind. Als gemeinsamer Emitterwiderstand für die Transistoren 27 und 28 dient der zwischen den Dioden 29 einerseits und den Dioden 26 andererseits eingeschaltete Widerstand 3O.

Die Transistoren 12 und I3, an deren Basen die Eingangsvariablen B und fl„ zugeführt werden, besitzen einen gemeinsamen Emitterwiderstand, der aus der Reihenschaltung dreier als Spannungsteiler geschalteter Widerstände 31, 32 und 33 besteht· Der mit den Emittern verbundene Punkt dieses Spannungsteilers ist mit der Basis eines Transistors '34 verbunden, dessen Kollektor an der positiven Betriebsspannung (Masse), und dessen Emitter

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an dem der negativen Betriebsspannung -U näherliegenden Spannungsteilerpunkt zwischen den Widerständen J2 und 33 liegt. Die Oasis des Transistors 2 ist mit dem anderen Spannungs-

teilerpunkt zwischen den Widerständen 3I und 3² verbunden, die vorzugsweise einander gleich sind· Da an der Reihenschaltung der Widerstände 3I und 32 die Basisemitterspannung U abfällt, wird auf diese Weise die der Basis des Transistors 2 zugeführte Eingangsspannung B' um den Betrag 2 U„„ in an sich bekannter Weise abgesenkt.

Die Eingangsvariablen D₁ und D₀ werden den Basen zweier weiterer

1 4L·

Transistoren 35 und 36 zugeführt, deren Kollektoren an der positiven Betriebespannung (Masse) liegen und deren gemeinsamer Emitterwiderstand durch einen Spannungsteiler aus den Widerständen 37t 38 und 39 gebildet wird, der gleichartig wie der Spannungsteiler 3I, 32, 33 aufgebaut und mit einem Transistor ^O (entsprechend dem Transistor 3'') verbunden ist. Die Basis des Transistors 22 ist mit dem Verbindungspunkt der Widerstände 37 und 38 verbunden. Zur weiteren Spannungsabsenkung der Eingangsspannung D¹ des Schalters gegenüber der Eingangs- Λ spannung B¹ ist zwischen der Basis des Transistors kO (Punkt D) und dem gemeinsamen'Emitterpunkt der Transistoren 35 und 36 die Reihenschaltung zweier Dioden kl eingeschaltet, die in gleicher Weise wirken wie die Dioden 29 auf der anderen Schalterseite.

Die anhand der Fig. k beschriebene Schaltungsanordnung eignet sich vorzugsweise zur Verwirklichung eines sehr vielseitig ein-

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/h

- setzbaren Bausteine, der in monolithisch integrierter Schalt* kreistechnik ausgebildet sein kann. Bei einer Betriebsspannung -U β -6 Volt sind unter Voraussetzung einer Basis·Emitterspannung ^UBE ^s °·^{75 Volt}» ^{die in die} Schaltung einintegrierten Widerstände etwa folgendermaßen au bemessen:

Widerstände 4, 5, 25, 3I, 32, 37« 38 jeweils 100 One Widerstand 8: 750 Ohm Widerstand 30: 38O Ohm Widerstand 33: 900 Ohm m Widerstand 39: 550 Ohm

Der neue Baustein wurde der Übersichtlichkeit halber anhand «in·· Beispiels mit je zwei disjunktiven Eingängen A. und A«, B, und 8U usw. beschrieben. Natürlich ist es möglich und für bestimmte Aufgaben zweckmäßig, in an sich bekannter Weise mehr al* zwei Eingänge an den einzelnen Punkten A, B, C und 0 durch eine ent· sprechende Anzahl von Emitterfolgern mit jeweils gemeinsamen

Emitterwiderstand anzuschließen.

™ Fig. 5 zeigt das logische Ersatzschaltbild einer solchen Schaltungsanordnung mit k Eingängen für A, 1 Eingängen für B, m Eingängen für C und η Eingängen für O₄ In Pig· 4 war k = l=m = n = 2 gewählt. Ikit¹ Baustein der Pig« 5 verwirklicht damit die folgenden logischen Gleichungen:

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F = A_-1+A₀...+α, +ΊΓΥβΓ..."

nj 1 id η

F = A₁.A₂...Aj₁

Im folgenden soll ein Anwendungsbeispiel für den Baustein beschrieben werden, um seine vielseitige Verwendbarkeit für logische Schaltkreise zu erläutern. Dabei wird für die Darstellung einer Schaltung gemäß Fig. 5 ein Block gemäß Fig. 5a verwendet.

Fig. 6 zeigt den Aufbau eines Volladdierers .aus zwei derartigen Blöcken 51 und 52, dem an den Klemmen a. und B. die beiden binären Operandenziffern und an den Klemmen a. und b. deren Komplemente zugeführt werden. An den Klemmen c. . und c. . wird der dritte Operand bzw. sein Komplement zugeführt, der z.B. den Übertrag aus der nächstniedrigen Binärstufe eines Addierwerkes darstellt. Die binäre Summe und ihr Komplement werden an den Klemmen s bzw. s abgenommen und der Übertrag bzw, sein Komplement für die nächsthöhere Binärstufe an den Klemmen c. und c.

Im Bloc k 51 wird zunächst der Übertrag c. nach der Gleichung

₁ = a_±

gebildet, der an der Klemme F des Blocks 51 erscheint. An der Klemme F erscheint das Komplement

₁ = a_i.b₁₊a₁.c_1-1+b₁.c_leil

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Dies geschieht durch Zuführung des logischen Wertes 0 au» einer Α-Klemme, einer B-Klemme und an einer D-Klemme, durch Zuführung der Größen a"7 und TTT an zwei weiteren B-Klemmen, der Größen c. an einer C-Klemme und der Größen* a. und b. an zwei weiteren D-Klemmen.

Im Block 52 wird die Summe s, die an der Klemme F erscheint, nach der Gleichung

β = c

gebildet, indem der logische Wert 0 an einer A-Klemme, die Grüßen a., b. und c. . an drei B-Klemmen, die Größe c. aus Block 51 an einer C-Klemme und die Größen a., b., C_-1 an drei D-Klemmen zugeführt werden. Allen nichtbeschalteten Klemmen der Blocks 51 und 5-2 wird zweckmäßig der logische Wert 0 zugeführt, was für das anhand der Fig. k beschriebene Ausführungsbeispiel dem Anschluß an eine Spannung von -0,75 Volt entspricht.

Entsprechend wie der Volladdierer der Fig· 6 lassen sich viele andere logische Netzwerke unter Verwendung von Bausteinen gemäß Fig. 5 aufbauen. Insbesondere ist es auch möglich Flipflops mit den verschiedensten logischen Eigenschaften aus solchen Bausteinen herzustellen, indem man einen der Ausgänge F oder "Ρ auf einen geeignet gewählten Eingang zurückführt. Verbindet man z.B. den Ausgang F einer Schaltung nach Fig. 5 mit einer der D-klemmen und legt an den Α-Klemmen die der logischen 0 entsprechende Spannung, an den B-Klemmen die der logischen L entsprechende Spannung an, so erhält man ein Flipflop, das bei

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Ansteuerung an irgendwelchen C- und D-Klemmen eine Ausgangsvariable Q . an der Klemme F ergibt, die folgenden Gesetzen folgt, wobei der Index η den Zustand vor der Ansteuerung und der Index n+1 den Zustand nach der Ansteuerung angibt:

C	ü	^Qn₊1
O	O	Q_n
O	L	L
L	O	O
O	O	O

üie Erfindung ist nicht auf die angegebenen Anwendungsbeispiele beschränkt, sondern kann in der verschiedensten Weise zum Aufbau von komplizierten logischen Netzwerken verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

ι I,J Schaltungsanordnung zur Durchführung logischer Operationen mit einem Transistorschalter aus zwei an ihren Emittern verbundenen Transistoren, an deren jeweils über einen Widerstand mit einem ersten Testen Potential verbundenen Kollektoren die Ausgangsspannungen abgenommen werden, deren Basen die logischen Eingangsgrößen entsprechenden Eingangespannungen zugeführt werden und deren gemeinsamer Emitterpunkt über eine Konstantstromquelle mit einem zweiten festen Potential verbunden ist, dadurch gekennzeichnet« daß die Konetantatromquelle durch den einen Transistor (21) eines zweiten gleichartig aufgebauten Transistorschalters gebildet ist, indem dessen Kollektor mit dem gemeinsamen Emitter punk t dee ersten Transistor-· schalters (l¹, 2) verbunden ist, daß der Kollektor des anderen Transistors (22) des zweiten Traneistorschalters mit einem zweiten Emitter eines der beiden Transistoren (l·) des ersten Transistorschalters verbunden ist, derart, daß dieser Transistor (I¹) zwangsläufig im leitenden Zustand gehalten wird, wenn besagter anderer Transistor (22) des zweiten Transietorschalters sich im leitenden Zustand befindet, und daß den Basen der Transistoren (21, 22) des zweiten Traneistoreehalterβ Spannungen, die weiteren logischen Eingangsgrößen (C, D¹) entsprechen, zugeführt werden·

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2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Transistors (21) des zweiten Transistorschalters, dessen Kollektor mit dem gemeinsamen Emitterpunkt des ersten Transistorschalters (l¹, 2) verbunden ist, über Dioden (29) zur Spannungsverlagerung mit den Emittern eines oder mehrerer Transistoren (27, 28) verbunden ist, deren Basen die den entsprechenden Eingangsvariablen (C₁, C₃) zugeordneten ,Spannungen zugeführt werden.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Transistors (22) des zweiten Transistorschalters., dessen Kollektor mit dem zweiten Emitter des einen Transistors (l^f) des ersten Transistorschalters verbunden ist, an einem Abgriffpunkt eines Widerstandes (37, 3Ö, 39' liegt, der als gemeinsamer Emitterwiderstand eines oder mehrerer Transistoren (35, 3&) geschaltet ist, deren Basen die den entsprechenden Eingangsvariablen (D₁, D,,) zugeordneten Spannungen zugeführt werden·
k. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Widerstand (37, 3^» 39) und den Emittern der zugeordneten Transistoren (35, 3&) Dioden (4l) zur Spannungsverlagerung eingeschaltet sind«
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt (d) des Widerstandes (37, 3&, 39) mit den Dioden (4l) an die Basis eines weiteren Transistors (40) angeschlossen ist, dessen"Kollektor an dem ersten festen Potential liegt und dessen Emitter an einem weiteren Abgriffpunkt des Widerstandes (37, 3^, 39) angeschlossen ist.

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6. Schaltungsanordnung nach einein der Ansprüche 1 bis 5 t gekennzeichnet durch ihre Ausbildung als Baustein in monolithisch integrierter Schaltkreistechnik.

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