DE1762436A1 - Schaltung zur Durchfuehrung logischer Verknuepfungen - Google Patents

Description

Dr. Herber« Sch ο Ι« 1 7 6 2 A 3 6 Patentanwalt Anmelder: Philips Patenivsrwaliung GmbH.

Akte No. ^"D- 1^C¹
Anmeldung vom: 1¹. ^τ" ΠΙ

Philips PatentVerwaltung GmbH,, Hamburg

"Schaltung zur Durchführung logischer Verknüpfungen"

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Durchführung logischer Verknüpfungen zur Verwendung in integrierten Schaltungen, die in TTL-Technik aufgebaut sind, bei der ein Verknüpfungsgatter durch einen Multi-Emltter-Transistor realisiert ist., dessen Basis über einen Widerstand mit der Betriebsspannung und dessen Kollektor mit der Basis eines weiteren Transistors in Emitterschaltung verbunden 1st.

Für die Realisierung von Verknüpfungsschaltungen sind bisher viele Möglichkeiten bekannt geworden, die sich hauptsächlich durch Schaltgeschwindigkeit und technischem Aufwand unterscheiden. Gebräuchlich sind z.B. Verknüpfungsschaltungen, bei denen'Jeder Verknüpfung se ingang auf eine Diode führt und die anderen Anschlüsse der Dioden miteinander verbunden auf einen Arbeitswiderstand führen und den Ausgang der Verknüpfungsschaltung bilden. Da jedoch die Dioden eine Spannungsverschiebung bewirken und allgemein eine Verknüpfungsschaltung wieder andere ansteuern eoll, ist häufig Jeder Verknüpfungsschaltung ein Transistor als Verstärker und Potential-

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regenerator nachgeschaltet. Aus Gründen der Sicherheit gegen Störsignale wird ein möglichst hoher Signalhub verwendet und außerdem durch zusätzliche Dioden zwischen Verknüpfungsschaltung und folgendem Verstärker eine Ansprechschwelle erzeugt. Die Betriebsspannung ist dann durch den Signalhub bestimmt.

Bei integrierten Schaltungen, die also auf einem Halbleiterscheibchen eine Schaltung mit allen Bauelementen enthalten, die praktisch ausschließlich durch Diffusionsvorgänge hergestellt sind, gelten bezüglich Aufwand andere Gesichtspunkte als bei Schaltungen, die aus diskreten Bauelementen hergestellt sind. Insbesondere sind bei integrierten Schaltungen allgemein Transistoren leicht herzustellen, so daß VerknUpfungsschaltungen also günstig durch Transistoren realisiert werden. Eine Standardschaltung dieser Art ist z.B. die TTL-Technik, bei der als Verknüpfungselement ein Multi-Emitter-Transistor verwendet wird.

Es ist allerdings ein Nachteil dieser Technik, daß der zulässige Signalhub begrenzt ist durch die Basis-Emitter-Durchbruchspannung, die wiederum durch das Herstellungsprinzip festliegt und praktisch fast nicht beeinflußt werden kann. Bei Verwendung dieser Schaltung innerhalb eines Bausteins kann der Signalhub zwar durch entsprechende Dimensionierung begrenzt werden, insbesondere, wenn der Multi-Emitter-Transistor bzw. der diesem nachgeschaltete Transistor auf ein Zwischenpotential bezogen ist, das als gemeinsamer Schwellwert für alle Eingangssignale wirkt. Die Eingänge Jedoch, die aus dem Baustein herausgeführt sind, müssen zur Aufnahme des vollen Signalhubs eingerichtet sein, der insbesondere in einem System mit vorwiegend Diodengattern und bei Berücksichtigung der Toleranzen größer als die Emitter-Basis-Durchbruchsspannung sein kann. Weiterhin sind insbesondere bei positiver Signalspannung Störspannungen zu beachten. Die positive Signalspannung kann statisch nicht höher sein als die Speisespannung, dagegen können kurzzeitig erheblich höhere Spannungsspitzen durch eingestreute Störsignale auftreten, wenn dieser Eingang über eine längere Leitung mit der Signalquelle verbunden ist. Außerdem ist eine Signalquelle, die allgemein durch einen Transistor in Emittersohaltung gebildet wird, hochohmig beim Abgeben der positiven

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Signalspannung, so daß eingestreute Störsignale in diesem Fall wenig gedämpft werden. Besonders durch solche Störsignale kann die Basls-Emitter-Durchbruchspannung weit überschritten und damit der Transistor zerstört werden.

In manchen Fällen ist es nun erwünscht, die TTL-Technik in bereits benutzten Systemen mit höherer Betriebsspannung und damit höherem Signalhub doch verwenden zu können, da diese in anderer Hinsicht, z.B. für geringe Signalverzögerung, sehr vorteilhaft ist.

Hier gibt die Erfindung eine Lösung an, die dadurch gekennzeichnet ist, daß Verknüpfungseingänge von außerhalb der integrierten Schaltung über Dioden mit den Kollektoren der die internen Ver- Λ knüpfungseingänge enthaltenden Multi-Emitter-Transistoren verbunden sind.

Damit können Bausteine in TTL-Technik auf einfache Weise in Systemen mit größeren Signalhüben verwendet werden, ohne die Vorteile der TTL-Technik, also insbesondere die kurze Umschaltzeit für beide Signalwerte und die einfache Realisierung einer gemeinsamen SchaItschwelle durch Einführung eines Zwischenpotentials, zu verlieren und ohne besondere Maßnahmen zur Verkleinerung des Hubes, die die Storsicherheit bezüglich des Umschaltpunktes beeinträchtigen würden oder zur Vermeidung von positiven Störspannungen treffen zu müssen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine TTL-Verknüpfungsschaltung,

Fig. 2 ein Speicher-Flipflop in TTL-Technik.

Die TTL-VerknUpfungsschaltung der Fig. 1 besteht aus dem eigentlichen Verknüpfungselement T₁, ein MuIti-Emitter-Transistor, dessen Emitter die Eingänge E₂, E, bilden, und dem nachfolgenden Verstärkertransistor T₂. Die Anzahl der Eingänge kann auch noch größer sein. Die Basis des Transistors T₁ ist über den Widerstand R₁ mit der Speisespannung U verbunden und der Kollektor führt

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auf die Basis des Verstärkertransistors T₂, dessen Emitter mit dem Grundpotential OV verbunden ist und dessen Kollektor den Ausgang der Schaltung darstellt und über den Arbeitswiderstand R₂ mit der Speisespannung U verbunden ist.

Der Eingang E₁ mit der Diode D₁ bleibe zunächst unberücksichtigt. Dann wird, solange einer der Eingänge E₁ oder E₃ niedriges Potential führt, der Transistor T₁ durchgeschaltet sein. Da der Kollektor keinen Arbeitswiderstand gegen die Spannung U besitzt, fließt im Emitter praktisch nur der durch den Widerstand R₁ bestimmte Basisstrom und es ergibt sich für den Transistor T. ein sehr kleiner Kollektor-Emitter-Spannungsabfall, so daß die niedrigste Eingangsspannung auch an der Basis des Transistors T₂ liegt und diesen zunächst sperrt.

Sobald der letzte der Eingänge E₁, E₂ usw. auch auf ein positives Potential springt, sperren die Emitter-Basis-Strecken, die Kollektor-Basis-Diode des Transistors T₁ wird leitend, es fließt ein Basisstrom in den Transistor T₂ und schaltet diesen ein. Der Transistor T₁ arbeitet nun invers, d.h., der Kollektor arbeitet als Emitter, und die Emitter wirken als Kollektoren. Da die Stromverstärkung bei inversem Betrieb von Planartransistoren jedoch sehr gering ist, wird der Basisstrom des Transistors T₂ weitgehend durch den Widerstand R₁ bestimmt, und es fließt in die als Kollektoren wirkenden Emitter nur ein geringer Strom hinein (von U_n gegen OV).

Wenn ein Eingang nun wieder niedriges Potential erhält, wird der Transistor T₁ damit wieder normalleitend, das niedrige Potential gelangt durch den Kollektor des Transistors T₁ an die Basis des Transistors T₂ und sperrt diesen dadurch besonders schnell, daß die Basis-Speicherladung des Transistors T₂ durch den leitenden Transistor T₁ niederohmig über den betreffenden Emitter abgeführt wird.

Der Eingang E₁ führt nun über eine Diode auf den Kollektor des Multi-Emitter-Transistors, wirkt Jedoch ebenso wie einer der Eingänge E₂ oder E,, wie folgende Überlegung zeigt: Die beiden Ein-

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gänge E₂ und E, mögen hohes Potential führen. Wenn dann der Eingang E₁ ebenfalls hohes Potential führt, ist der Transistor T₂ eingeschaltet. Erhält der Eingang E₁ nun niedriges Potential (OV), so fließt nun der Kollektorstrom des Multl-Emitter-Translstors T. über die Diode D₁ ab, der Transistor T₂ wird gesperrt, wobei die Basisladung des Transistors T₂ über die leitende Diode D₁ ebenfalls niederohmlg abgeführt und der Transistor Tp damit schnell gesperrt wird. Wenn der Eingang E₁ nun wieder hohes Potential erhält, fließt der Kollektorstrom des Multi-Emitter-Transistors T₁ wieder in die Basis des Transistors T₂ und schaltet diesen ein.

Der Eingang E₁ verhält sich also für die logische Punktion und die Schaltgeschwindigkeit den Eingängen E₂ und E, völlig gleich. m Da die Diode D₁ aber in einer integrierten Schaltung als Kollektor-Basis-Diode ausgeführt werden kann, hat der Eingang E₁ eine wesentlich höhere Spannungsfestigkeit als die Emitter des Transistors T,. Falls ein Gatter mehrere Eingänge hat, die von außerhalb des Bausteines angesteuert werden, können auch mehrere Dioden an den Kollektor des betreffenden Multi-Emitter-Transistors angeschlossen werden.

Die Pig. 2 zeigt eine Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme bei einem Speicher-Flipflop. Darin sind Q und § die normalerweise zueinander komplementären Ausgänge, S und R der Setz- bzw. der Rücksetzeingang des FlipfJops. Die Emitter der beiden Ausgangstransi- | stören T₁ und T₂ sind auf eine durch die Dioden D, und D^ erzeugte Schwellspannung U_e bezogen, um für die Eingänge eine größere, genau gegebene Spannungsschwelle zu erhalten.

Als Ausgangezustand der Schaltung der Flg. 2 sei angenommen, daß der Transietor T₂ leitend sei. Dann liegt sein Kollektor und damit der Emitter de» Transietore T₂ etwa auf dem Potential der Schwellepannung U₈, Da der Transistor T, »omit leitend ist und nur einen kleinen Emitter-Kollektor-Spannungeabfall hat, let der Transietor Tj, geeperrt, deesen Kollektor und damit der Emitter des Traneietore T₁ positiv, und der Traneietor T₂ wird über den Wideretand R₁ und die Baeie-Kollektor-Streeke leitend gehalten, eolenge der Eingang S ein poiitivef Signal erhält oder offen ist. Wenn an

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den Eingang S aber ein niedriges Potential angelegt wird, wird der Transistor T₂ über die Diode D₁ gesperrt, das dadurch am Kollektor auftretende hohe Potential sperrt den Transistor T-,, wodurch der Transistor Tj, einschaltet und durch das niedrige Ausgangspotential an Q der Transistor T, einschaltet, der den Transistor T₂ gesperrt hält, wenn das niedrige Potential am Eingang S wieder verschwindet. Das Flipflop hat damit seinen Zustand durch das Anlegen eines niedrigen Potentials am Eingang S gewechselt. Ein entsprechender Vorgang läuft ab, wenn nun ein niedriges Potential an den Eingang R gelegt wird.

Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Schaltungen können ™ natürlich auch mit PNP-Transistoren aufgebaut werden, wobei für die Eingangsdioden Anode und Kathode vertauscht werden müssen.

Patentansprüche:

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1 7 R ? Δ Ί R

   Schaltung zur Durchführung logischer Verknüpfungen zur Verwendung in integrierten Schaltungen, die in TTL-Technik aufgebaut sind, bei der ein Verknüpfungsgatter durch einen Multi-Emitter-Transistor realisiert ist, dessen Basis über einen Widerstand mit der Betriebsspannung und dessert Kollektor mit der Basis eines weiteren Transistors in Emitterschaltung verbunden 1st, dadurch, gekennzeichnet, daß Verknüpfungseingänge von außerhalb der integrierten Schaltung über Dioden mit den Kollektoren der die internen VerknUpfungseingänge enthaltenden MuIti-Emitter-Transistören verbunden sind.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden als Kollektor-Basis-Dioden ausgeführt sind.

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