DE1926057A1

DE1926057A1 - Verknuepfungsschaltung

Info

Publication number: DE1926057A1
Application number: DE19691926057
Authority: DE
Inventors: Hisakazu Mukai
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1968-05-22
Filing date: 1969-05-22
Publication date: 1969-11-27
Also published as: DE1926057C3; GB1252795A; NL167063B; NL6907780A; NL167063C; DE1926057B2; FR2016752A1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann, I 926057

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

t MÖNCHEN 16, DEN

POSTFACH 860 820

MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

NIPPON TELEGRAPH AND TELEPHONE PUBLIC CORPORATION 1,.1-chome, Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan

Verknüpfungsschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf schnell arbeitende Verknüpfungsschaltungen mit geringem Leistungsverbrauch, die Transistoren verwenden. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Verknüpfungsschaltung, die sich zur Herstellung einer integrierten Schaltung großen Ausmaßes eignet, in der viele Schaltungen auf einem einzigen Halbleiterplättchen integriert sind.

Seit einiger Zeit ist bei elektronischen Einrichtungen die Entwicklung erkennbar, durch Verwendung von integrierten Schaltungen mit kleineren Abmaßen auszukommen. Eine derartige Entwicklung bringt in sehr bedeutendem Umfang eine Kostensenkung und eine Steigerung der Arbeitsgeschwindigkeit derartiger Einrichtungen mit sich, und zwar dadurch, daß die Verteilungsverzögerungszeit eines Signales in derartigen Einrichtungen herabgesetzt ist.

SQÖ048/1OB7

Mit der Verkleinerung einer Einrichtung steirt die Packungsdichte der dabei verwendeten Schaltung. Außerdem bringt die Ableitung der in der betreffenden Schaltung sich entwickelnden Wärme ein Problem mit sich. Normalerweise ist die Verlustleistung pro Einheitsschaltung in mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Verknüpfungsschaltungen höher als in mit niedriger Geschwindigkeit arbeitenden Verknüpfungsschaltungen. Demgemäß besteht in mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Verknüpfungsschaltungen die HauptSchwierigkeit darin, die betreffende Anordnung klein auszubilden. Dabei ist es insbesondere sehr schwierig, aus den. herkömmlichen mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Verknüpfungsschaltungen integrierte Schaltungen großen Ausmaßes, im folgenden kurz als integrierte Großscbaltungen bezeichnet, herzustellen, bei denen mehrere hundert Verknüpfungsgatter auf einem Halbleiterplättchen mit einer Größe von einigen Quadratmillimetern integriert sind.

Eine Möglichkeit der Herabsetzungg der Verlustleitung in einer Verknüpfungsschaltung ohne dabei die Arbeitsgeschwindigkeit zu beeinflussen wird darin gesehen, die Änderung der für einen Verknüpfungsbetrieb erforderlichen gespeicherten Energie dadurch herabzusetzen, daß die gespeicherte Energie in der Schaltung verringert und die Quellenspannung so niedrig wie möglich gemacht wird.

Zu den in großem Umfange benutzten Verknüpfungsschaltungen gehören in der Sättigung arbeitende Verknüpfungsschaltungen. Bei diesen Schaltungen wird öin in Emittergrundschaltung betriebener Transistor als Inverter¹ benutzt,und ferner werden eine direkt gekoppelte Transistor-Logikschaltung (DCTL), eine Widerstands-Transistor-Logik (RTL), eine Dioden-Transistor-Logik (DTL) oder eine Transistor-Transistor-Logik (TTL) benutzt. Außerdem wird eine Stromsteuer-Logik als eiaittergekoppelte Logik bzw. Verknüpfungsschaltung (EGL) benutzt. Bei

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im Sättigungsgebiet arbeitender Verknüpfungsschaltung bzw. Logik, bei der der Inverter-Transistor im eingeschalteten Zustand im Sättigungsgebiet betrieben wird, entsprechen dem-Maximal-Zustand und dem Minimal-Zustand an gespeicherter Energie der EIN- und AUS-Zustand des Gatters. Dadurch ist die Arbeitsgeschwindigkeit des Gatters niedrig.

Wird im Unterschied dazu bei der emittergekoppelten Logik ein Stromschaltertransistor als Inverter betrieben, so arbeitet dieser Transistor ausgezeichnet im nicht gesättigten Bereich. Dies bringt es mit sich, daß die Arbeitsgeschwindigkeit sehr hoch ist.

Um den Inverter-Transistor in einem nicht gesättigten Bereich betreiben zu können und die entsprechenden Verknüpfungspegel auf der Eingangsseite und auf der Ausgangsseite auf demselben Energiewert zu halten, wird in die Verbindung zwischen den Stromschaltertransistoren jedes Gatters ein Emitterfolgertransistor eingesetzt, der eine Pegelverschiebung bewirkt. Deshalb ist der in dieser Emitterfolger-Transistorschaltung vorhandene Leistungsverlust stets groß. Werden bei der emittergekoppelten Logik der Emitter eines Stromschaltertransistors und der zuvor betrachtete, eine Pegelverschiebung mit sich bringende Emitterfolgertransistor an eine Konstantstromquelle angeschlossen, so kann die Quellspannung nicht gering genug gemacht werden. Ferner ist es unmöglich, die Verlustleistung durch Verringern der Quellspannung herabzusetzen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Verknüpfungsschaltung anzugeben, die die oben aufgezeigten Nachteile bekannter Verknüpfungsschaltungen vermeidet und bei sehr hoher Arbeitsgeschwindigkeit einen sehr kleinen Leistungsverlust besitzt. Die neu zu schaffende Verknüpfungsschaltung soll iür geringe Leistung ausgelegt sein und aus sehr einfachen Einheitsgatterschaltungen bestehen. Die neu zu schaffende Verknüpfungs-

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H-

schaltung soll ferner für die Herstellung schnell arbeitender integrierter Großschaltungen geeignet sein.

Die vorstehend aufgezeigte Aufgabe wird mit einer Verknüpfungsschaltung gelöst, die erfindungsgemäß dadurch ^e*- kennzeichnet ist, daß eine Vielzahl von erste Einheitsschaltungen darstellenden Verknüpfungsgatter-Schaltungen vorgesehen ist, deren jede zumindest einen Transistor enthält, dessen Kollektor über einen Kollektor-Reihenwiderstand an eine erste Spannungsquelle und dessen Emitter über einen Emitter-Reihenwiderstand an eine zweite Spannungsquelle ange-

" schlossen ist, daß das Verhältnis der Widerstandswerte von Kollektor-Reihenwiderstand zu Emitter-Reihenwiderstand so gewählt ist, daß es bei etwa 1 liegt oder etwas größer als 1 ist, daß die Basis des jeweiligen Transistors an eine Eingangsklemrne und dessen Kollektor an eine Auεgangsklemme angeschlossen ist, an der mit Auftreten eines binären Verknüpfungspegels an der Eingangsklemme ein entsprechendes Verknüpfungs-Ausgangssignal abnehmbar ist, und daß die Spannungsdifferenz zwischen der eisten und zweiten Spannungsquelle etwa einen Wert besitzt, der gleich der Summe des Vorwartsspannungsabfalles an der Basis-Eiaitter-Strecke des Transistors und der Verknüpfungs-Spitzenspannung ist oder der geringfügig unterhalb dieses Summenwertes liegt.

Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Arbeitsprinzip einer neuen Verknüpfungsschaltung, bei der die verwendete Einheitsgatterschaltung in der Übertragungscharakteristik der Gleichspannung keinen Schwellwert besitzt. Wird jedoch eine Vielzahl von Gattern zur Bildung einer Verknüpfungsschaltung zusammengefaßt, so besitzt die Gruppe der Gatter einen Schwellwert und arbeitet mit einem binären Verknüpfungspegel.

Die Merkmale der vorliegenden Erfindung bestehen darin, daß erstens die Inverter-Transistoren in einem geeignet begrenzten

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Eiiergiebereich zwischen dem Sättigungsbereich und dem Nicht-Sättigungsbereich arbeiten. Der Arbeitspegel wird dabei durch einen Widerstand gesteuert, der mit den Emittern der Inverter-Transistören in Reihe geschaltet ist, so daß nicht mehr .als ein pn-übergang zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der elektrischen Spannungsquelle geschaltet ist. Deshalb besitzt die Quellenspannung einen Wert, der etwa der Summe des Vorwärts-Spannungsabfalles an einem pn-übergang und der geringen Spitzenspannung dieser Schaltung ist oder der geringer ist als die Summe dieser Spannungen. Die Anordnung ist dabei ferner so getroffen, daß die Spannungsverstärkung in dem linearen Bereich der Übertragungskennlinie der Gleichspannung dieser Einheitsgatterschaltung eins beträgt oder etwas größer ist als 1. Als Arbeitsbereich für die Verknüpfung werden der erwähnte lineare Bereich und ein benachbarter nicht linearer Bereich benutzt, in welchem die Spannungsverstärkung kleiner als 1 ist.

An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Schaltplan Grund-Einheitsgatterschaltungen und eine daraus gebildete Verknüpfungsschaltung. Fig. 2, 3 und 4· veranschaulichen an Hand von Kennlinien das Punktionsprinzip der vorliegenden Erfindung.

E¹Ig. 5 verdeutlicht in einem Diagramm ein Beispiel der Wirkung der Erfindung.

lig. 6, 7 und 8 zeigen an Hand von Schaltbildern Ausführungsbeispiele von Einheitsschaltungen, wie sie durch Modifizierung des Grund-Einheitsgatters gemäß der Erfindung erhalten werden. Fig. 9 und 10 zeigen in Schaltbildern Ausführungsformen von Gatterschaltungen, die Modifizierungen der erfindungsgemäßen Grund-Einheitsgatterschaltung darstellen und die insbesondere Einheitsschaltungen mit Schwellwerteigenschaften sind und keinen Schwellwert besitzende Einheitsschaltungen umfassen.

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Fig. 11, 15 und 14 zeigen Schaltbilder von Ausführungsformen einer durch Zusammenfassen von zwei der obigen Einheitsgatterschaltungen gebildeten neuen Einheitsschaltung; Fig. 14 zeigt dabei insbesondere in einem Schaltbild ein Beispiel einer Einheitsschaltung mit einer Schwellwertcharakteristik.

Fig. 12 verdeutlicht in einem Kennliniendiagramm die Funktion der in Fig. 11 dargestellten Schaltung.

Fig. 15 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform einer eine UND-Funktion erfüllenden Einheitsschaltung, die mit den obigen Einheitsschaltungen zusammenfaßbar* ist.

Fig. 16 und 17 zeigen in Schaltbildern Ausführungsformen von zu einem Flip-Flop zusammengefaßten Einheitsschaltungen gemäß der Erfindung.

Fig. 16, 19 und 20 zeigen Schaltbilder von Ausführungsformen einer elektrischen Spannungsversorgungsschaltun^, die die Speisespannung stabilisiert und dieser eine geeignete Temperaturabhängigkeit gibt, so daß die Verknüpfungsschaltung über einen weiten Temperaturbereich betreibbar ist.

Im folgenden sollen an Hand konkreter Ausführungsformen die aliordnungsgemäßen und funktioneilen Prinzipien der vorliegenden Erfindung näher erläutert werden. Dabei wird ein Transistor des npn-Leitfähigkeitstyps beispielsweise benutzt. Es dürfte jedoch einzusehen sein, daß in gleicher Weise auch ein Transistor des pnp-Leitfähigkeitstyps benutzt werden könnte. Fig.1 zeigt eine Grundschaltungsausbildung gemäß der Erfindung. In Fig. 1 stellt der durch gestrichelte Linien umrahmte Schaltungsteil eine Einheitsgatterschaltung dar. Mit 1 und 2 sind der positive und der* negative Spannungspol bezeichnet. Bezüglich der an den Klemmen 1 und 2 liegenden Potentiale wird im folgenden von der zwischen den betreffenden Klemmen vorhandenen Potentialdifferenz gesprochen v/erden. Mit 3 und 4 sind Eingangsklemmen der Einheitsgatterschaltung bezeichnet. Mit 5 ist eine Ausgangsklemme bezeichnet. Die zu der Einheitsgatterschaltung gehörenden

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Transistoren 6 und 7 sind Inverter-Transistoren. Durch Verbinden der Einittez· und Kollektoren beider Transistoren 6 und 7 werden die den -üingan^s klemmen 3 und k- zugeführten Ein_t,angssi ;nale entsprechend einer IvOR-Verknüpfungsfunktion miteinander verknüpft. Mit 6 und 9 sind Widerstände bezeichnet, die den Arbeitspe^el der Inverter-Transistoren und den Verknüpf ungspegel der Einheitsgatterschaltung festlegen. Der Wertdieser Widerstände S und 9 ist so gewählt, da£ das Widerstandsverhältnis Rc./IL, etwas größer als 1 ist (1< R_c/E- < 3). In Fig. 1 ist ferner ein Beispiel dafür gezeigt, wie Einheitst'atterschaltungen miteinander verbunden werden können.

An Hand der Figuren 2, 3 und 4 soll nachstehend die Verknüpfungswirkung der in Fig. Λ dargestellten Grunds ehalt unp; erläutert werden. Jedes dieser Diagramme zeigt eine Eingangs-Ausg-angs-Gleichspannungskennlinie. Für die stark ausgezogene Linie bedeutet aie Abszisse die Eingangsspannung, und die Ordinate bedeutet die Ausgangsspannung. Die gestrichelte Linie zeigt die Beziehung zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung des folgenden Gatters; die Abszisse stellt dabei die Ausgangsspannung und die Ordinate die Eingangsspannung dar. Das Potential an der Anschlußklemme 2 bei der Schaltung . emäß Fig. 1 ist in dem Kulipunkt liegend angenommen. Wird die der Eingangsklemme 5 zugeführte Spannung allmählich von Hull Volt bis auf einen Wert erhöht, der grö£er ist als der Vorwärt s-Spannungsabfall V_BE zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 6, so wird der Transistor 6 wirksam. Wird die Eingangsspannung auf einen Viert erhöht, der größer ist als diese Spannung, so leitet der Transistor 6 einen elektrischen Strom über den Widerstand 9· Dieser Strom fließt im wesentlichen auch durch den Widerstand 8. Mit dem Spannungsabfall an dem Widerstand δ beginnt die Spannung an der Ausgangsklemme 5 abzusinken. Unter Zugrundelegung der Eingangs- und Ausgangs-Kennlinie wird in einem solchen Fall mit steigender Eingangsspannung die Ausgangsspannung nahezu linear abnehmen. Übersteigt

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die Eingangsspannung den Wert der Spannung V^ , so gelangt der Inverter-Transistor in die Sättigung. Seine Emitter-Kollektor-Spannung nähert sich dabei Hull Volt. Mit steigender Eingangsspannung nimmt auch die Ausgangsspannung zu. Fig.2 veranschaulicht dabei den Fall, daß RgZRq nahezu 1 ist; Fig. 3 veranschaulicht den EaIl, daß R_&/Rq ein wenig größer als 1 ist. Die Speisespannung ist dabei ein wenig höher. In jedem I¹ alIe wird der durch die vorliegende Erfindung bezweckte Schaltungsbetrieb nicht richtig durchgeführt. Pig. 4- veranschaulicht den Fall, da£ Ά',/3-q größer ist als 1. Dabei besitzt die Speisespannung einen geeigneten Wert, und der Schaltungsbetrieb wird in geeigneter Weise ausgeführt.

Wird .unter Zugrundelegung der Verhältnisse gemäß Fig. 2 die Spannung V₁₁₁ als Verknüpfungspegel "1" bzw. die Spannung V-^ als Verknüpfungspegel "0" dem Eingang zugeführt, so tritt am Ausgan% die Spannung V_Q-r oder V_QH auf. Am Ausgang der mit der betreffenden Stufe verbundenen folgenden Stufe treten somit die Spannungen V¹«, oder V'_0L auf. Dies bedeutet im Hinblick auf die Ein_oangs-Verknüpfungspegel Vq₁₁- und V₀₁ in der ersten Stufe, daii die Differenz zwischen den Spitzenwerten der Verknüpfungs-Soannungen geringer gev/orden ist. Wird, eine Verknüpfungsschaltung aus derartigen Gatterschaltungen aufgebaut, so wird das Verknüpfungssignal gedämpft, und der Verknüpfungspegel kann nicht festgehalten werden.

Gemäß Fig. 3 laufen die Verknüpfungspegel der Ausgänge der in Reihe peschalteten Gatter bei den Eingangssignalen V_TTT und V_TT über eine Anzahl von Stufen allmählich zu den Punkten a und b hin. Dies bedeutet, da£ in einem solchen Fall eine Vielzahl von Gattern als eine Gruppe einen binären Verknüpfungspegel beibehält und verknüpfungsmäßig arbeitet. Der Grenzpunkt des Zusammenlaufens der Verknüpfungspegel in' einem derartigen Fall ist durch den Schnittpunkt des linearen Bereiches, bei dem die Spannungsverstärkung größer als 1 ist, und des nicht linearen

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Bereiches gegeben, bei dem die Verstärkung im Sättig.ungszustand der Übertragungskennlinie verringert ist. G-elanjt der Transistor zum Zeitpunkt des EIN-Zustandes in die Sättigung, so hat dies den Nachteil, daß die Arbeitsgeschwindigkeit "niedrig ist.

Jfig. 4- veranschaulicht den j?all, daß die Quellenspannung bei der *~emäß J*ig. 3 angenommenen Schaltung niedrig ist. !ferner zeigt Pig. 4- den bei der vorliegenden Erfindung beabsichtigten Arbeitszustand. Der Grenzpunkt des Zusammenlaufens der Verknüpfungspegel in einem solchen Fall ist durch den Schnittpunkt des linearen Bereiches, bei dem die Spannungsverstärkung größer als 1 ist, und des nicht linearen Bereiches gegeben, bei dem der Basis-Eingangsstrom verringert ist und die Spannungsverstärioing beginnt, bei der Übertragungskennlinie kleiner als 1 zu v/erden. Im AiIS-Zustand liegt der Arbeitsbereich des Transistors unmittelbar an der Grenze des aktiven Bereiches und des Abschaltbereiches. Im Elü-Zustand liegt der Arbeitsbereich des Transistors zur Hälfte im Sättigungsbereich, in welchem an dem Kollektorübergang eine Durchlaß-Vorspannung liegt. Der Kollektor befindet sich dabei jedoch noch in einem schwach gesättigten Zustand, bevor eine Injektion von Minoritätsträgern in die Kollektorzone erfolgt. Dies hat zur j?olge, daß die Grenzfrequenz f™ des Transistors nicht so stark absinkt.

Damit eine Einheitsschaltung mit dem oben erwähnten Verknüpfungspegel betrieben werden kann, muß das Verknüpfungs-Spitzensignal V₁- folgender Bedingung genügen: ⁷L <■ ^VBE1 ~ ^YGES

Hierin bedeuten V-n™ die Basis-Emitter-Spannung des Transistors in EIN-Zustand und Vfrgg die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung * (d.h. die Spannung, die vorhanden ist, wenn an dem Kollektorübergang die Injektion von Minoritätsträgern beginnt). Der Wert der Quellenspannung (V,, - Vp) muß im wesentlichen folgender Bedingung genügen:

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Hierin bedeutet V^ das potential/der Spannungsklennne 1, und Vp ist das entsprechende Potential an der Klemme 2. Es ist ferner notwendig, daß der Wert des WiderstandsVerhältnisses Rg/Rq -folgender Bedingung genügt:

, ^H8 < ^VBE1 " ^VCE3
^K9 1 2 ^VBE1

Sind die Quellenspannung und die Jiderstandswerteentsprechend den gestellten Bedingungen gewählt, so besitzt die Gruppe der Grund-Einheitsgabter gemäß Fig. 1 zwei optimale Grenzpunkte, an denen entsprechende Kennlinienbereiche zusammenfallen. Diese Punkte sind in Fig. 4· mit a und b bezeichnet. Dies bedeutet, daß bei Verwendung der betreffenden beiden Pegel als Verknüpf ungs^egel die gesamte Schaltung bei verknüpfungsnäßigem Betrieb denselben Verknüpfungspegel erhälc.

Nachstehend seien die mit der vorliegenden Erfindung; verknüpften überragenden Wirkungen aufgeführt.

I. In der erfindungsgemäßen Schaltung ist es vor allen Dingen möglich, die Quellenspannung so niedrig zu machen, daß die Verlustleistung weniger als ein Viertel der Verlustleistung in irgendeiner herkömmlichen integrierten Verknüpfungsschaltung ist.

II. Da der Pegel durch den Einitterfolger-Sransistor nicht verschoben wird, ist der für die herkömmliche schnell arbeitende emittergekoppelte Verknüpfungsschaltung erforderliche Ausgangswiderstand entbehrlich, und die Leistung wird über die unter I genannte Absenkung hinaus auf weniger als ein Drittel abgesenkt.

III. Bei der herkömmlichen schnell arbeitenden emittergekoppelten Verknüpfungsschaltung wird bei Eingabe eines "1"-Pegel-Signales oder eines "O"-Pegel-Signals stets die gleiche Leistung verbraucht, während in der erfindungsgemäßen Schaltung mit Auftreten des "O"-Pegel-Signals die Verlustleistung Null ist. Bies bringt eine weitere Einsparung an auf zuwendender Leistung den Faktor 0,5 mit sich.

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IV. Da der Inverter-Transistor in einem Bereich sehr hoher G-rensfrequenz arbeitet, ist seine Arbeitsgeschwindigkeit sehr hoch. Dabei liegt sogar in dem Fall, daß dem im AUS-Zustand befindlichen Inverter-Transistor ein niedriges "O"-i^Jegel-Eingangssijnal zugeführt wird, an dem Emitter übergang des betreffenden Transistors eine Durchlaß-Vorspannung. Ferner ist axe Seitspanne, zu der erst ein Eingangssignal zugeführt und der Inverter-Transistor in den aktiven Bereich übergeführt wird, kurz.

V. Die Einheits-Gatt einschaltung besitzt keine Schwellwertcharakteristik v:ie ein Schalterkreis. Deshalb kann die .änderung aes Sustands der Schaltung in einer vorangehenden Stufe schnell auf die folgende Stufe übertragen v/erden. Die Arbeitsgeschwindigkeit; dieser Schaltung übersteigt dabei sogar die Arbeitsgeschwindigkeit der herkömmlichen schnell arbeitenden emittergeko!.:pelten Verknüpfungssehaltung.

VI. Die -niellenspannung ist so niedrig, daß die Widerstände ο undd ·.; verhältnismäßig kleine Widerstands«erte erhalten können. Dadurch kann die Zextkonstante, die diese Widerstände mit der notwendigerweise den Transistor oder den in der integrierten' Schaltung vorhandenen Widerstand begleitenden schädlichen Kapazität bilden, sehr klein gemacht werden, wodurch die Arbeitsgeschwindigkeit noch v/eiter erhöht wird.

VII. Die Anzahl der Bauelemente der Einheitsschaltung kann verringert werden. Dieser Umstand ist sehr wünschenswert im Hinblick auf eine Verstärkung der Integration der Schaltung in einer in großem Umfange integrierten Schaltung. Mit anderen VJorten ausgedrückt heißt dies, daß die "Ausbeute" der integrierten Schaltung merklich verbessert ist.

VIII. In der integrierten Schaltung ist die Kreuzung von Leitungen zwischen den Widerstandsschweißen und dem auf dem Oxydfilm befindlichen Metall möglich. Bei den herkömmlichen TTL- oder DTL-Schaltungen, bei denen der Emitter des jeweiligen Transistors direkt geerdet ist, ist Jedoch keine Widerstandsschicht vorgesehen. Deshalb können die Leitungen zwischen

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CAD ORfGiNAt

irgendeiner Erdungsleitung und der Verknüpfungsschaltung nicht gekreuzt werden. Bei der erfindungsgemäßen Einheitsschaltung ist bei Anschluß des Inverter-Transistors über zwei mit ihm verbundene Widerstände an die elektrischen Spannungsklemmen 1 und 2 eine Verbindung zwischen den Gattex'n leicht vornehmbar.

IX. In der erfindun .s;emä£en Schaltung ist der Widerstandswert relativ niedrig, weshalb auch die Ausp;angsimpedanz niedrig ist. Dadurch wird die Schaltung durch auftretende Störungssi,_;nale kaum beeinflußt. Dabei ist go jar in dem Fall, daß das Verknüpfum.s-Spitzensignal klein ist, nahezu keine Gefahr des Auftretens einer Fehloperation auf Grund von Störungen vorhariden.

Wie pben ausgeführt, unterscheidet sich die erfindungsgemäße Verknüpfungsschaltung in sehr erheblichem Ausmaß von hex"kömmlichen Verknüpfunr-sschrltunpen, und zwar hinsichtlich der Ar-

und
beitcgescliwindigkeit/ der Verlustleistung und im Hinblick aui' eine leichte Herstellbarkeit. Fig. 5 veranschaulicht an Hand eines Beispiels die Beziehung zwischen de_ Verlustleistung pro Einheitscatter und der Verteilungsverzöf:erun,.:szeit in der erfindungsgemäßen Sinheitsschaltuns" im Vergleich zu herkömmlichen inte&.r'ierten Verknüpfung ε schaltung en. Dabei ist der Wert des .Produktes aus Verlustleistung und Verteilungsverzögerungszeit um nahezu zwei Stellen verbessert.

Aufbauend auf die Grund-Gatterschaltung gemäß de- Erfindung werden verschiedene modifizierte Gatterschaltungen erläutert werden. Diese modifizierten Gatterschaltungen werden zusammen mit den Grund-Gatterschaltungen dazu verwendet, die Charakteristiken der gesamten Verknüpfungsschaltung zu verbessern und die Anzahl an vorzusehenden Elementen hex-abzusetzen.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform einer derartigen modifizierten Gatterschaltung. Bei dieser modifizierten Schaltung ist

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der in der Grund-Gatt er schal tun.; vorgesehene Widerstand 9 in zwei Teilwiderstände 9 und 10 aufgeteilt, wobei zwischen beiden Teilwiderständen eine Eingangsklemme 11 liegt. Das auch hier den Eingangsklemmen, die zu der Grund-Gatterschai- · "tung £ ehöreiij zugeführte signal tritt mit dem ersten Verknüpfungspegel auf, während das der Klemme 11 zu-;eführte Signal mit dem zweiten Verloiüpfungs pegel auftritt. Hit dem Kollektor des Inverter-Transistors ist eine Ausgangsklemme 5 verbunden, die zur Abgabe von Signalen mit dem ersten Verknüpfungspegel dienb. Der Emitter des mit dem Emitterfolger verbundenen Transistors 12 dient als Ausgangsklemme 13» an der ein Signal mit dem zv/eiben Verknüpfungsρegel auftritt.

Die in !''ig. 1 dargestellten Grund-Gatterschaltungen stellen Schaltungen dar, die mit dem ersten Verknüpfungspegel betrieben werden, «»ird eine Verknüpf ungs schal bung aus dieser Grund-Gatt einschaltung und seiner zugehörigen Schaltung aufgebaut, so sind die Signale des ersten Verknüpfungspegels führenden Eingangs- und Ausgangsklemmen und die Signale des zweiten Ye?- knüpfungspegels führenden Eingangs- und Aus gangs kl emia en miteinander verbunden. Dies bedeutet, daß die Klemme 5 mit der Klemme 3 oder ^LV der folgenden Stufe verbunden ist und da£ die Klemme 13 mit der Klemme 11 verbunden ist. Der erwähnte zweite Verknüpfungspegel ist durch ein Potential gebildet, das/den ersten Verknüpfungspegel darstellende Potential, und zwar um den Vorwärts-Spannungsabfall an der Emitterstrecke des Transistors 12.

Werden den Eingangsklemmen 3» 4- und 11 Eingangs-Verknüpfungssignale A, B und C zugeführt, so v/erden diese Signale entsprechend der Beziehung (A + B) C = X verknüpft, wobei I das Verknüpfungs-Ausgangssignal an der Ausgangskiemme 5 oder 13 ist. Dies bedeutet, daß mit Auftreten eines "1"-Pegel-Potentials an der Eingangsklemme 3 oder 4 und ansteigendem Pegel an der Eingangsklamme 11 die Potentialdifferenz zwischen den Enden des

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Widerstandes 10 sinkt. Dadurch verringert sich aer durch den Widerstand 10 fließende elektrische Strom. Dies hat zur tfolge, daß auch der durch den Widerstand S fließende Strom kleiner v/ird, wodurch die Potentiale an den Ausgangsklemmen 5 und 13 ansteigen und den Wert des "1"-Pegels erreichen. Sinken im Unterschied zu dem betrachteten ij'all die Potentiale an den Ausgangsklemmen 5 und 13 der vorangehenden Stufe und ebenso das x-otential an der Eingangsklemme 11, so wird der durch den Widers band 10 fließende Strom allmählich größer. Wird dieser Strom _oleich den durch den Widerstand 9 fließen- ^ aen Strom, und zwar trotz weiteren Absinkens des Potentials an der Klemme 5, so v/ird die Emitterstrecke des !Transistors in der vorangehenden Stufte in Sperrichtung vorgespannt. Dadurch wird die betreffende vorangehende Stufe unabhängig. Zu diesem Zeitpunkt liegt an der Ausgangsklemme 5 oder 13 ein dem "O"-Pegel entsprechendes Potential. Die Eingangs- und Ausgangscharakteristiken des ersten Verknüpfung .oee;els bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind genau die gleichen v/ie jene bei der Grund-Gatterschaltung. Die Folge der Abgabe des zweiten Verknüpfungspegels durch den an den Transistor 12 der Grund-Gatterschaltung zusätzlich angeschalteten Emitterfolger besteht darin, daß die Verknüpfungsfunktion der Einheitsschal- ^ tung erweitert wird. Die Ausgangsklemme 5 kann gleichzeitig ™ an die Eingangsklemraen einer Vielzahl von in der folgenden Stufe enthaltenen Einheitsgattern angeschlossen sein. Dabei können jedoch nicht die Ausgangsklemmen 5 einer Vielzahl von Gafcberschaltungen gemeinsam an entsprechende Schaltungspunkte angeschlossen sein. Andererseits kann die Ausganp-sklemme 13 mit der Ausgangsklemme 13 einer anderen Gattex*sehaltung gemeinsam an den Eingang einer folgenden Stufe angeschlossen sein. Dies bedeutet, daß durch alleinige Verbindung der Ausgangs-. klemme 13 einet* Gatterschaltung mit der Ausgangs klemme 13 einer anderen Gatterschaltung eine ODER-Verknüpfungsfunktion realisierbar ist. Wird eine Vielzahl von Emittern des an den

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Transistor 12 angeschlossenen Eciitterfolgers benutzt, wie aies in Fit-, 6 aurch die gestrichelte Linie angedeutet ist, so ist es ferner möglich, von ein und derselben Gatterschaltung eine Vielzahl von voneinander unabhängigen Ausgangssignalen zu erhalten.

Jird bei der in Fi;. 6 dargestellten raodifizierten Gatterschaltung lediglich die Llemiae 11 als Eingangsklemme benutzt, dann ist es bei alleiniger Benützung des zweiten Verknüpfungsoesyels als Eingangs?;röfie erforderlich, der Basis 3 äes Inverter-Transistors ein "'i "-I-'egel-Eingangs signal zuzuführen. In Fig. 7 una S sind «e;:e gezeigt, wie dies auf einfache Weise vorgenommen werden kann.

Bei der Schaltung gemäß i?ig. 7 ist die Basis des Inverter-Transistors 6 der modifizierten Gatterschaltung an die Spannungsklemme 1 angeschlossen. 1st das Verhältnis des Widers;andswertes des Widerstands 8 zur Summe der 'Jiderstandswerte der Widerstände 9 und 10 so gewählt, daß es gleich dem Verhältnis des Widerstandswertes des Widerstands 6 zu dem Widerstandswert des Widerstands 9 bei cLer Grund-3-atterschaltung gemäß Fi;r, 1 ist, und ist die Spannung zv;ischen den Spannungsklemmen 1 und 2 so gewählt, daß der Wert etwas unterhalb von 4 Vy-,.; - (Verknüpfungs-Spitzensignal) f liegt, so kann die Gatterschaltung gemäß Fig. 7 ohne weiteres in Verbindung mit der Gatterschaltung gemäß Fig. 1 oder 6 benutzt werden. Bei der Schaltung gemäß Fig. 8 ist die Basis des Transistors zwischen den Widerständen 14 und 8 angeschlossen, die zwischen dem Kollektor und der Spannungsklemme 1 geschaltet sind. Die Funktion dieser Schaltung stimmt genau mit der Funktion der in -ö'ig. 7 dargestellten Schaltung überein. Mit der Eingangsklemme 11 ist die Ausgangsklemme des Emitterfolger verbunden, der an den Transistor der vorangehenden Stufe angeschlossen ist. Der Eingangsklemme 11 wird dabei das zweite Verknüpfungs-Pegel-Signal zugeführt. Tritt jedoch das "O"-Pegel-Eingangs-

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signal au!, co arbeitet der Transistor 6 mit einem Teil des Stromes, der durch den Widerstand 14 fließt. Die zu diesen; Zeitpunkt an der Basis und am Emitter des Transistors .6 liegenden Potentiale sind durch das Verhältnis des Wiclerstandsv/ertes des 'J iderst arides 14 zu dem Widerst an dswert des Widerstandes 9 bestimmt. Der "O"-Ausgangspegel ist ferner durch die Wahl des Verhältnisses des Widerstandsv/ertes des Widerstandes 14 zu den Widerstandsv.'ert des Widerstandes ε bestimmt. Steigt das Eingangspotential auf Grund des von der iiingan^sklemme 11 her zu_flieEenden Einr;angsstromes allmählich über das durch das oben eruähnte Widerstandsverhältnis festge-Ι,β; te Emitterpotential des Transistors 6 an, so sinken der ArbeitGstrom des Transistors 6 und damit die durch die Widerstände 14 und E fließenden Ströme. Dies hat zur Folge, da£ sich der Ausgangs ρe_;;;;el zu dem "1"-le.'el hin ändert. In dieser Schaltung besteht mit liücksicht auf die Widerstände o, 9 und 14 folgende Beziehung:

R /H - 1 ( Verknüpf un;js-Spit zensignal) = (V,, ~ "^p" "^bEL^R" TS --"T"

Hierin bedeuten V^ und V₀ die -Quellenspannungen, die an den Spannungsklemmen 1 und 2 vorhanden sind, und das Verknüpfungs-Spit2,ensi_fcnal ist die Auslenkung aes ersten Verknüpfungspegels der mit dieser Schaltung verbundenen Einheitsschaltung.

Ist (V^ - V₀) ^V-g-g^ + (Verknüpfungs-Spitzensignal), so kann die Gatterschaltung gemäß Fig;. S ebenfalls mit der anderen, oben erwähnten Gatterschaltung in derselben Weise wie die Gatterschaltung gemäß Jig. 7 verbunden v/erden, und zwar zur Bildung einer Verknüpfungsschaltung.

Jede der oben beschriebenen Gatterschaltungen stellt eine Schaltung dar, die eine lineare Abhängigkeit zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung besitzt und bei der keine Schwellwerts ρ annung vorhanden ist. Damit vermag jede Gatterschaltung

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Jit

einen Verknüpfungspegel nur ungenügend zu bestimmen und den Signalzug nur ungenügend neu zu formen. Wird die Verknüpfungsschaltung aus einer großen Anzahl von Einheits-Gatt erschaltungen aufgebaut oder treten derart starke 'Störungen auf, daß der Verknüpfungspegel ggfs. schwankt, so" v.erden in Verbindung mit den oben erläuterten Gatterschaltungen, uie keinen kritischen Schwellwert besitzen, vorzugsweise Schwellv/ert-Verknüpfungsgatter verwendet, die im Hinblick auf ihre Eingangs-Ausgangs-Kennlinie eine Schwellenspannung besitzen. Gemäß IPig. 9 ist der in I¹Xg. 6 dargestellten modifizierten Gatterschaltung eine Konstantspannungsschaltun^. hinzugefügt, und zwar derart, daß die Gesamt—schaltung eine Schwellwertcharakteristik erhält. Damit besitzt die Schaltung gemäß .Fig. 7 aie Fähigkeit, derartige Verknüpfungspegel zu regenerieren und die jeweilige Signalfolge neu zu

ferner

formen. In dem Schaltbild ist / darp-estellt, daß die Eingangsklemme 3 der modifizierten Gatterschaltung an die Ausgangsklemme 17 der Konstantspannungsschaltung angeschlossen ist, die durch die gestrichelte Linie umrahmt ist. Die Verknüpfungs-Singangsklemme dieser Schaltung ist mit 11 bezeichnet und mit dem den zweiten Verknüpfungspegel führenden Ausgang des vorangehenden Gatters verbunden. Das Verhältnis des Widerstandswertes des Widerstands 8 zu dem Widerstandswert des Widerstandes 9 besitzt einen Wert, der etwa zweimal so groß ist wie das Verhältnis des Widerstandswertes des Widerstandes 8 zu dem Widerstandswert des Widerstandes 9 bei der Grund-Elnheibsschaltung. Die Widerstände 15 und 16 besitzen nahezu denselben Wert. Eine Diode 14- dient dabei dazu, die Ausgangsspannung der Konstantspannungsschaltung bei Änderung des Verknüpfungspegels auf Temperaturänderungen und Spannungsänderungen hin entsprechend zu ändern.

In Abhängigkeit davon, ob das Basispotential des an den Ausgangs-Transistor 12 der vorangehenden Stufe angeschlossenen

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/t

Enitterfoilers gröber oder kleiner ist als aas Basispotential bzw. R ρ des Transistors 6 in der Schaltung ^eaülß Fi;;;. 9, ist bei dieser Schaltung der Transistor 6 jeweils eindeutig im AUS- oder EIL-L'iustand. Dies bedeutet, da- die betreffende Schaltung das Verhalten einer Schaltung mit einer Schwellenspannun- zei_f;;t. ;/ird der Wert der °pannung zwischen den Spannungsklemmen 1 und 2 ereriiitvfügi--· kleiner als (V-n-n^ + (Verknüpfungs-Spitzensignal) j , und sind die Werte der Widerstände 8 und 9 entsprechend den obiren Ausführungen bemessen, so kann die betreffende Schaltun- «:iit

fc einer anderen gatterschaltung verbunden und so betrieben werden, daf;, die noi'inale Verknüpfungsoperation dieser Gatter— üchaltungsgruppe aufrechterhalten wird. Durch Verbinden der •"■usoän^e einer Vielzahl von vorangehenden Stufen mit der Eingangs klemme erfüllt das betreffende Gatter eine ODiSR-i'unktion. Eine modifizierte G-atterschalbun^, die als Einheics-Gauterschaltun^ remäß der Erfindung benutzt werden kann und die eine ausgeprägtere Si^nalzuc.--r.euforaiun^:sfuni-:tion besitzt, ist die in iMg. 10 dargestellte Schmitt-Triggrerschaltun§-. Mit Anlegen der Verknüpfungssignal an die Eingangsklemmen 3 und 4- tritt an der ■■i.us.'iangsklemme 5 ein einer bOR-Funktion entsprechendes Ausgan£ssi-::nal auf. An der Äusg:angsklemme 15 tritt ein einer ODER-IPunktion entsprechendes

" Signal auf. Die Schwellenspannunc. ist durch die V/aiii des Verhältnisses des Widerst andsv/ertes des v/i der stands 9 zu dem V/iaerstandswert des Widerstands 10 bestimmt.

Fi;;. 11 zei£;fc eine weitere Ausführun^sform einer modifizierten Einheits-Gatterschaltung jeaiäß der Erfindung, Diese modifizierte Einheits-Gatterschaltung kann in Verbindung mit den Grund-uatterschaltungen verwendet v/erden. Die betreffende Gatterschaltung enthält eine Vereinigung der Grund-Gatterschaltung gemäß I"ig. 1 und der modifzierten Gatterschaltung gemäß Fig. 7» indem der Widerstand 9 beiden Schaltungen

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en:einsan; ist. Die Gleichspannunirs-Lbertragungseharakteristil: dieser »jchaltuir; ist in Fi;;. 12 veranschaulicht. Die betreffende Charakteristik ist die gleiche v;ie jene der ßchaltun._: gemäß Pi:;. 7> sie zeigt, daß diese Gatterschaltung eine Linearität in der Eingangs- und Aus,i'angs-Spannun.^;:srharaliteristiL: besitzt und keinen Schwellwert aufweist. Bei aer vorlie- enden Schaltung werden die Verknüpf ungs-Ein-,angssi.^.nale den Ein, angsklemmen 3 und ^L\ zugeführt, wodurch ..leichzeitig cn der Aus "an;· ε klemme 5 ein einer liOR-ITunktion entspiOChendes Ausgangssivnal und an der Ausgan₍;:sklemme ΛΌ ein einer ODER-]?unktion entsprechendes Ausf.:an_;::3Giunal aui'tritt.

xi'i. . 15 «ei^:t eii.e v.^reitere Ausführunpsiorm der gleich&imodifizierten Gat^erLichaltung. Dabei sind die Grund-Gatteischaltunj t-iemäi. Fi.;. 1 und aie modifizierte Gatterschaltunr _t:emäß i'i_;;;. ο der a:, t miteinander zusammengefaßt, daß der Widerstand 9 beiden ochaltungen gemeinsam ist. Die Arbeitschar airbed-is tile und Ve rlznünfungs funkt ion der vorliegenden Schaltun_r. entspricbt der Arbeitscharakteristik und cer Verlcnüpfun^sfunktion der in I?ig. 11 dargestellten Schaltung.

Als weitere Einheits-Gatterschaltung gemäß der Erfindung zei^'t Fir;. ΛΜ- eine Stroms ehalt er anordnung. Diese Schaltung besitzt denselben Schwellv/ert wie die Gatterschaltung genvif: l?ig. 9· Außerdem vermag diese Schaltung Signalfol^en von Verknüpfung s signal en neu zu formen und den jeweiligen Vex'-knüpfungspegel zu reganerieren. Die Einheitsgatterschaltung gemäß Fig. 1A- besitzt Ausgänge, an denen Ausgangssignale entsprechend einer NOR-Funktion und entsprechend einer ODER-Funktion auftreten. Wird eine Verknüpfungsschaltung durch Zusammenfassen dieser einen Schwellwert besitzenden Schaltung mit der oben beschriebenen, keinen Schwellwert besitzenden neuen Gatterschaltung gebildet, so ist es möglich, die Verknüpfungsoperation der Anordnung genauer ausführen und eine

ΒΑΘ ORfGiNAU

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größere Verknüpfungsschaltung bilden zu können. Damit wird die erfindungsgemäße Verknüpfungsschaltung, die sich durch geringe Verlustleistung und hohe Geschwindigkeit aus-.zeichnet, in großem Umfang eingesetzt. Um die in Fig. 14-dargestellte Stromsehalteranordnung als Einheitsgatterschaltung gemäß der Erfindung zu betreiben und ferner eine Verknüpfungsschaltung in einem Hauptteils5'stem zu realisieren, d.h. diese Stromschalteranordnung durch Verwendung weiterer Metallisierungs-Zwischenverbindungen mit den Grund-Gatterschaltungselementen zusammenzusetzen, sind bezüglich der

L· Widerstände 8 und 9 genau die gleichen Bedingungen einzuhalten w,ie bed der Grund-Gatt er Schaltung. Dies bedeutet, daß in einer gewöhnlichen Stromsehalter-Schaltung (Widerstand 8) 4L (Widerstand 9) ist, daß hier aber (Widerstand 8)>(Widerstand 9) und (Widerstand 20)> (Widerstand 9) ist. Bei der Stromschalter-Schaltung ist der V/ert der Quellenspannung darüberjhinaus mehr als sechsmal so groit wie V-n-,-, , und das Verknüpfungs-Spitzensignal ist wesentlich kleiner als die Potentialdifferenz zwischen den Enden des Widerstands 9- Demgegenüber ist hier jedoch die Quellenspannung etwa (Verknüpfungs-Spitzensignal) + Vg-g und ferner ist (Verknüpfungs-Spitzensignal) ^> (Potentialdifferenz am Widerstand 9)· Deshalb liegt der Arbeitspunkt des Inverter-Transistors ebenfalls nahe des Punktes,bei dem

W an dem Kollektorübergang eine Durchlaß-Vorspannung liegt.

Bei den Schwellwert-Verknüpfungsgattern gemäß Fig. 9, 10 und 14 kann das Verhältnis des Widerstandswertes des Kollektor-Reihenwiderstands zu dem Widerstandswert des Emitter-Reihenwiderstands kleiner als 1 sein, indem (V^ - V₂) größer als in der Grund-Einheitsgatterschaltung gemacht wird. In diesem Fall besitzen die Gatterschaltungen stark ausgeprägte Schwellwertexgenschaxten.

Vorstehend sind verschiedene Arten von Einheitsgatterschaltungen erläutert worden, die Elemente der erfindungsgemäßen

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Verknüpfungsschaltung sind. Es handelt sich dabei um Schaltungen zur JDurchführung einer NOR-Verknüpfungsfunk-• tion oder einer ODER-Verknüpfungsfunktion.

Ist eine Schaltung zur Durchführung einer UND-Verknüpfungsfunktion gewünscht, so kann eine Verknüpfungsschaltung dadurch gebildet werden, daß eine Schaltung, wie sie in Fig.15 gezeigt ist, unter Verwendung eines pnp-Transistors mit der oben beschriebenen Einheits-Gattersehaltung verbunden wird. Bei der in Pig. 15 dargesteilten Schaltung tritt das UND-Ausgangssignal auf den Eingangsklemmen 23 und 24 zugeführte Eingangssignale hin an der Ausgangsklemme 25 auf; das betreffende Ausgangssignal wird als Eingangssignal der folgenden Stufe zugeführt. Es ist wünschenswert, daß die Werte der Widerstände 28 und 29 geringer sind als der Wert des Widerstands 30.

In Fig. 16 und 17 sind Ausführungsformen von Flip-Flops gezeigt, die aus der erfindungsgemäßen Einheitsschaltung aufgebaut sind. Gemäß Fig. 16 sind zwei Grund-Gatterschaltungen zusammengefaßt, wobei die Klemmen 3 und 4· die Setz- und die Rücksetzklemme des betreffenden Flip-Flops darstellen. Die betreffende Schaltung wird durch den ersten Verknüpfungspegel gesteuert, wobei der Transistor auf derjenigen Schaltungsseite, der der "1"-Pegel zugeführt wird, mit Setzen bzw. Rücksetzen in den EIN-Zustand gelangt. Die Klemmen 5 und 18 sind Ausgangsklemmen. Besitzt die Grund-Gatterschaltung die in Fig. 4- dargestellte Übertragungskennlinie, so wird eine Information an dem Punkt a oder b gespeichert. Sind die Widerstände 9 und 33 zum Teil oder gänzlich auf der der Spannungsklemme 2 zugewandten Seite gemeinsam vorgesehen, so kann die Empfindlichkeit des bistabilen Betriebs des Flip-Flops etwas sinken und demgemäß kann die Stabilität dieser Schaltung zunehmen. In 2¹Ig. 17 sind zwei modifizierte Gatterschaltungen zu einem Flip-Flop zusammengefaßt. Die so gebildete Schaltung

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wird mit dem zweiten Verknüpfungspegel gesteuert. Dabei gelangt der transistor auf der Schaltungsseite, der der "1"-Eingangspegel zugeführt wird, in den AUS-Zustand.

Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt die Grund-Einheitsgatterschaltung, wie oben beschrieben, keine Schwellwerteigenschaft ; durch Verwendung einer Vielzahl derartiger Gatterschaltungen erhält man eine Verknüpfungsschaltung, die ein bistabiles Verhalten besitzt und die so arbeitet, daß sie einen Verknüpfungspegel festhält. In dem Fall, daß die Pegel-Regenerierung der Grund-Gatterschaltung nicht ausreicht, um fc Änderungen der Speisespannung, Unterschiede der Kennlinien der Bauelemente und eingeführte Störungen auszugleichen, ist es notwendig, die betreffenden Schaltungen zusammengefaßt mit Schwellwerteigenschaften zu verwenden, wie sie die Schaltungen gemäß !'ig. 9, 10 und 14- besitzen.

Wird eine Verknüpfungsschaltung z.B. aus einer Heizahl von integrierten Halbleiterschaltungen aufgebaut, die auf den Halbleiterplättchen vorgesehen sind, so sind der Unterschied der Kennlinie der einzelnenen Einheits-Gatterschaltungselemente und die Einführung von Störungen in metallische Leitungen in geeigneter Weise gering. Der Unterschied in der Elementenkennlinie zwischen den Halbleiterplättchen ist groß. Ferner ist P die Gefahr der Einführung von Störungen in die diese Plättchen miteinander verbindenden Leitungen groß. Deshalb wird ein Verfahren in Betracht gezogen, bei dem die Grund-Gatterschaltungen in einem einzelnen Plättchen bzw. Chip enthalten sind. Für die Verbindung der Plättchen bzw. Chips wird eine Schaltung, wie sie in Fig. 9, 10 oder 14- gezeigt ist, auf der- Eingangsseite oder Ausgangsseite vorgesehen.

Die erfindungsgemäße Schaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Quellenspannung bis zu der eigentlichen Grenze einer einen Transistor verwendenden Schaltung verringert wird, z.B. auf etwa ein Volt. Dadurch ist die Verlustleistung nennenswert

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verringert. Ist die Duellenspannung in einer einen hohen Strom führenden Schaltung herabgesetzt, so wird es schwierig sein, die Änderung der Spannung klein zu halten. Eine Methode, die derartige Änderungen ausgleicht, besteht in der Verwendung einer Spannungs-Stabilisierungsschaltung, bei der ein Halbleiterelement mit der oben beschriebenen Verknüpfungsschaltung auf demselben Halbleiter-Chip zusammengefaßt ist.

Fig. 1l, zei_t:t eine Ausführungsform einer Spannungs-Stabilisierunrcs schaltung, bei der derjenige Teil, der durch eine gestrichelte Linie umrahmt ist, die Stabilisierungsschaltung darstellt. Hit 1' und 2' sind externe Spannungsklemmen bezeichnet, und mit 1 und 2 sind die Spamiun_t;,sklemmen der Verknüpfungsschaltung bezeichnet. Schwankt die äußere Quellenspannung, so ändert sich der Kollektorstrom des Transistors 35· Damit ändert sich der Spannungsabfall an den Widerständen 3S und 39 (oder an einem dieser Widerstände) derart, daß die Änderung in der elektrischen Spannung ausgeglichen wird. Damit wird die Quellenspannung der Verknüpfungsschaltung, d.h. die Spannung zwischen den Klemmen 1 und 2, konstant gehalten.

Die Quellenspannung (V^ - V₂) der Verknüpfungsschaltung genügt der Beziehung

Cv μ } - ν ( ^⁶ 37 )

36

Hierin bedeuten R-,^ und R-,,-, die Werte der Widerstände 36

26 t>7

und 37, und V-n-g ist die Spannung zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 35·

Die in Fig. 19 durch gestrichelte Linien umrahmte Schaltung ist eine Spannungsstabilisierungsschaltung mit einem pnp-Transistor in einer Verkriüpfungsschaltung. Die Quellenspannung der Verknüpfungsschaltung ist durch die Summe des Basispotentials des Transistors 40 und der Potentialdifferenz zwischen dem Emitter und der Basis gebildet. Um diesen Wert

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unterhalb des Zweifachen der Spannung zwischen dem Emitter und der Basis zu halten, ist die Basis des Transistors 40 an einen Verbindungspunkt zweier der Diode 43 parallel lie- . gender Widerstände 41 und 42 angeschlossen.

Fig. 20 zeigt eine weitere Spannungsstabilisierungsschaltung. Bei dieser Schaltung ist das Basispotential des Transistors 62 durch die Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors 63 und das Verhältnis des Widerstandswertes des Widerst ands 64 zu dem Widerstandswert des Widerstands 65 befc stimmt. Das Potential an der Spannungsklemme 1 ist das Basispptential des Transistors 62 abzüglich der Potentialdifferenz zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 62. Die Funktionen der Widerstände 39 und 38 bei der Schaltung gemäß Fig.. 18 werden hier von dem Transistor 62 übernommen.

Die durch die Schaltung gemäß Fig. 18, 19 oder 20 gesteuerte Regelung bzw. Stabilisierung der Quellenspannung ist proportional der Temperaturänderung; der durch die Temperaturänderung hervorgerufene iinderungsbetrag der Quellenspannung ist nahezu gleich dem Änderungsbetrag der Spannung V_ßT zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors. Deshalb ändert sich in der angeschlossenen Einheits-Gatterschaltung das Ver-" knüpfungs-Spitzensignal ebenfalls mit der Temperatur, und zwar proportional mit der Temperaturänderung der Spannung

Dies ist im Hinblick auf zufriedenstellende Arbeitsbedingungen der Einheitsschaltung gemäß der Erfindung sehr günstig, so daß die Verknüpfungs-Spitzenamplitude kleiner als (V"_BE^ - ^vcES^ sein sollte. Dies bedeutet, daß der Arbeitspunkt des Inverter-Transistors bei Zuführung des "1"-Pegels zu dem Eingang über einen weiten Temperaturbereich hinweg in einem Bereich unmittelbar vor dem Sättigungsbereich gehalten werden kann.

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Bei der erfindungsgemäßen Verknüpfungsschaltung ist es möglich, eine Vereinigung einer Vielzahl derartiger Einheitss'chaltungen als Grund-Gatterschaltungen und modifizierte Gatterschaltungen zu verwenden. Bei der Herstellung vieler Arten von integrierten Verknüpfungsschaltungen ist zur Senkung der Herstellkosten ein sogenanntes Hauptteilsystem (master slice system) wählbar, bei dem der Verunreinigungs-Diffusionsprozeß mit derselben Maske ausgeführt wird und bei dem die einzelnen Verknüpfungsschaltungen erst in der End-Zwischenverbindung durch Anwendung der Metallisierungsverfahren getrennt werden. Zur Ausbildung der Verknüpfungsschaltung gemäß der Erfindung zu einer integrierten Schaltung kann das sogenannte Hauptteilsystem mit dem in dem nachstehenden Beispiel erläuterten Verfahren benutzt v/erden.

Zunächst werden eine Vielzahl von eine Grund-Gatterschaltung bildenden Inverter-Transistoren und zwei an den Kollektor und an den Emitter angeschlossene Widerstände zu einer Einheitsschaltung zusammengefaßt, dann werden Verunreinigungen derart diffundiert, daß sich bei der betreffenden Schaltung auf ein und demselben Chip bzw. Plättchen Schaltungseinheiten in Reihen ausbilden, und schließlich werden Zwischenverbindungen hergestellt. Eine oder zwei der oben erwähnten Schaltungseinheiten werden dann zur Bildung der oben erwähnten Vielzahl von Einheitsgatterschaltungen ausgewählt. So wird z.B. eine Schaltung, wie sie in Fig. 11 oder 13 gezeigt ist, dadurch gebildet, daß zwei der oben betrachteten Schaltungseinheiten verwendet werden.

Wie oben erläutert,besifczb die erfindungsgemäße Verknüpfungsschaltung gegenüber herkömmlichen Schaltungen wesentlich bessere Eigenschaften, und zwar hinsichtlich der Arbeitsgeschwindigkeit . und der Verlustleistung. Ferner ist die erfindungsgemäße Verknüpfungsschaltung sehr einfach in der Einheitsschaltung aufgebaut. Darüber hinaus ist eine leichte Modifizierung der Einheits-

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schaltung gemäß dem Anwendungszweck möglich. Ferner zeichnet sich die erfindungsgemäße Verknüpfungsschaltung aadurch aus, daß sie die Integrationsdichte zu steigern vermag und sehr wirksam als Schaltun&styρ für große integrierte Schaltungen verwendbar ist.

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Claims

Patentansprüche

Verknüpfungsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von erste Einheitsschaltungen darstellenden Verkiiüpfungsgatter-Schaltungen vorgesehen ist, deren ^ede zumindest einen Transistor (6,7) enthält, dessen Kollektor übex¹ einen Kollektor-Reihenwiderstand (8) an eine erste Spannuivvsquelle (1) und dessen Emitter über einen Emitter-Reihenwiderstand (9) an eine zweite Spannungsöuelle (2) angeschlossen ist, daß das Verhältnis der Widerstandswerte von Kollektor-Reihenwiderstand (δ) zu Emitter-Reihenwiderstand (9) so gewählt ist, daß es bei etwa 1 liegt oder etwas größer ist als 1, daß die Basis des Jeweiligen Transistors (6,7) an eine Eingangsklemme (3,4) und dessen Kollektor an eine Ausgangsklemme (5) ■ angeschlossen ist, an der mit Auftreten eines binären Verknüpfungspegels an der Eingangsklemme ein entsprechendes Verknüpfungs-Ausgangssignal abnehmbar ist, und daß die Spannungsdifferenz zwischen der ersten und zweiten Spannungsquelle (1,2) etwa einen Wert besitzt, der gleich der Summe des Vorwärtssρannungsabfalles an der Basis-Enitter-Strecke des Transistors (6,7) und der Verknüpfungs-Spitzenspannung ist oder der geringfügig unterhalb dieses Summenwertes liegt. (I¹Xg. 1)
2. Verknüpfuiigsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer ersten Einheitsschaltung eine zweite Einheitsschaltung verbunden ist, die zumindest einen Transistor (7;6) enthält, dessen Kollektor über einen Kollektorwiderstand (8) an die erste Spannungsquelle (1) und dessen Emitter über einen Emitterwiderstand (9) an die zweite Spannungsquelle (2) angeschlossen ist, daß das Verhältnis des Wertes des Kollektorwiderstandes (8) zum Wert des Emitterwiderstandes (9) so gewählt ist, daß er bei etwa 1 liegt oder etwas größer ist

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als 1, daß die Basis an eine Eingangs klemme (4·;3) für Signale mit einem ersten Pegel angeschlossen ist, daß eine weitere, Signale des zweiten Pegels aufnehmende Eingangs klemme (11) an einen Abgriff des Emitterwiderstandes (9,''O) angeschlossen ist, daß an den Kollektor eine Signale des zweiten Pegels abgebende Ausgangski emnie (5) angeschlossen ist, an der ein Emitterfolger-Transistor (12) angeschlossen ist, und daß an die den ersten Pegel führende Ausgangsklemme (5) eine für die Aufnahme des ersten Pegels dienende entsprechende Eingangsklemme (3.;4) und an die den zweiten Pegel führende Ausgangsklemme (13) eine für die Aufnahme des zweiten Pegels dienende Eingangsklemme Q1) einer entsprechenden Stufe anschließbar ist. (Fig. 6)
3· Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch .gekennzeichnet, daß durch Zusammenfassen einer ersten und einer zweiten Einheitsschaltung eine dritte Einheitsschaltung gebildet ist, bei der die Eingangsklemme für den ersten Pegel an die erste elektrische Spannungsquelle (1) angeschlossen ist und bei der allein die Eingangsklemme (11) für den zweiten Pegel zur Aufnahme eines Verknüpfungssignals dient. (Fig. 7)
4. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Zusammenfassung einer ersten und einer zweiten Einheitsschaltung eine vierte Einheits- " schaltung gebildet ist, bei der die den ersten Pegel führende Eingangsklemme (3) an einen Abgriff des Kollektorwider Standes (8,14) angeschlossen ist und bei der allein die Eingangsklemme für den zweiten Pegel zur Aufnahme eines Eingangssignales dient. (Fig. 8)

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5. Verknüpfungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,, daß eine fünfte Einheitsschaltung vorgesehen ist, die einen Schwellwert besitzt, und daß diese fünfte Einheitsschaltung mit der jeweiligen Einheitsschaltung derart zusammengefaßt ist, daß diese mit einem Schwellwert behaftet verknüpfungsmäßig betreibbar ist. (Fig. 9)
6. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß eine sechste Einheitsschaltung vorgesehen ist, die der Eingangsklemme (3) für den ersten Pegel eine feste Vorspannung (V ~) zuführt, und daß die Eingangsklemme (11) für den zweiten Pegel als Verknüpfungssignal-Eingangsklemme dient.
7. Verknüpfungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine siebte Einheitsschaltung vorgesehen ist, die verknüpfungsmäßig mit (jeder der übrigen Einheitsschaltungen verbindbar ist und bei der ein Teil des Emitterreihenwiderstandes (9) mit der ersten und dritten Einheitsschaltung (6,7j19) gemeinsam ausgenutzt ist. (Fig. 11)
8. Verknüpfungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß neben wenigstens einer der ersten bis siebten Einheitsschaltung eine achte Einheitsschaltung vorgesehen ist, bei der ein Teil der Emitter- reinenwiderstände (9) der ersten und vierten Einheitsschaltung gemeinsam ausgenutzt ist. (fig. 13)
9. Verknüpfungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine neunte Einheiteschaltung vorgesehen ist, bei der die Kollektoren einer Vielzahl von Transistoren (26,27) mit einer zur Leitfähigkeit

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der Transistoren (6,7»12,19) einer der ersten bis achten Einheitsschaltung entgegengesetzten Leitfähigkeit an die zweite elektrische Spannungsquelle (2) angeschlossen sind, daß die Emitter der Vielzahl von Transistoren (26,27) über einen gemeinsamen Widerstand (30) an die erste Spannungsquelle (1) angeschlossen sind und zu einer Ausgangsklemme (25) hinführen, daß die Basen der Vielzahl von Transistoren (26,27) als Eingangsklemmen (23,24·) dienen und über Widerstände (28,29) an die zweite elektrische Spannungsquelle (2) angeschlossen sind, und daß die neunte Einheitsschaltung mit irgendeiner der ersten bis achten Einheitsschaltung derart verbindbar ist, daß die für den zweiten Pegel dienende Eingangsklemme an eine der genannten Eingangsklemmen (23,24·) anschließbar ist und der erste Ausgangspegel von der genannten Ausgangsklemme (25) abnehmbar ist. (Fig. 15)
10. Verknüpfungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten und zweiten Spannungsquelle (1,2) ein Spannungsregler eingefügt ist, durch den die Spannungsdifferenz zwischen der ersten und zweiten Spannungsquelle (1,2) proportional der Temperaturänderung des Torwärtsspannungsabfalls an einem pn-übergang änderbar ,ist. (Fig. 18, 19,20)

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