DE1762172A1 - Logischer Schaltkreis - Google Patents

Description

6582-68/H/Bg

RCA Docket No. 58416

U.S.Piling date» April 26, 1967

HADIO CORPORATION OF AMERICA
New York, N.Y. (V.St.A.)

Logischer Schaltkreis

Die Erfindung betrifft einen logischen Schaltkreis, an welchen über η Eingangsleitungen, wobei η eine ganze Zahl ist, Eingangssignale und mittels einer äußeren Quelle eine feste Referenzspannung anlegbar sind, mit einer Anzahl von η
VergleichsSchaltungen, von denen jede eine Ausgangsleitung, einen mit je einer der Eingangsleitungen gekoppelten ersten Eingang sowie einen mit der Referenzspannungsquelle verbundenen zweiten Eingang aufweist.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Familie von digitalen Schaltkreisen, welche Schwellwert- und andere logische Funktionen realisieren, und an welche ein oder mehrere ι digitale Eingangssignale angelegt werden können, sodaß ein
digitales Ausgangssignale erzeugt wird, das die erwähnte
Schwellwert- oder logische Punktion repräsentiert.

line erfindungsgemäße logische Schaltungsanordnung kann in
einer Ausführungaform für Schwellwert-Schaltfunktionen dienen, und in anderen Pormen für Schaltfunktionen, wie z.B. UND,

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Inversion usw. Eine erfindungsgemäße logische Schaltungsanordnung erlaubt ferner sogenannte "Phantom"- Cd.h· verdrahtete) ODER-Verknüpfungen.

Mit dem hier verwendeten Begriff der logischen Schwellwertschaltung ist eine Schaltungsanordnung gemeint, die einen Schwellwert T, eine Anzahl η binärer Eingänge, deren i-ter Eingang ein Gewicht bzw. die Bewertung w. haben mag, und

" einen binären Ausgang aufweist, wobei T, η und jedes W₄ ganzzahlig sind. Sie Punktion einer Schwellwertschaltung kann beschrieben werden als Summierungs-Diskriminierungs-Prozess, wobei die bewerteten binären Eingangssignale summiert werden und die Summe mit dem Schwellwert T verglichen wird. Die binäre Bedeutung, d.h. der Binärwert des Ausgangs hängt davon ab, ob die Summe der Eingänge gleich dem Schwellwert T oder größer als dieser ist, oder ob dies nicht der Fall ist. Beispielsweise sind die sogenannten Majoritäts-

und Minoritätsgatter Sonderfälle des Schwellwertgatters, wobei η ungerade, das Gewicht bzw. die Bewertung w, für jeden Eingang eins und der Schwellwert T gleich ist. Der Ausgang des Majoritätsgatters let also O oder 1, wenn an den Eingangsleitungen mehr 0- oder 1-Signale vorhanden sind. Der Ausgang _f des Minoritätsgatters ist dementsprechend 0 oder 1, wenn an den Eingängen weniger 0- bzw. 1-Signale anliegen. _t

Bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eollen η

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Eingangssignale ein Ausgangssignal hervorrufen, wobei jedes solche* Signal, welches positiver ist als eine feste bestimmte Referenzspannung (im folgenden Vx. genannt)_t einen ersten Binärwert darstellt, während irgendein derartiges Signal, dessen Spannungspegel negativer ist als V_re£, vom zweiten Binärwert ist. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung-weist die logische Schaltungsanordnung η Vergleichsschaltungen auf, wobei η eine ganze Zahl ist. Jede der Vergleichsschaltungen empfängt je ein anderes der n-Signale an einem ihrer Eingänge und V- an dem anderen seiner Eingänge. Die n-VergleichsBchaltungen vergleichen die empfangenen Eingangssignalspannungen mit V_ref und liefern an ihren einzelnen Auegangsleitungen entsprechende Signale. Eine mit den Ausgängen der Vergleichsschaltungen gekoppelte Vorrichtung zum Herleiten des Ausgangssignals liefert eine Ausgangssignalspannung, deren Binärwert davon abhängt, wie sich ihre Größe zu V- verhält.

Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel der erfindungspemäßen \ logischen Schwellwertschaltung weist die Vorrichtung zum Herleiten dee Ausgangesignals eine Lastimpedanz für die Vergleichs schaltungen und eine gemeinsame Ausgangsleitungsschaltung auf, wodurch eine wirksame Summierung der angelegten Eingangssignal^ erfolgt· Die Diskriminierung (Vergleichung mit dem 8chwellwert) erfolgt an der Eingangevergleichsschaltung der nächsten oder angesteuerten Schwellwertlogik oder eines anderen Schaltkreises. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel

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eines erfindungegemäßen Schaltkreises, der eioh besonder· gut für integrierte Schaltungen eignet, kann die Lastimpedanz durch einen Lastwideretand für jede Vergleichsschaltung realisiert werden. FUr das UND-Gatter als Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung zum Herleiten des Ausgangesignals einen Lastwiderstand auf» dessen Wert allgemein größer ist als der Wert der Punktbelas£ungeimpedanz der Schwellwertgatterausführung der Erfindung· Beim Inversionsschaltkreis als Auew fUhrungsbeispiel (der einen Sonderfall mit n»1 darstellt) enthält die Vorrichtung·sub Herleiten dee Ausgangssignals ein Verstärkungseleaent vom Umkehrtyp.

Schwellwertg&tter-Sehaltkrelse, welche Vergleiohssohaltungen als Eingänge verwenden, sind bekannt, beispielsweise aus der Zeltschrift "Digest of Technical Papers for the International Solid State Circuits Conference, first edition February 1967", Seiten 114 und 115. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist se erforderlieh, Eingangssignal· mit Zwei-Pegel-Spannungen su verwenden, denen Binärwerte beibemessen werden.

Fig. 1 iet ein Schaltbild eines erfindungsgemäSen logiechen 8chwellw*rtschaltkreiseef

Fig· 2 ist eine graphische Darstellung, in der dl« logischen Signaldefinitiönen und verschiedene Signalwerte für die dargestellten Schaltungen mit bipolaren NPH-Traneistoren geseigt werdenι

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BAD ORIGtNAL

Pig. 3 ist ein Schaltbild eines logischen UHD-Schaltkreisee als Ausführungsbeispiel der Brfindungj

Pig. 4 ist ein Schaltbild eines Inversionskreises als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung^

Pig. 5 ist ein Schaltbild, in welohem beispielsweise Widerstands schaltungen für den Parameter oL der Schaltung gemäß Pig. 4 dargestellt sind; "

Pig· 6 ist ein Teilsohaltbild, welches die Eignung der Erfindung für "Phantom¹¹ -OEBR-Verknüpfungen zeigt;

Pig· 7 ist ein Schaltbild einer Referenzversorgungseehaltung, die für die Ausführungsbeispiele gemäß der Pig· 1 sowie Pig. 3 und 4 verwendet werden kann, und

Pig. 8 ist ein Schaltbild, teilweise als Blockschaltbild, ι

welches die Leistungsversorgungsverbindungen zu zwei der logischen Stufen gemäß Pig. 1 darstelle/i, we lohe relativ weit voneinander entfernt angeordnet sind.

Die logischen Schaltkreise gemäß der Erfindung sind in ihrer Anwendung nicht auf die Verwendung irgendeiner besonderen Art von Schaltglied, wie ζ·Β· bipolare Transistoren, Dioden, feldeffekt-transistoren u.dgl.. oder auf irgendeine besondere

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Schaltungskonfiguration der Binärsignal-Yergleichsschaltungen beschränkt. Beispielsweise und zur Yerrolletänflgung der Beschreibung enthält jedoch die in der Zeichnung dargestellte Schaltungeanordnung nur eine Art τοη Schaltglied, den bipolaren Transistor, und eine Art τοη Yerglelcheechaltung, einen Emitter-gekoppelten strommäfligen Schalter, die zur Bealieierung der Erfindung verwendet werden können· Auch die Terwendung ▼on NPff-Transistoren dient nur ale Beispiel, eelbetreretändlioh sind auch Transistoren vom PHP-Typ möglich·

Die erfindungegemäflen logischen Schaltkreise kennen entweder aus gesonderten Bauelementen oder mittels der Technik der integrierten Schaltungen aufgebaut sein· In der hier -verwen deten Bedeutung besieht eich der Begriff "Integriert· Schaltung" auf diejenigen Techniken, bei denen eine gesamte Schaltung oder Gruppen von Schaltungen beispieleweise durch Diffusion oder mittels Schichten In oder auf eine« oder mehreren Plättchen aus einem Werkstoff wie Silicium, Saphltfr, »las u.dgl. gebildet werden können. Mit der Weiterentwicklung der Technik der integrierten Schaltungen wurde Als lomponenten-

dichte erhöhtt wob·! das MsJ der la oder auf der gleichen Unterlag· herstellbaren Sehaltfunktionen Bis su relativ korn- ; plislerten funktionen (sogenannte mcmrfvnlrfclemsplftttehen) j beim System- oder Umtereystempegel wtjohs» Um Weg su Mehrfunktioneplättchen be et eh t darin, die! tshsltimgsVosmonenten in eine Reihe tob fellen su ordnen, wobsl dis

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BAD ORIGINAL

Schaltfunktion auf dem Plättchen durch geeignete innere und äußere Verbindungen der Zellen bewerkstelligt wird. Die dargestellten AusführungBbeiepiele Bit logischen Transistorsohaltkreiaen gemäß der Erfindung eignen sich besondere für den Schaltungsentwurf dieser Mehrfunktionsplättchen.

In flg. 1 sind «wei Stufen einer logischen Schaltungsanordnung für dl« logische Sohwellwertfunktion dargestellt, wobei die linke Stuf· 20 dl« rechte Stufe 50 ansteuert. Die Stufe20 besitzt eine Ansahl η gleicher Vergleicheschaltungen 21, von denen but Vermeidung τοη Wiederholungen nur die Vergleichsschaltungen 21- und 21_Q dargestellt sind. Di· Zahl η ist ganeeahlig und sei am Anfang ungerade, um ein Majoritätsgatter als bevorzugtes Aueführungsbeispiel su erläutern. Jede der Vergleiehsschaltungen 21^ und 21_Q ist an eine Leistungezuführleitung 2$ angesehloöeen. ferner ist jede Vergleichsschaltung mit einer sugeordneten Eingangsleitung 39-, bew. 39_n und mit einer Kef«rensepannungsleitung 30 rerbunden· Si· Eingangeleitungen 39j und 39_Ä sind so geschaltet, daß ihnen Eingangssignale I^ bsw· I« suführbar sind, dl· jeweils die Wertigkeit eins halten. Si· Referensspannungsleitung 30 liegt an einer festen Beferensspanaung f_TMf wie links an der Stuf· 20 dargestellt ist· Jede d«r Vergleioheeohaltungen 21^ und 21_Q besitit mindestens •in· Ausgangsleitung 27^ bsw· 27_n·

Sin· Vorrichtung sum Herleiten des Ausgangssignals rerbindet

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BAD

die Ausgangsleitungen miteinander und mittels einer Laetimpedanzvorrichtung, die als getrennte Lastwiderstände dargestellt ist, mit einer weiteren Leistungszuführungeleitung 26. l>±e Lastwiderstände 28^ und 29.| verbinden die Auegangsleitung 27-j mit der Leistungszuführungsieitung 26, während die Lastwiderstände 28„ und 2Q mit dieser Leitung 26 die

η η

Ausgangsleitung 27 -verbinden. Es sei darauf hingewiesen, daß die Lastimpedanzvorrichtung auch ein einziger Luftwiderstand geeigneten Wertes sein könnte.

Die Vorrichtung zum Herleiten des Ausgangssignals enthält ferner einen Emitterfolger-Transistor 35» dessen Basis 35b an die Ausgangsleitungen 21^ und 27_ angeschlossen ist. Der Kollektor 35c liegt an der Versorgungsleitung 26, während der Emitter 35e über Emitterwiderstände 36 und 37 mit der Zuführungsleitung 25 verbunden ist· Ferner ist der Emitter 35e an eine Ausgangsleitung 40 der ersten Stufe angeschlossen·

Die Zuführungsleitungen 25 und 26 liegen an den Klemmen einer Betriebsspannungsquelle mit dem Wert Vp_g, die irgendein· geeignete Gleichspannungsquelle sein kann, beispielsweise eine Batterie« Die Leitung 25 wird als Vp_g-Ieitung bezeichnet, während die Leitung 26 willkürlich als Masseleitung 6 festgelegt wird, wie in Fig· 1 mit dem bekannten Symbol dargestellt ist.

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Jede der Vergleichsschaltungen 21^ und 21_n enthält ähnliche Komponenten und innere Verbindungen, sodaß es genügt, nur die Vergleichsschaltung 2I₁ genauer zu beschreiben. Die Vergleichsschaltung 2I₁ ist dargestellt als strommäßiger Schalter mit zwei Transistoren 22 und 23» Die Emitter 22e und 23e sind zusammengeschaltet und über einen gemeinsamen Emitterwiderstand 24 mit der Zuführungsleitung 25 verbunden. Die Basis 22b ist mit der Eingangsleitung X₁ verbunden, während die Basis 23b an der V_ref-Ieitung 3Oliegt. Der Kollektor 22c ist unmittelbar an die Masseleitung 26 angeschlossen, ' der Kollektor 23c ist mit der Ausgangsleitung 27.. verbunden·

Die Ausgangsleitung 40, die sich zu einer großen Zahl möglicher Ausgänge verzweigen kann, wie mit den punktierten Linien angedeutet ist, ist an die Eingangsleitung 69-j der angesteuerten Stufe 50 angeschlossen. Diese angesteuerte Stufe 50 ist in jeder Beziehung ähnlich der Stufe 20, abgesehen davon, daß sie eine unterschiedliche Anzahl m von Eingangsleitungen aufweisen kann, wie mit der Eingangsleitung 69_m dargestellt ist. Wiederum sind nur zwei Eingangsleitungen dargestellt, um Wiederholungen zu vermeiden. Den Eingangsleitungen 69.| und 69 sind mit Y₁ bzw· Y bezeichnete Eingangssignalspannungen zuführbar· Die Stufe 50 ist ferner an die gleichen Vpg- und V_ref-Klemmen wie die Stufe 20 anschließbar. Die dargestellte Schaltungsanordnung der Eingangsvergleichsschaltung 51, die der Eingangsleitung Y₁ zugeordnet ist,

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- ίο -

ist weitgehend ähnlich den Vergleichsschaltungen 2I₁ und 21_n, wobei die Stromschalttransistoren mit den Bezugszeichen 52 und 53 versehen sind. Die Stufe 50 besitzt ferner ein· Ausgangsleitung 70.

Beim Betrieb des dargestellten Ausfuhrungebeispiels mit NPH-Transistoren ist der Wert von Vp₃ negativer als das Bezugs-Massenpotential G, und der Wert von V„* liegt zwischen Vp- und G, wobei V₁^ mittels eines Spannungsteilers gewonnen werden kann· Jede der Singangsvergleicheschaltungen vergleicht die ihr angelegte Signaispannung mit der Referenzspannung Vf und liefert an ihrer zugeordneten Ausgangsleitung entweder einen Ausgangsstrom oder nicht, was davon abhängt, ob die Eingangssignalspannung kleiner oder- größer ist als

Gemäß einer Betrachtung insbesondere der Vergleichsschaltung 21. simulieren die Spannung Vpg und der gemeinsame Emitterwiderstand 24 für die Stromschalttransistoren 22 und 23 eine Stromquelle.

Immer wenn die angelegte Signalspannung X₁ einen Wert auf-

air ¹

weist, der größer isiW_refl wird der Transistor 221eitend, _f der Transistor 23 dagegen gesperrt. Der Quellenetrom fließt durch den Kallektor-Smitter-Pfad des Transietors 22, und auf der Ausgangsleitung 27^ fließt praktisch kein Strom. Wenn andererseits die angelegt· Signalspannung Xj kleiner 1st als V^ft

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wird der Tranaistor 23 leitend und der Transistor 22 gesperrt. Bei diesen EingangssignalVerhältnissen wird der Quellenstrom durch den Kollektor-Emitter-Pfad des Transistors 23 geleitet, sodaß ein Ausgangsstrom durch die Aus^angsleitung 2T₁ fließt und an den Lastwiderständen 28.^ und 29₁ eine Ausgangsspannung hervorruft. Jede der anderen Vergleicheschaltungen der Stufen 20 und 50 reagieren auf die ihnen angelegten Eingangesignale in ähnlicher Weise und bewirken, daß ein Ausgangsatrom fließt oder nicht fließt. Die Ausgangsstrombeiträge der Vergleichsschaltungen der Stufe 20 "

werden durch die Kombination der parallelen Lastwideratände wirksam summiert und über den Emitterfolger-Transistor 35 als Eingangssignal Y^ an die angesteuerte Stufe 50 angelegt. Die Eingangsvergleichsschaltung 51 in der angesteuerten Stufe 50 führt für die Signalapannungen X₁ bis X die Diskriminierung oder den Vergleich mit dem Schwel!wert durch.

Ein Schaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung empfängt Eingangssignale, deren Spannungen irgendeinen beliebigen ,

Wert oberhalb (positiver) oder unterhalb (negativer) von V_re- haben können. Dies steht im Gegensatz zu bekannten Schaltungen mit der Verwendung von Stromschalter-Vergleichsschaltungen, bei denen die logischen Signalspannungspegel innerhalb enger Grenzen entweder auf einen hohen Spannungspegel oder auf einen niedrigen Spannungspegel bezüglich V_Tef beschränkt sind, wobei die hohen und niedrigen Pegel die gewünschten Binärwerte darstellen. Bei einem Schaltkreis gemäß

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der Erfindung kann die Ausgangssignalspannung irgendein beliebiger Wert sein, der durch die summierten Strombeiträge der Eingangsvergleichsschaltungen bestimmt ist, wobei die Spannungswerte oberhalb und unterhalb von V_ref einem ersten und einem zweiten Binärwert zugeordnet sind. Wie aus der graphischen Darstellung der Fig· 2 zu sehen ist» und für den Zweck der folgenden.BeSchreibung, sind die Binärzahlen 1 und willkürlich Signalspannungswerten oberhalb bzw· unterhalb von V _ef zugeordnet.

Bei Anwendung der Erfindung wird in einem Schwellwertgatter eine gesonderte Diekriminatorschaltung überflüssig, da die Vergleichsfunktion durch die Vergleichsschaltung der angesteuerten, d.h. der nächstfolgenden Stufe durchgeführt wird. Außerdem ermöglicht die Erfindung einen Schaltkreis, in welchem ein Temperatur- und Leistungeversorgungsgleichlauf zuverlässig gewährleistet ist.

Bei dem dargestellten Ausführungebeispiel der Erfindung gemäß Fig· 1 werden im Schaltkreis nur Widerstände vom Wert B verwendet. Dem Schaltkreis wird eine Referenzspannung ^v _ref zugeführt, welche gleich der halben Leistungsversorgungespannung ist. Se gilt also, wie in Fig· 2 zu sehen istp

V_ps « -2B (1)

Für die folgende Beschreibung sei angenommen, daß der Baeis-

Emitter-Spannungsabfall (Vg-g) eines jeden Transistors gleich dem Spannungsabfall V_BE aller anderen Transistoren des Schalt kreises ist.

Die Zahl der möglichen Eingangsvergleichsschaltungen, n, wird durch Vp« bestimmt, sowie dadurch, wie nahe die Signalspannungen an -B kommen dürfen. Es sei

(3)

Die Größe des von einer Eingangsvergleichsschaltung mit einem O-Signale ingang beigesteuerten laststromes I-j- beträgt dann

^h E

Da η eine ungerade Zahl ist, werden die nächstkommenden Entscheidungen getroffen, wenn Eingangssignale

O-Signale oder Signale 1-Signale sind, d.h., Signale O-Signale sind. Diese kritischen Werte entwickeln eine gemeinsame Kollektorspannung V„ von

. (-2R) _f,x

¹O 2 R η ' ^v"'

v_c = -b₊4± S=A . (7)

Wenn man annimmt, daß das gleiche A am Bnitterfolger-Transistor

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35 vorhanden ist (die Ströme unterscheiden sich nur geringfügig), so ist die Ausgangsspannung Vq

Gleichung 8 zeigt, daß der Schaltkreis gemäß Fig. 1 den Wesen nach unabhängig von V^-Änderungen ist, da der Mitte 1-punkt des Ausgangssignals stets bei -B bleibt. Dies ist auch der Wert von Vf für die Eingangsvergleichsschaltung der angesteuerten Stufe. Selbst wenn also die Spanne sich mit Vgg-Schwankungen (die bei höheren Temperaturen zunehmen) ändert, stellt die Eingangsvergleichssehaltung der angesteuerten Stufe lediglich fest, ob -B + positiver oder negativer als -B ist.

Gleichung 8 zeigt ferner, daß die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 grundsätzlich unabhängig von Schwankungen der Versorgungsspannung V_ÜQ ist, vorausgesetzt, daß die Schwankungen des Massepotentials G praktisch gleich und entgegengesetzt sind. Bei einer großen integrierten SchaltkreisOrdnung ist es beispielsweise möglich, die Spannungsäbfälle (IB) an den Versorgungs- oder Zuführungsleitungen für Vp- und G praktisch gleich zu machen. Dies ist in Fig. 8 gezeigt» wo an die / 7pg- und G-Zuführungsleitungen 25 und 26 an einer ersten Stelle eine -Stufe 220 und an einer zweiten Stelle eine Stufe 250 angeschlossen sind. An der ersten Stelle ist zwischen dl· Zuführungsleitungen 25 und 26 eine erste Schaltung 240 zum

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BADORIGtNAL

Herleiten der Referenzspannung V_ref geschaltet, welche die Referenzspannung an die Stufe 220 liefert. Ebenfalls zwischen die Zuführungsleitungen 25 und 26, jedoch an der zweiten Stelle, ist eine zweite Schaltung 241 zum Herleiten der Referenzspannung V - geschaltet, welche die Stufe 250 versorgt.

Es kann zwischen den beiden Stellen oder örtlichen Positionen der Stufen 220 und 250 eine beträchtliche Entfernung auf dem Plättchen vorhanden sein, sodaß die Zuführungsleitunpen 25 und 26 einen endlichen Widerstand aufweisen. Wenn man bei der Herstellung die Breite und den spezifischen Widerstand der Zuführungsleitungen 25, 26 entsprechend steuert, können diese Leitungewiderstände gleiche Werte besitzen, wie mit den punktförmig verteilten Widerständen 221 und 231 vom Wert R^ dargestellt ist. Wenn also in den Leitungen 25 und 26 gleiche, jedoch entgegengesetzt gerichtete Ströme I fließen, sind die Spannungsabfälle IR- an jeder Stelle entlang der Leitungen 25 und 26 entgegengesetzt gleich, und zwar unabhängig von der Entfernung von den wirklichen Anschlüssen an die Versorgungs- I Leistungsquelle. Es sei darauf hingewiesen, daß für den Pail, daß Y £ als di'e Hälfte von Yp_g hergeleitet wird, der Wert von Y_ref unverändert bleibt, gleichgültig, wo auf dem Plättchen die Referenzspannung hergeleitet wird, unabhängig von der Entfernung von den Verbindungen der Leitungen 25, 26 mit der Leistungsquelle.

Unter der Annahme, daß Δ« 0,7 YoIt (bei Silizium als Werkstoff) ·

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BAD ORIGINAL

sind in der folgenden Tabelle 1 verschiedene Werte der Signalspanne (Gleichung 8) zusammengestellt*

Tabelle 1

	η	0	±	3	5	±	7	9
B	= 2,	8	. ±	433 mV	+ 260	±	186	+ 144
B	- 1,	6		367	·+ 220	i.	157	! + 122
B	= 1,		300	± ^80	129	I + 100

Werte der Signalepanne

Pur B = 1,6 (jVpgl « 3,2 Volt) könnte es scheinen, daß die Werte von η * 7 und η = 9 zu anfällig gegen Rauschen sind. Sa eich jedoch A (Vgg), Vpg und die Temperaturechwankungen aufheben, müssen bei der Toleranzanalyse nur dieToleranzen der Widerstandsverhältnisse und der Änderungen des Bingangssignalwertes berücksichtigt werden. Ferner können, wie in Fig. 1 gezeigt ist, alle Widerstandewerte Vielfache einee festen Wideretandswertes R sein, sodaß der Schaltungsentwurf von Verhältnissen gleichwertiger Widerstände abhängt.

Dies ist bei der Herstellung von integrierten Schaltungen von Bedeutung, da die Widerstandswerte durch die Widerstandsgeometrie bestimmt werden. Wie in fig· 1 dargestellt ist, kann zur Realisierung aller Widerstandswerte nur eine einzige Wideretandsform mit dem Wert S verwendet «erden, sodafi die Widerstandeverhältniese zuverlässig innerhalb 2Jt liegen sollten.

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_BAD

Das Haupterfordernis für eine Sondersignalspanne ergibt sich also daraus, Rauschen auf den Eingangsleitungen zu berücksichtigen. Die Signale, welche einem merklichen Rauschen unterliegen, wie es z.B· bei Signalen der Fall ist, die ein Register auftasten oder einblenden, und eine lange Strecke auf dem Plättchen der integrierten Schaltung zurücklegen oder das Plättchen gänzlich verlassen, sollten durch Gatter mit einer geringen Zahl möglicher Eingänge definiert werden, sodaß die Spanne des Ausgangssignalpegels relativ groß sein wird. Im Falle des Fortsendens vom Plättchen hinweg könnte man beispielsweise ein einziges Eingangsgatter verwenden.

Die maximalen Signalschwingverhältnisse treten auf, wenn kein O-Signal und wenn alle O-Signale angelegt werden. Falls kein O-Signal angelegt wird, ist V_ß» 0 und V_Q wird zu - Δ. Wenn alle O-Signale angelegt sind, steuern alle Eingangsver-

(B-Λ) (-2Rl

gleichsschaltungen einen Strom bei, sodaß V » ·

w xt η

ist und Vq zu -2B+A· wird. Diese maximalen SignalVerhältnisse I sind symmetrisch zu -B, sodaß

^VO(max)

Eines der Hauptmerkmale mit strommäßigen Schaltern arbeitender Vergleichsschaltungen ist, daß sie ohne Sättigung betrieben werden können, sodaß ein sehr schneller Betrieb möglich ist. Bei dem Auaführungebeiapiel der Erfindung gemäß Fig. 1 wird der nicht gesättigte Betrieb auf der Eingangeleitungsseite einer

jeden Vergleichsschaltung bewerkstelligt, da die Kollektorelektroden (z.B. die Kollektorelektrode 22c der Vergleichsschaltung 21^) an Masse liegen und die Signalspannung stets mindestens gleich oder negativer als - £* Volt ist. Die Heferenzleitungsseite der Eingangsvergleichsschaltungen (beispielsweise der Transistor 23 der Vergleichsschaltung 2I₁) könnte jedoch durch die unteren Extremwerte des Signale gesättigt werdenι wenn man nicht eine Klemmung (clamping) vorsieht, je nach dem Wert von B. Diese Referenztransistoren werden eine Kollektor-Basia-Vorspannung in Durchlaßrichtung von 0,4- Volt besitzen, wenn nicht

-2B + 2& > -B - 0,4 (TO)

für Δ m 0,7 Volt bedeutet dies

B ± 1,4 + 0,4 . (11)

V_psj ± 3,6 Volt. (121

Es ist möglich, den Schaltkreis mit Vp₈* -3,6 Volt zu betreiben, um eine Klemmung vermeiden zu können, doch 1st die Zahl der möglichen Eingänge begrenzt und erhöhte Temperaturen könnten zur Sättigung führen· Aus diesen Gründen ist Vorzüge- / weis« eine Klemmeinriohtang vorgesehen, beispielsweise der Klemmtraneistor 38 in der Stufe 20· Der Transistor 38 klemmt die Ausgangsleitungen 27j bis 27_n über seinen Basie-Eaitterübergang auf eine Klemmspannung Vqj· Der Emitter 38_e d·» Transistors 38 ist mit den Auegangsleitungen 27.« bis 2T_n ▼·!"- , |

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bunden, und die Basis 38b liegt an der Klemmapannung Vq^. Der Kollektor 38c ist an die Masseleitung 26 angeschaltet. Die Klemmspannung V_Ct besitzt einen geeigneten Wert, um zu verhindern, daß bei ungünstigsten Bedingungen eine Sättigung der Referenztransistoren auftritt, beispielsweise kann sie

die folgende Größe besitzen!

V_CL - -B + & . (13)

Wenn eine nennenswerte Anzahl von O-Eingangssignalen (mehr als , jedoch allgemein weniger als n) vorhanden ist, zieht der Klemmtransistor 38 merklichen, jedoch mäßigen' Strom. Sein Spannungeabfall V™, beträgt &. , sodaß der Emitter 38e und die den Vergleichsschaltungen gemeinsame Kollektorspannung V_c auf -B Volt geklemmt wird, unabhängig von £x . Die Ausgangsspannung wird dann auf (-B- Λ ) Volt geklemmt.

Im Falle der Klemmung summieren also die logischen Schaltkreisstufen 20 'und 50 jeweils ihre entsprechenden Eingangssignale I zur Erzeugung eines Ausgangesignalpegels, der einen beliebigen Wert oberhalb des Y --Pegels bis zu - ^ Volt oder unterhalb von V - hinab bis zu (-B- £^ ) Volt haben kann. Der Ausgangssignalpegel wird dann mit dem Referenzpegel von -B Volt durch die Eingangsvergleichsschaltung der angesteuerten Stufe zur Peststellung der 1- bzw. O-Signale verglichen. Im Interesse einer Signalsymmetrie zu V_Tef kann es auch wünschenswert sein, eine zusätzliche Klemmung einzuführen, um die oberen Extremwerte der Ausgangespannung zu begrenzen. Dies ist jedoch nicht notwendig.

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Für den Fall, daß jeweils ein verschiedenes Eingangssignal an jede der Eingangsleitungen 39₁ bis 39_n angelegt wird, kann man sagen, daß die logische Schaltungsanordnung als Majoritätegatter mit η Eingängen wirkt. Die Eingänge können gewertet werden, indem man das gleiche Eingangssignal an zwei oder mehr Singangsleitungen anlegt. Wenn beispielsweise η * 5 ist, ergibt sich, wenn ein einziges Signal an zwei der fünf Eingangeleitungen angelegt wird, ein (2111)-Gatter, wobei die Bewertungen 2, 1, 1 bzw. 1 sind. Sine andere Möglichkeit, die Eingänge zu bewerten, besteht darin, den i-ten Yerglelchsschaltunge-Emltterwideretand 24 durch die Bewertung w^ zu dividieren, beispielsweise durch Parallelschaltung von w^ Widerständen des Wertes R.

Die in Fig. 1 dargestellte logische Schwellwertschaltung ist nur eine aus einer Gruppe von kompatiblen logischen Schaltkreisen, die zur Bildung eines gewünschten digitalen Systems in verschiedenen Kombinationen zusammengefügt werden können. In den Fig. 3, 4 und 5 sind einige andere Ausführungsbeispiele der Schaltkreisgruppe oder -Familie dargestellt, die alle mit den gleichen Spannungen Vpg, V_ref und V_CL sowie Signalpegeln wie bei dem Schwellwertechaltkreie gemäß Fig. 1 betrieben werden. ' Jeder dieser Schaltkreise ist ähnlich aufgebaut wie der Schaltkreis nach Fig. 1, aodaß gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bezeichnen.

In Fig. 3 ist ein UND-Gatter mit η Eingängen dargestellt, welches sich von der Stufe 20 gemäß Fig. 1 nur insofern unterscheidet,

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BAD ORiGtNAL

als die Schwellwertlastimpedanz durch eine Lastimpedanz mit allgemein höherem Wert ersetzt ist. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, kann die Lastimpedanz einen Wert von 2E aufweisen und durch zwei in Serie geschaltete Widerstände 91 und 92 realisiert sein, von denen jeder den Wert R besitzt.

Im Betrieb, wenn alle Eingangssignale X₁ bis X_n eine 1 sind, fließt kein Strom durch den gemeinsamen Lastwiderstand. Der Ausgang ist dann - & Volt, was positiver ist als -B Volt (^_ref)» und stellt daher ein 1-Signal dar. Wenn andererseits ein oder mehrere Eingangssignale eine 0 sind, fließt ein Strom durch den einzelnen Lastwiderstand und bewirkt, daß das Ausgangssignal unterhalb von -B Volt absinkt, was ein O-Signal bedeutet. Es sei darauf hingewiesen, daß, wenn genau eines der Eingangssignale ein O-Signal ist, die Spannung am Lastwiderstand - -^g—*■ · (2E) oder -2(B-&) beträgt, was hinreichend niedrig ist, den Klemmtransistor 38 zu veranlassen, den gemeinsamen < Kollektorpunkt auf -B Volt zu klemmen· Es sei hier angenommen, daß B > 20 .,Andernfalls ist ein größerer Lastwiderstand erforderlich. Das Ausgangssignal ist also nur dann eine 1, wenn alle Eingangssignale eine 1 sind, dagegen eine 0, wenn ein oder mehrere Eingangssignale 0 betragen.

Es ist hier zu beachten, daß bei jedem der bisher erläuterten Ausführungsbeispiele eine einzige Sammelschiene oder ein einziger Ausgangspunkt, die bzw. der jeder der η Vergleieheschal-

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BAD ORIGINAL

tungen gemeinsam ist, verwendet wird, sodaß der Kollektor des Eingangstransistors eine Vergleichsschaltung (beispielsweise der Transistor 22 der Vergleichsschaltung 2I₁) an Masse liegen kann, wodurch eine Sättigung verhindert wird« Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen fall beschränkt. Die vorliegende Erfindung umfaßt auch den fall, daß ein Schaltkreis mit einer Doppelschiene vorgesehen ist, wobei die Kollektoren der Singangstransietoren der Vergleichsschal tungen nicht an Masse liegen, sondern gemeinsam an eine Lastwiderstandsschaltung angeschaltet sind. Man müßte selbstverständlich eine geeignete Klemmvorrichtung vorsehen, um eine Sättigung der Eingangstransistoren zu verhindern. Bei einer solchen Gestaltung kann man an der gemeinsamen Kollektorverbindungsstelle der Eingangstransistoren der Vergleichsschaltungen das Komplement V_Q von Vq abnehmen, und zwar mittels eines zusätzlichen Emitterfolger-Transistors.

In Fig. 4 ist als Ausführungsbeispiel ein Inverterschaltkreis dargestellt, welcher nach der Regel arbeitet, den Kollektor des Vergleichsschaltungs-Bingangstransistors an Masse zu legen. Gemäß Fig· 4 ist die Zahl η der Eingangsvergleichsschaltungen gleich eins und der Kollektor 22« des Eingangstransistors 22 _y der Eingangsvergleichsschaltung 21., liegt also an Masse. Die Vorrichtung .zum Herleiten des Ausgangseignals umfaßt zwei Widerstände 100, 101, die zwischen die Vp₈- und G-Zuführungs-Ieitungen in Reihe geschaltet sind, wobei ihr gemeinsamer Funkt mit der Aus gängele itung 27., der Eingangsvergleicheschaltung

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zusanmengeBehaltet let· Ferner enthält die Vorrichtung zum Herleiten des Ausgangssignale einen Invertier-Transietor 102, der einen Ausgangs-Emitterfolger-Transistor 103 betreibt bzw. aneteuert. Die Basis 102b des Invertier-Transistors. 102 ist mit der Ausgangsleitung 27« gekoppelt. Der Kollektor 102c liegt über einen Kollektorwiderstand 104 an Masse, während der Emitter 102e über einen Eaitterwiderstand 105 mit der Vpgleitung verbunden ist. Ferner ist der Kollektor 102c mit der Baals 103b des Emitterfolger-Transistore 103 gekoppelt. Der Kollektor 103c 1st ait der Massele-itung, der Emitter 103e mit einer Ausgangsleitung 108 und über einen Widerstand 106 mit der Vpg-I»eitung verbunden.

Alle Widerstände besitzen den Wert R, mit Ausnahme des Widerstandes 101, dessen Wert «=*. R beträgt. Der Parameter ^ wird so gewählt, daß für ein O-Eingangssignal der Vergleichsschaltunge-Referenztransistor 23 nicht in Sättigung gerät und der InvertierHiransistor 102 nicht bei einem 1-Eingangssignal gesättigt wird. Wenn tk entsprechend gewählt wird, kann sich der Widerstandswert "<*. R" aus Widerständen mit dem Wert R zusammensetzen, wie in Fig. 5a für dl »5/3 und in Fig. 5b für clv =«3/2 dargestellt ist. In jeder dieser Figuren weist die Widerstandsanordnung 101 einen Serienwiderstand R auf, der in Reihe mit einer Parallelschaltung aus Widerständen vom Wert R geschaltet ist.

In Pite. ό ist eine "gedrahtete" oder sogenannte Phantom-ÖDER-

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\ni\n

Ausführung der erfihdungsäeÄäßeh Iogiö6ßfeh

dargestellt. Die Au8gartg8-Bmitterfolge*-*ransietö*feiä %% ¥ön

Swei öde* mehr logischen Bohwellwertötufeh oder

können so geschaltet werden, daß sie einen gemeinBöJ&eh widerstand roil Wert 2H teilen. Dae AusgangsBignal Y₀ einfaoh der Maximalwert der getrennten Ausgänge. Ii eei hingewieaen, daß bei'einer Überbrückung der lmitterwideretänd# der AuBgangstransistoren durch eine gemeineaiBe Schaltühg

Emitterfolger-AuBgangaimpedanz verringert und der

erhöht würde, wae eich all den gemeineaaen Kollektorpüntteü betoerkbar machen könnte.

Die verechiedenen Spannungeä t_pg, Y^_f und *_QL köiiöia rön einfer geeigneten I*iBtuhge*erBorguhgeschaltung tut gestellt werden. M% leietuhgevereorgungöBchäitting eine geeignete Gleichepannungequelle HO₁ welche PBÜ der Daretellung eine Batterie Ut₁ deren pbisitite lliiB· M dife ÄuJTtthrüfageleitufag 25 und deren negatire UuUi iü Üi iüftifattagft ieitufti 26 angeefehlos&en öind. für die dargfeetelit*Ä beieplöle lit lTPii-TraneiBtDr«h kann die Äaeöe^otential fahren» we&rthd dife ieitung §1 di«

1ei Mi 122

die ttreört«4tBi<Bitttngtfeh S| mi U &%m*il%%i iti«

BAD ORtGWAL

lektor 122c des Transistors 122 ist an die Leitung 25, der Emitter 122e über einen- Emitterwiderstand 123 an die Leitung 26 angeschlossen. Der Kollektor 121c des Transistors 121 ist über einen Kollektorwiderstand 124 an die Leitung 25, der Emitter 121e über einen Emitterwiderstand 125 an die Leitung 26 angeschlossen. Die Basis 122b des Transistors 122 ist mit dem Kollektor 121c und mit der V_c-r-Leitung verbunden. Der Emitter 122e ist mit der Basis 121b und mit der V --leitung zusammengeschaltet.

Jeder der Widerstände besitzt einen Wert von E, sodaß die * Emitter- und Kollektorströme des Transistors 121 gleiche Werte besitzen, wobei V ~ einen Wert von -B oder der Hälfte der Leistungsversorgungsspannung aufweist. Die Klemmspannung Vqx ist positiver als ¹ST f·, um die Spannung ( & ) des Basis-Emitter-Überganges des Transistors 122, sodaß V«t=-B+£^.

Eine Leistungsversorgungsschalt-ung der oben beschriebenen Art · kann für jede Stufe vorgesehen sein, oder sie kann auch zum Betreiben von mehr als einer Stufe verwendet werden. Mehrere Versorgungsschaltungen können also auf einem einzigen Plättchen angeordnet sein und sich in eine einzige Leistungsquelle 120 teilen, wobei jede eine oder mehrere Stufen betreibt.

Die in Fig. !dargestellte logische Schaltungsanordnung eignet sichb^sgnde>$ßi_fgut ftür groß*-integrierte-Schaltungen : Ordnungen wie; 3#&i §-^ Yi^^echfun^tionep^ttöhen. Ein Pläti-^; ί

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ORIGINAL INSPECTED

chen kann beispielsweise eine Reihe von Zellen enthalten, wobei jede Zelle ihrerseits zwei Transistoren und vier Widerstände mit jeweils dem gleichen Wert R aufweist. Eine logische Stufe wie etwa die Stufe 20 erfordert n+1 derartige Zollen, (wobei η Widerstände übrigbleiben). Die Referenzversorgung erfordert eine Zelle, der Inverter zwei Zellen (wobei ein Widerstand von einer Nachbarzelle für den fall entliehen wird, daß rJL =5/3). Die Einheitszellen können in einem sehr kleinen Bereich aufgebaut werden, wobei eine Verdrantungsschicht die besondere Zellenfunktion und die Zwiβeheηverbindungen bildet, während eine zweite Verdrahtungsachicht zur Leistungsversorgung und für die Zwischenverbindungen der Referenzpunkte dient·

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Claims (2)

1. JLjLJ; &. A -I. Λ. Jx jblje J: Ji .c Ji a

   f 1 Λ Logiaehef Schaltkreis, an welöheh über η Eingangsleituhgen wobei η eine ganze Zahl ist, lingangssignale und mittels einer äußeren Quelle eine feste Referenzspannung anlegbar sind, mit einer Anzahl vöh η Vergleichsschaltiingen, von denen jede eine Ausgangsleitung, einen mit je einer der Eingangsleitungen gekoppelten ersteh Eingang sowie einen mit der Referenzspannungsquelle verbundenen zweiten Eingang aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Vergleichssehaltung (21) die Spannung des angelegteil Signals mit der Referenzspannung (V_rei) Vergleicht und ah ihreia Ausgang ein entsprechendes Ausgangssignal liefert, dal eine Vorrichtung (28, 29, 35) zum Herleiten eines Signale die Ausgangsleitungen (27) der Vergleiehssehaltüngen zusammenschaltet und eine Ausgangssignaispannung liefert* und daß die Eingangs- und Ausgangssighaiepannungeh den einen Binärwert repräsentieren, wenn sie positiver, und den arideren iühärwertj wenn öie hegativer als die Referenzspannung s'ihdt {

   \.
2. 2. Sehäitfcf§is haeh Anspruch i, dadurch gekennz e i c & η e % ι daß eine weitere Vergleichsschaltung (51) vorgesehön isii f%ica§ äife ÄHS^gssiinäispi&nung mit äef He^ ferenääpaÄniyii tv^) Tfergieifefet, ut ä§rfeh feittärwfeH «teilen*

   _BAD

   3· Sehaltkreis nach Anspruch !,dadurch g ek e η η -zeichnet, daß jede Vergleichsschaltung (21) eine Stromschaltvorrichtung mit zwei !Transistoren (22, 23) und einem gemeinsamen Emitterwideretand (24) aufweist, und daß die Vorrichtung zum Herleiten des Ausgangssignals eine Lastimpedanz (28, 29) umfaßt, die gemeinschaftlich mit den Ausgangsleitungen (27)«der Vergleichsschaltungen zusammengeschaltet ist.

   4. Schaltkreis nach Anspruch 3, d a du r c h g ek β η η -

   2R

   zeichnet, daß die Lastimpedanz den Wert ~ aufweist, wobei R der Wert eines jeden gemeinsamen Emitterwiderstandes (24) ist.

   5. Schaltkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastimpedanz η parallel geschaltete Widerstände (28, 29) umfaßt, von denen jeder den Wert R besitzt.

   6. Schaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung der Betriebeleistung für die Vergleicheschaltungen (21) und für die Torrichtung zum Herleiten des Auegangesignals gleich der doppelten Referenzspannung (V_ref) ist.

   7· Schaltkreis nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung von

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   I / U£ I /

   der Größe der doppelten Referenzspannung mittels zweier Versorgungsleitungen (25, 26) an einer ersten Stelle den η Vergleichsschaltungen (21) und an einer zweiten Stelle der weiteren Vergleichsschaltung (51) zugeführt ist, daß zwei Schaltungsanordnungen zur lieferung der Referenzspannung vorgesehen sind, von denen die eine an der ersten Stelle und die andere an der zweiten Stelle an die Versorgungsleitungen angeschlossen sind, und daß die Versorgungsleitungen zwischen den beiden Stellen praktisch identische Längen- und Breitenwerte aufweisen.

   8. Schaltkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Herleiten des Ausgangssignals einen Emitterfolger-Ausgangstransistor (35) enthält, welcher die Ausgangsspannung von den gemeinschaftlich verbundenen Ausgangsleitungen der Vergleichsschaltungen (21) liefert.

   9. Schaltkreis nach Anspruch 4,gekennzeichnet durch eine Klemmeinrichtung (38), welche die Ausgangsleitungen der Vergleichsschaltungen (21) auf eine Spannung (Vqt) klemmt, welche eine Sättigung von Transistoren (22, 23) der Vergleichsschaltungen verhindert.

   10. Schaltkreis nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung einen Klemmtransistor (38) aufweist, dessen Basis-Emitter-Ubergang zwischen

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   die Ausgangsleitungen (27) der Vergleichesohaltungen und einen Funkt mit einer Klemmspannung geschaltet ist, die gleich dem Wert der Referenzspannung (V «) ist.

   11. Schaltkreis nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß alle Transistoren vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind.

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