DE1926057C3 - Verknüpfungsschaltung mit Transistoren - Google Patents

Description

Wird demgegenüber eine emittergekoppelte Logik ECL) angewandt (»Electronics«, März 1967, S. 156, 157; »Electronics« Februar 1966, S. 107, deutsche Auslegeschrift 1196 241; »Elektronik«, 1968, H. 4, S. 123), so arbeitet der jeweilige Gatter-Transistor zwar in einem nicht gesättigten Zustand, ur..i die Arbeitsgeschwindigkeit der Gatterschaltung ist relativ hoch. Es treten jedoch bei dieser bekannten Logik einige Probleme auf.

Die betreffende bekannte emittergekoppelt^ Logik umfaßt eine Vielzahl von Transistoren, deren Emiiter miteinander verbunden sind und deren Basen an einzelne Eingangsklemmen angeschlossen sind. Die Basis des einen Transistors ist dabei an eine Konstantspannungsquelle angeschlossen. Ferner ist eine Konstantstromschaltung vorgesehen, die mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Transistoren verbunden ist. Der gemeinsame Verbindungspunkt der Kollektoren der genannten Vielzahl von Transistoren und der Kollektor des genannten einen Transistors sind jeweils mit einem gesonderten Kollektorlastwiderstand versehen. Der von der Konstantstromschaltung bzw. -quelle gelieferte Strom wird dabei zwischen dem Transistor, der mit der angesteuerten Eingangsklemme verbunden ist, und dem Transistor, der die konstante Bezugsspannung führt, umgeschaltet. Das Ergebnis der Umschaltung ist als Spannungsdifferenz zwischen dem Kollektor des genannten einen Transistors und den Kollektoren der übrigen Transistoren feststellbar. Der Hauptnachteil dieser bekannten emittergekoppelten Logik (ECL) besteht nun darin, daß eine relativ hohe Spannung an die Enden des die eigentliche Konstantstromschaltung bildenden Widerstands angelegt werden muß, wodurch der Leistungsverbrauch relativ groß wird. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Schaltungsart besteht darin, daß eine relative große Zeitspanne erforderlich ist, um den jeweiligen Transistor aus seinem gesperrten Zustand in seinen leitenden Zustand überzuführen.

Es ist ferner bereits eine Schaltung zur Realisierung der Exklusiv-ODER-Funktion vorgeschlagen worden (deutsche Offenlegungsschrift 1 906 757). Bei dieser bekannten Schaltung wird ebenfalls von dem Prinzip der vorstehend betrachteten bekannten ECL-Schaltungen Gebrauch gemacht. Damit haftet auch dieser bekannten Schaltung der Nachteil an, der den oben betrachteten bekannten ECL-Schaltungen anhaftet.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie eine Verknüpfungsschaltung der eingangs genannten Art auszubilden ist, um unter Vermeidung der den vorstehend betrachteten bekannten Verknüpfungsschaltungen anhaftenden Nachteile mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit arbeiten und mit einem sehr kleinen Leistungsverbrauch auskommen zu können, wobei die Möglichkeit der Herstellung schnell arbeitender integrierter Groß-Schaltungen (LSI) gegeben sein soll.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einer Verknüpfungsschaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß der Wert des Kollektorreihenwiderstands größer ist als der des Emitterreihenwiderstands und daß der Wert der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Speisespannungsklemme kleiner gewählt ist als die Summe aus der Basis-Emitter-Durchlaßspannung des Transistors und der Differenz zwischen den beiden Spannungswerten des binärvariablen Eingangssignals.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, d:.3 die jeweils vorgesehenen, als Inverter arbeitenden Transistoren in einem geeignet begrenzten Energiebereich zwischen dem Sättigungsbereich und dem Nicht-Sättigungsbereich arbeiten. Der Arbeitspegel wird dabei durch einen Widerstand festgelegt, der mit den Emittern der jeweiligen Transistoren in Reihe geschaltet ist, so daß nicht mehr als ein pn-Obergang zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der elek> irischen Speisequelle vorgesehen ist. Die Anordnung

ίο ist ferner so getroffen, daß die Spannungsverstärkung in dem linearen Bereich der Übergangs^ bzw. Über" tragungskenniinie der Gleichspannung etwas größer ist als eins.

An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung

nachstehend näher erläutert.

F i g. 1 zeigt in einem Schaltplan Grund-Einheitsgatierschaltungen und eine daraus gebildete Verknüpfungsschaltung ;
F i g. 2, 3 und ·* veranschaulichen an Hand von

se Kennlinien das Fiinktionsprinzip der vorliegenden Erfindung;

F i g. 5 verdeutlicht in einem Diagramm ein Beispiel der Wirkung der Erfindung;

F i g. 6, 7 und 8 zeigen an Hand von Schaltbildern

as Ausführungsbeispiele von Einheitsschaltungen, wie sie durch Modifizierung des Grund-Einheitsgatters gemäß der Erfindung erhalten werden;

F i g. 9 und 10 zeigen in Schaltbildern Ausführungsformen von Gatterschaltungen, die Modifizierungen der erfindungsgemäßen Grund-Einheilsgatterschaltung darstellen und die insbesondere Einheitsschaltungen mit Schwellwerteigenschaften sind und keinen Schwellwert besitzende Einheitsschaltungen umfassen;
Fig. 11, 13 und 14 zeigen Schaltbilder von Ausführungsfornien einer durch Zusammenfassen von zwei der obigen Einheitsgatterschaltungen gebildeten neuen Einheitsschaltung;

F i g. 14 zeigt dabei insbesondere in einem Schaltbild ein Beispiel einer Einheitsschaltung mit einer Schwellwertcharakteristik;

F i g. 12 verdeutlicht in einem Kennliniendiagramm die Funktion der in Fig. 11 dargestellten Schaltung; F i g. 15 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform einer eine UND-Funktion erfüllenden Einheits- schaltung, die mit den obigen Einheitsschaltungen zusammenfaßbar ist;

F i g. 16 und 17 zeigen in Schaltbildern Ausführungsformen von zu einem Fl^;p-Flop zusammengefaßten Einheitsschaltungen gemäß der Erfindung.

Im folgenden sollen an Hand konkreter Ausführungsformen die anordnungsgemäßen und funktionellen 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. F i g. 1 zeigt eine Grundschaltungsausbildung gemäß der Erfindung. In F i g. 1 stellt der durch gestrichelte Linien umrahmte Schaltungsteil eine Einheitsgatterschaltung dar. Mit 1 und 2 sind der positive und der negative Pol der Speisespannungsquelle bezeichnet. Bezüglich der an den Klemmen 1 und 2 liegenden Potentiale wird im folgenden von der zwischen den betreffenden Klemmen vorhandenen Potentialdifferenz gesprochen werden. Mit 3 und 4 sind Eingangsklemmen der Einheitsgatterschaltung bezeichnet. Mit 5 ist eine Ausgangsklemme bezeichnet. Die zu der Einheitsgatterschaltung

5 6

gehörenden Transistoren 6 und 7 sind Inverter- worden ist. Wird eine Verknüpfungsschaltung aus

Transistoren. Durch Verbinden der Emitter und derartigen Gatterschaltungen aufgebaut, so wird das

Kollektoren beider Transistoren 6 und 7 werden die Verknüpfungssignal gedämpft, und die den Binär-

den Eingangsklemmen 3 und 4 zugeführten Eingangs- werten entsprechenden Spannungen können nicht fest-

signale entsprechend einer NOR-Verknüpfungsfunk- 5 gehalten werden.

tion miteinander verknüpft. Mit 8 und 9 sind Wider- Gemäß F i g. 3 laufen die Binärwerte der Ausstände bezeichnet, die den Arbeitspegei der Inverter- gänge der in Reihe geschalteten Gatter bei den EinTransistoren und den Verknüpfungspegel der Ein- gangssignalen Vm und Vil über eine Anzahl von heitsgatterschaltung festlegen. Der Wert dieser Wider- Stufen allmählich zu den Punkten α und b hin. Dies stände 8 und 9 ist so gewählt, daß das Widerstands- io bedeutet, daß in einem solchen Fall eine Vielzahl Verhältnis RJ R_v etwas größer als 1 ist (1 <RJR_S< 3). von Gattern als eine Gruppe einen Binärwert bei-In F i g. 1 ist ferner ein Beispiel dafür gezeigt, wie behält und verknüpfungsmäßig arbeitet. Der Grenz-Einheitsgatterschaltungen miteinander verbunden wer- punkt des Zusammenlaufens der die Binärwerte darden können. stellenden Spannungen in einem derartigen Fall ist

An Hand der F i g. 2, 3 und 4 soll nachstehend 15 durch den Schnittpunkt des linearen Bereiches, bei

die Verknüpfungswirkung der in F i g. 1 dargestell- dem die Spannungsverstärkung größer als 1 ist, und

ten Grundschaltung erläutert werden. Jedes dieser des nicht linearen Bereiches gegeben, bei dem die

Diagramme zeigt eine Eingangs-Ausgangs-Uleich- Verstärkung im Sättigungszustand der Übertragungs-

spannungskennlinie. Für die stark ausgezogene Linie kennlinie verringert ist. Gelangt der Transistor zum

bedeutet die Abszisse die Eingangsspannung, und die ao Zeitpunkt des EIN-Zustandes in die Sättigung, so

Ordinate bedeutet die Ausgangsspannung. Die ge- hat dies den Nachteil, daß die Arbeitsgeschwindigkeit

strichelte Linie zeigt die Beziehung zwischen der Ein- niedrig ist.

gangsspannung und der Ausgangsspannung des fol- F i g. 4 veranschaulicht den Fall, daß die Quellengenden Gatters; die Abszisse stellt dabei die Aus- spannung bei der gemäß Fig. 3 angenommenen gangsspannung und die Ordinate die Eingangsspan- 25 Schaltung niedrig ist. Ferner zeigt F ig. 4 den bei nung dar. Das Potential an der Anschlußklemme 2 der vorliegenden Erfindung beabsichtigten Arbeitsbei der Schaltung gemäß F i g. 1 ist in dem Null- zustand. Der Grenzpunkt des Zusammenlaufens der punkt liegend angenommen. Wird die der Eingangs- die Binärwerte darstellenden Spannungen in einem klemme 3 zugeführte Spannung allmählich von Null solchen Fall ist durch den Schnittpunkt des linearen Volt bis auf einen Wert erhöht, der größer ist als der 30 Bereiches, bei dem die Spannungsverstärkung größer Vorwärts-Spannungsabfall Vbe zwischen der Basis als 1 ist, und des nicht linearen Bereiches gegeben, und dem Emitter des Transistors 6, so wird der Tran- bei dem der Basis-Eingangsstrom verringert ist und sistor 6 wirksam. Wird die Eingangsspannung auf die Spannungsverstärkung beginnt, bei der Übereinen Wert erhöht, der größer ist als diese Spannung, tragungskennlinie kleiner als 1 zu werden. Im AUS-so leitet der Transistor 6 einen elektrischen Strom 35 Zustand liegt der Arbeitsbereich des Transistors unüber den Widerstand 9. Dieser Strom fließt im wesent- mittelbar an der Grenze des aktiven Bereiches und liehen auch durch den Widerstand 8. Mit dem Span- des Abschaltbereiches. Im EIN-Zustand liegt der nungsabfall an dem Widerstand 8 beginnt die Span- Arbeitsbereich des Transistors zur Hälfte im Sättinung an der Ausgangsklemme 5 abzusinken. Unter gungsbereich, in welchem an dem Kollektorübergang Zugrundelegung der Eingangs- und Ausgangs-Kenn- 40 eine Durch' ß-Vorspannung liegt. Der Kollektor linie wird in einem solchen Fall mit steigender Ein- befindet sici, Jabei jedoch noch in einem schwach gangsspannung die Ausgangsspannung nahezu linear gesättigten Zustand, bevor eine Injektion von Minoriabnehmen. Übersteigt die Eingangsspannung den tätsträgern in die Kollektorzone erfolgt. Dies hat zur Wert der Spannung Vm, so gelangt der Inverter- Folge, daß die Grenzfrequenz f_T des Transistors nicht Transistor in die Sättigung. Seine Emitter-Kollektor- 45 so stark absinkt.

Spannung nähert sich dabei Null Volt. Mit steigender Damit eine Einheitsschaltung mit den obenerwähn-

Eingangsspannung nimmt auch die Ausgangsspan- ten Spannungen für die Binärwerte betrieben werden

nung zu. F i g. 2 veranschaulicht dabei den Fall, daß kann, muß das Verknüpfungs-Spitzensignal Vl fol-

RJRt nahezu 1 ist; F i g. 3 veranschaulicht den Fall, gender Bedingung genügen:

daß RJR₉ ein wenig größer als 1 ist. Die Speise- 50 ν <■ y — V

spannung ist dabei ein wenig höher. In jedem Falle ^{L BEl} ~ ^CES

wird der durch die vorliegende Erfindung bezweckte Hierin bedeuten V₃E₁ die Basis-Emitter-Spannung

Schaltungsbetrieb nicht richtig durchgeführt. F i g. 4 des Transistors im EIN-Zustand und Vces die KoUek-

veranschaulicht den Fall, daß RJR_B größer ist als 1. tor-Emitter-Sättigungsspannung (d. h. die Spannung,

Dabei besitzt die Speisespannung einen geeigneten 55 die vorhanden ist, wenn an dem Kollektorübergang

Wert, und der Schaltungsbetrieb wird in geeigneter die Injektion von Minoritätsträgern beginnt). Der

Weise ausgeführt. Wert der Quellenspannung (V₁-V^ muß im wesent-

Wird unter Zugrundelegung der Verhältnisse ge- liehen folgender Bedingung genügen:
maß F i g. 2 die Spannung Viη dem Binärwert »1« _y _
bzw. die Spannung Vil dem Binärwert »0« züge- 60 ¹ ~ ² — ^BBl "·" *^L
ordnet und dem Eingang zugeführt, so tritt am Aus- Hierin bedeutet F₁ das Potential an der Spannungsgang die Spannung V_{0 L} oder F_{0 H} auf. Am Ausgang klemme 1, und F₂ ist das entsprechende Potential der mit der betreffenden Stufe verbundenen folgenden an der Klemme 2. Es ist ferner notwendig daß der Stufe treten somit die Spannungen F_{0 H}' oder V_{0 L}' Wert des Widerstandsverhältnisses RJR₉ 'folgender auf. Dies bedeutet im Hinblick auf die Eingangs- 65 Bedingung genügt:
Spannungen V₀H und V₀L in der ersten Stufe, daß

die Differenz zwischen den Spitzenwerten der die ι <- -^s ^ Vbe-i — Vces

Binärwerte darstellenden Spannungen geringer ge- ^₉ V-V — Vbe '

VIII, in der integrierten Schaltung ist die Kreuzung

jrÄSMTSS =

GaUern ,ic · ~™^ „ _Schallong

^{We 6}K¹¹A d Blemente der Einheit»- ™^£ÄÄ Wird eine Verknüpfung*-

der Bauelemente der Einheit»- ™^£ÄÄ Wird eine Verknüpfung*-

grad der integrierten Schaltung merklich verbessert

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miteinander verbunden. Dies bedeutet, daß die benutzt, wie dies in F ig..6 durch die gestrichelte Kkmme5 mit der Klemme 3 oder 4 der folgenden Linie angedeutet ist, so ist es femer möglich, von ein Stife verbunden ist und daß die Klemme 13 mit der und derselben Gatterschaltung eine Vielzahl von vonein-Klemme 11 verbunden ist. Der erwähnte zweite Binär- ander unabhängigen Ausgangssignalen zu erhalten,
wert ist durch ein Potential gebildet, das niedriger 5 Wird bei der in Fig. 6 dargestellten modifizierten ist als das den ersten Binärwert darstellende Potential, Gatterschaltung lediglich die Klemme 11 als Eingangsund zwar um den Vonvärts-Spannungsabfall an der klemme benutzt, dann ist es bei alleiniger Benutzung Basis-Emitter-Sirecke des Transistors 12. des zweiten Binärwertes als Eingangsgröße erforder-AVerden den Eingangsklemmen 3, 4 und 11 Ein- lieh, der Basis 3 des Inverter-Transistors ein »1«- gangs-Verknüpfungssignale A, B und Γ zugeführt, iu Eingangssignal zuzuführen. In F i g. 7 und 8 sind so werden diese Signale entsprechend der Beziehung Wege gezeigt, wie dies auf einfache Weise vorgenom- (A -t Ii) C X verknüpft, wobei X das Verkr.üp- men werden kann.

fungs-Ausgangssignal an der Ausgangsklemmc 5 oder Bei der Schaltung gemäß F ι g. 7 ist die Basis des 13 ist. Dies bedeutet, daß mit Auftreten eines »1«- Inverter-Transistors 6 der modifizierten Gatterschal-Potentials an der Eingangsklemme 3 oder 4 und an- 15 tung an die Spannungsklemmc 1 angeschlossen. Ist steigender Spannung an der Eingangsklemme 11 die das Verhältnis des Widerstandswertes des Wider-Potentialdifferenz zwischen den Enden des Wider- stands 8 zur Summe der Widerslandswerte der Widerstandes 10 sinkt. Dadurch verringert sich der durch stände 9 und 10 so gewählt, daß es gleich dem Verden Widerstand 10 fließende elektrische Strom. Dies häitnis des Widerstandswertes des Widerstands 8 zu hat zur Folge, daß auch der durch den Widerstand 8 20 dem Widerstandswert des Widerstands 9 bei der fließende Strom kleiner wird, wodurch die Potentiale Grund-Gatterschaltung gemäß F i g. 1 ist, und ist an den Ausgangsklemmen 5 und 13 ansteigen und die Spannung zwischen den Spannungsklemmen 1 das Potential des Binärwertes »1« erreichen. Sinken und 2 so gewählt, daß der Wert etwas unterhalb von im Unterschied zu dem betrachteten Fall die Potentiale { Ki/.;]-(Verknüpfungs-Spitzensignal)} liegt, so kann an den Ausgangsklemmen 5 und 13 der vorangehen- 25 die Gatterschaltung gemäß F i g. 7 ohne weiteres in den Stufe und ebenso das Potential an der Eingangs- Verbindung mit der Gatterschaltung gemäß F i g. 1 klemmeil, so wird der durch den Widerstand 10 oder 6 benutzt werden. Bei der Schaltung gemäß fließende Strom allmählich größer. Wird dieser Strom F i g. 8 ist die Basis des Transistors 6 zwischen den gleich dem durch den Widerstand 9 fließenden Strom, Widerständen 14 und 8 angeschlossen, die zwischen und zwar trotz weiteren Absinkens des Potentials 30 dem Kollektor und der Spannungsklemme 1 geschaltet an der Klemme 5, so wird die Basis-Emitter-Strecke sind. Die Funktion dieser Schaltung stimmt genau des Transistors 12 in der vorangehenden Stufe in mit der Funktion der in F i g. 7 dargestellten Schal-Sperrichtung vorgespannt. Dadurch wird die be- tung überein. Mit der Eingangsklemme 11 ist die treffende vorangehende Stufe unabhängig. Zu diesem Ausgangsklemme des Emitterfolgers verbunden, der Zeitpunkt liegt an der Ausgangsklemme 5 oder 13 35 an den Transistor der vorangehenden Stufe angeein dem Binärwert »0« entsprechendes Potential. Die schlossen ist. Der Eingangsklemme 11 wird dabei das Eingangs- und Ausgangscharakteristiken des ersten Signal, das dem zweiten Binärwert entspricht, zuge-Binärwertes bei dieser Ausführungsform der Erfin- führt. Tritt jedoch das »((«-Eingangssignal auf, so dung sind genau die gleichen wie jene bei der Grund- arbeitet der Transistor 6 mit einem Teil des Stromes, Gatterschaltung. Die Folge der Abgabe des zweiten 40 der durch den Widerstand 14 fließt. Die zu diesem Binärwertes durch den an den Transistor 12 der Zeitpunkt an der Basis und am Emitter des Tran-Grund-Gatterschaltung zusätzlich angeschalteten Emit- sistors6 liegenden Potentiale sind durch das Verterfolger besteht darin, daß die Verknüpfungsfunk- häitnis des Widerstandswertes des Widerstandes 14 tion der Einheitsschaltung erweitert wird. Die Aus- zu dem Widerstandswert des Widerstandes 9 bestimmt, gangsklemme 5 kann gleichzeitig an die Eingangs- 45 Die dem Binärwert »0« entsprechende Ausgangsklemmen einer Vielzahl von in der folgenden Stufe spannung ist ferner durch die Wahl des Verhältnisses enthaltenen Einheitsgattern angeschlossen sein. Dabei des Widerstandswertes des Widerstandes 14 zu dem können jedoch nicht die Ausgangsklemmen 5 einer Widerstandswert des Widerstandes 8 bestimmt. Steigt Vielzahl von Gatterschaltungen gemeinsam an ent- das Eingangspotential auf Grund des von der Einsprechende Schaltungspunkte angeschlossen sein. An- 50 gangsklemme 11 her fließenden Eingangsstromes alldererseits kann die Ausgangsklemme 13 mit der Aus- mählich über das durch das obenerwähnte Widergangskiemme 13 einer anderen Gatterschaltung ge- Standsverhältnis festgelegte Emitterpotential des Tranmeinsam an den Eingang einer folgenden Stufe ange- sistors 6 an, so sinken der Arbeitsstrom des Transchlossen sein. Dies bedeutet, daß durch alleinige sistors 6 und damit die durch die Widerstände 14 Verbindung der Ausgangsklemme 13 einer Gatter- 55 und 8 fließenden Ströme. Dies hat zur Folge, daß schaltung mit der Ausgangsklemme 13 einer anderen sich das Ausgangssignal zu dem dem Binärwert »1« Gatterschaltung eine ODER-Verknüpfungsfunktion entsprechenden Wert hin ändert. In dieser Schaltung realisierbar ist. Wird eine Vielzahl von Emittern des besteht mit Rücksicht auf die Widerstände 8, 9 und an den Transistor 12 angeschlossenen Emitterfolgers 14 folgende Beziehung:

(Verknüpfungs-Spitzensignal) = (K₁ - K₂ - V_BEL)

- 1

Hierin bedeuten V₁ und K₂ die Potentiale, die an 65 den Spannuagswertes der mit dieser Schaltung verden Speisespannungsklemmen 1 und 2 vorhanden bundenen Einheitsschaltung.

sind, und das Verknüpfungs-Spitzensignal ist die Ist (K₁ - VJ < V_BBl + (Verknüpfungs-Spitzen-

Auslenkung des dem ersten Binärzeichen entsprechen- signal), so kann die Gatterschaltun β remäß F i σ 8

ebenfalls mit der anderen, obenerwähnten Gatterschaltung in derselben Weise wie die Gatterschaltung gemäß F i g. 7 verbunden werden, 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 Schwellwertspannung vorhanden ist. Damit vermag jede Gatterschaltung einen Binärwert nur ungenügend zu bestimmen und den Signalzug nur ungenügend neu zu formen. Wird die Verknüpfungsschaltung aus einer großen Anzahl von Einheits-Gatterschaltungen aufgebaut oder treten derart starke Störungen auf, daß die den Binärwert darstellende Spannung gegebenenfalls schwankt, so werden in Verbindung mit den oben erläuterten Gatterschaltungen. die keinen kritischen Schwellwert besitzen, vorzugsweise Schwellwert-Verknüpfungsgatter verwendet, die im Hinblick auf ihre Eingangs-Ausgangs-Kennlinie eine Schwellenspannung besitzen. Gemäß F i g. 9 ist der in F i g. 6 dargestellten modifizierten Gatterschaltung eine Konstantspannungsschaltunghinzugefügt, und zwar derart, daß die Gesamtschaltung eine Schwellwertcharakteristik erhält. Damit besitzt die Schaltung gemäß F i g. 7 die Fähigkeit, derartige Signalspannungen zu regenerieren und die jeweilige Signalfolge neu zu formen. In dem Schaltbild ist ferner dargestellt, daß die Eingangsklemme 3 der modifizierten Gatterschaltung an die Ausgangsklemme 17 der Konstantspannungsschaltung angeschlossen ist, die durch die gestrichelte Linie umrahmt ist. Die Verknüpfungs-Eingangsklemme dieser Schaltung ist mit 11 bezeichnet und mit dem die dem zweiten Binärwert entsprechenden Spannung führenden Ausgang des vorangehenden Gatters verbunden. Das Verhältnis des Widerstandswertes des Widerstandes 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-Einheitsschaltung. Die Widerstände 15 und 16 besitzen nahezu denselben Wert. Eine Diode 14 dient dabei dazu, die Ausgangsspannung der Konstantspannungsschaltung bei Änderung der die Binärwerte darstellenden Signalspannungen auf Temperaturänderungen und Spannungsänderungen hin entsprechend zu ändern.

In Abhängigkeit davon, ob das Basispotential des an den Ausgangs-Transistor 12 der vorangehenden Stufe angeschlossenen Emitterfolgers größer oder kleiner ist als das Basispotential bzw. R_ref des Transistors 6 in der Schaltung gemäß F i g. 9, ist bei dieser Schaltung der Transistor 6 jeweils eindeutig im AUS- oder EIN-Zustand. Dies bedeutet, daß die betreffende Schaltung das Verhalten einer Schaltung mit einer Schwellenspannung zeigt. Wird der Wert der Spannung zwischen den Spannungsklemmen 1 und 2 geringfügig kleiner als [VbE₁ + (Verknüpfungs-Spitzensignal)} und sind die Werte der Widerstände 8 und 9 entsprechend den obigen Ausführungen bemessen, so kann die betreffende Schaltung mit einer anderen Gatterschaltung verbunden und so betrieben werden, daß die normale Verknüpfungsoperation dieser Gatterschaltungsgruppe aufrechterhalten wird. Durch Verbinden der Ausgänge einer Vielzahl von vorangehenden Stufen mit der Eingangskiemme erfüllt das betreffende Gatter eine ODER-Funktion. Eine modifizierte Gatterschaltung, die als Einheits-GattersehaHung gemäß der Erfindung benutzt werden kann und die eine ausgeprägte Signal/ug-Neuformungsfunktion besitzt, ist die in F i g. 10 dargestellte Schmitt-Triggerschaltung. Mit Anlegen der Verknüpfungssignale an die Eingangsklemmen 3 und 4 tritt an der Ausgangsklemme 5 ein einer NOR-Funktion entsprechendes Ausgangssignal auf. An der Ausgangsklemme 15 tritt ein einer ODER-Funktion entsprechendes Signal auf. Die Schwellenspannung ist durch

ίο die Wahl des Verhältnisses des Widerstandswertes des Widerstands 9 zu dem Widerstandswert des Widerstands 10 bestimmt.

Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform einer modifizierten Einhcits-Gaiterschaltung gemäß der Erfindung. Diese modifizierte Einheits-Gatterschaltung kann in Verbindung mit den Grund-Gatterschaltungen verwendet werden. Die betreffende Gatterschaltung enthält eine Vereinigung der Grund-Gatterschaltung gemäß F i g. 1 und der modifizierten Gatterschaltung gemäß F i g. 7, indem der Widerstand 9 beiden Schaltungen gemeinsam ist. Die Gleichspannungs-Cbertragungscharakteristik dieser Schaltung ist in F i g. 12 veranschaulicht. Die betreffende Charakteristik ist die gleiche wie jene der Schaltung gemäß Fig. 7: sie zeigt, daß diese Gatterschaltung eine Linearität in der Eingangs- und Ausgangs-Spannungscharaklerisiik besitzt und keinen Schwellwert aufweist. Bei der vorliegenden Schaltung werden die Verknüpiungs-Eingangssignale den Eingangsklemmen 3 und 4 zugeführt, wodurch gleichzeitig an der Ausgangsklemme 5 ein einer NOR-Funktion entsprechendes Ausgangssignal und an der Ausgangsklemme 18 ein einer ODER-Funktion entsprechendes Ausgangssignal auftritt.

Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform der gleichen modifizierten Gatterschaltung. Dabei sind die Grund-Gatterschaltung gemäß F i g. 1 und die modifizierte Gatterschaltung gemäß F i g. 8 derart miteinander zusammengefaßt, daß der Widerstand 9 beiden Schaltungen gemeinsam ist. Die Arbeitscharakteristik und Verknüpfungsfunktion der vorliegenden Schaltung entspricht der Arbeitscharakteristik und der Verknüpfungsfunktion der in Fi g. 11 dargestellten Schaltung.

Als weitere Einheits-Gatterschaltung gemäß der Erfindung zeigt Fig. 14 eine Stromübernahmeschaltung. Diese Schaltung besitzt denselben Schwellwert wie die Gatterschaltung gemäß F i g. 9. Außerdem vermag diese Schaltung Signalfolgen von Verknüpfungssignalen neu zu formen und die jeweiligen Signalspannungen zu regenerieren. Die Einheitsgatterschaltung gemäß F i g. 14 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 An-Ordnung genauer ausführen und eine größere Verknüpfungsschaltung bilden zu können. Damit wird die erfindungsgemäße Verknüpfungsschaltung, die sich durch geringe Verlustleistung und hohe Geschwindigkeit auszeichnet, in großem Umfang eingesetzt. Um die in F i g. 14 dargestellte Stromübernahmeschaltung als Einheitsgatterschaltung gemäß der Erfindung zu betreiben und ferner eine Verknüpfungsschaltung in einem Hauptteilsystem zu realisieren, d. h. diese

13 14

Stromübemahmesciialtung durch Verwendung weiterer Stabilität dieser Schaltung zunehmen. In Fig. 17 Metallisierungs-Zwischenverbindungen mit den Grund- sind zwei modifizierte Gatterschaitungen zu einem Gatterschaltungselementen zusammenzusetzen, sind Flip-Flop zusammengefaßt. Die so gebildete Schalbezüglich der Widerstände 8 und 9 genau die gleichen tung wird mit dem zweiten Binärwert gesteuert. Da-Bedingungen einzuhalten wie bei der Grundsteuer- 5 bei gelangt der Transistor auf der Schaltungsseite, schaltung. Dies bedeutet, daß in einer gewöhnlichen welcher der Binärwert »1« zugeführt wird, in den Stromübernahmeschaltung (Widerstand 8)<| (Wider- AUS-Zustand.

stand 9) ist, daß hier aber (Widerstände) >( Wider- Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt die stand 9) und (Widerstand 20) > (Widerstand 9) ist. Grund-Einheitsgatterschaltung, wie oben beschrieben, Bei der Stromübernahmeschaltung ist der Wert der io keine Schwellwerteigenschaft; durch Verwendung Quellenspannung darüber hinaus "mehr als sechsmal einer Vielzahl derartiger Gatterschaitungen erhält so groß wie Vbe, und das Verknüpfungs-Spitzen- man eine Verknüpfungsschaltung, die ein bistabiles signal ist wesentlich kleiner als die Potentialdifferenz Verhalten besitzt und die so arbeitet, daß sie einen zwischen den Endendes Widerstands 9. Demgegenüber vorgegebenen Binärwert festhält. In dem Fail, daß ist hier jedoch die Quellenspannung etwa (Verknüp- 15 die Regenerierung der einen Binärwert repräsentierenfungs-Spitzensigna!) -f V_BB und ferner ist (Verknüp- den Spannung der Grund-Gatterschaltung nicht ausfungs-Spitzensignal) > (Potentialdifferenz am Wider- reicht, um Änderungen der Speisespannung, Unterstand 9). Deshalb liegt der Arbeitspunkt des Inverter- schiede der Kennlinien der Bauelemente und einge-Transistors ebenfalls nahe des Punktes, bei dem an führte Störungen auszugleichen, ist es notwendig, die dem Kollektorübergang eine Durchlaß-Vorspannung 20 betreffenden Schaltungen zusammengefaßt mit Schwellliegt. Werteigenschaften zu verwenden, wie sie die Schaltun-

Bei den Schwellwert-Verknüpfungsgattern gemäß gen gemäß F i g. 9, 10 und 14 besitzen. F i g. 9, 10 und 14 kann das Verhältnis des Wider- Wird eine Verknüpfungsschaltung z. B. aus einer standswertes des Kollektor-Reihenwiderstands zu dem Vielzahl von integrierten Halbleiterschaltungen auf-Widerstandswert des Emitter-Reihenwiderstands klei- 25 gebaut, die auf den Halbleiterplättchen vorgesehen ner als 1 sein, indem (K₁ — K₂) größer als in der sind, so sind der Unterschied der Kennlinie der einGrund-Einheitsgatterschaltung gemacht wird. In zelnen Einheits-Gatterschaltungselemente und die Eindiesem Fall besitzen die Gatterschaitungen stark führung von Störungen in metallische Leitungen in ausgeprägte Schwellwerteigenschaften. geeigneter Weise gering. Der Unterschied in der EIe-Vorstehend sind verschiedene Arten von Cinheits- 30 mentenkennlinie zwischen den Halbleiterplättchen ist gatterschaitungen erläutert worden, die Elemente der groß. Ferner ist die Gefahr der Einführung von Störunerfindungsgemäßen Verknüpfungsschaltung sind. Es gen in die diese Plättchen miteinander verbindenden handelt sich dabei um Schaltungen zur Durchführung Leitungen groß. Deshalb wird ein Verfahren in Beeiner NOR-Verknüpfungsfunktion oder einer ODER- tracht gezogen, bei dem die Grund-Gatterschaltungen Verknüpfungsfunktion. 35 in einem einzelnen Plättchen bzw. Chip enthalten Wird eine Schaltung zur Durchführung einer UND- sind. Für die Verbindung der Plättchen bzw. Chips Verknüpfungsfunktion angestrebt, so kann eine Ver- wird eine Schaltung, wie sie in Fig. 9, 10 oder 14 knüpfungsschaltung dadurch gebildet werden, daß gezeigt ist, auf der Eingangsseite oder Ausgangsseite eine Schaltung, wie sie in Fig. 15 gezeigt ist. unter vorgesehen.

Verwendung eines pnp-Transistors mit der oben be- 40 Die erfindungsgemäße Schaltung zeichnet sich schriebenen Einheits-Gatterschaltung verbunden wird. dadurch aus, daß die Quellenspannung bis zu der Bei der in F i g. 15 dargestellten Schaltung tritt das eigentlichen Grenze einer einen Transistor verwenden-UND-Ausgangssignal auf den Eingangsklemmen 23 den Schaltung verringert wird, z. B. auf etwa 1 Volt, und 24 zugeführte Eingangssignale hin an der Aus- Dadurch ist die Verlustleistung nennenswert verringangsklemme 25 auf; das betreffende Ausgaiigssignal 45 gert. Ist die Quellenspannung in einer einen hohen wird als Eingangssignal der folgenden Stufe zugeführt. Strom führenden Schaltung herabgesetzt, so wird es Es ist wünschenswert, daß die Werte der Widerstände schwierig sein, die Änderung der Spannung klein 28 und 29 geringer sind als der Wert des Wider- zu halten. Eine Methode, die derartige Änderungen stands 30. ausgleicht, besteht in der Verwendung einer Spanin Fig. 16 und 17 sind Ausführungsformen von 50 nungs-Stabilisierungsschaltung, bei der ein Halbleiter-Flip-Flops gezeigt, die aus der erfindungsgemäßen element mit der oben beschriebenen Verknüpfungs-Einheitsschaltung aufgebaut sind. Gemäß F i g. 16 schaltung auf demselben Halbleiter-Chip zusammensind zwei Grund-Gatterschaltungen zusammengefaßt, gefaßt ist.

wobei die Klemmen 3 und 4 die Setz- und die Rück- Bei der erfindungsgemäßen Verknüpfungsschaltum

setzklemme des betreffenden Flip-Flops darstellen. 55 ist es möglich, eine Vereinigung einer Vielzahl der-

Die betreffende Schaltung wird durch den ersten artiger Einheitsschaltungen als Grund-Gitterschal·

Binärwert gesteuert, wobei der Transistor auf der- tungen und modifizierte Gatterschaitungen zu ver

jenigen Schaltungsrcite, welcher der Binärwert »1« wenden. Bei der Herstellung vieler Arten von inte

zugeführt wird, mit Setzen bzw. Rücksetzen in den grierten Verknüpfungsschaltungen ist zur Senkunt

EIN-Zustand gelangt. Die Klemmen 5 und 18 sind 60 der Herstellkosten ein sogenanntes Hauptteihysterr

Ausgangsklemmen. Besitzt die Grund-Gitterschaltung (master slice system) wählbar, bei dem der Verunreini

die in F i g. 4 dargestellte Übertragungskennlinie, so gungs-Diffusionsprozeß mit derselben Maske ausg;

wird eine Information an dem Punkt α oder b ge- führt wird und bei dem die einzelnen Verknüpf jngs

speichert. Sind die Widerstände 9 und 33 zum Teil schaltungen erst in der End-Zwischenverbindungdurcl

oder gänzlich auf der der Spannungsklemme 2 zu- 65 Anwendung der Metallisierungsverfahren getrenn

gewandten Seite gemeinsam vorgesehen, so kann die werden. Zur Ausbildung der Verknüpfungsschaltunj

Empfindlichkeit des bistabilen Betriebs des Flip- gemäß der Erfindung zu einer integrierten Schaltuni

Flops etwas sinken, und demgemäß kann die kann das sogenannte Hauptteilsystem mit dem in den

nachstehenden Beispiel erläuterten Verfahren benutzt werden.

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 obenerwähnten Schaltungseinheiten werden dann zur Bildung der obenerwähnten Vielzahl von Einheitsgatterschakungen ausgewählt. So wird z. B. eine Schaltung, wie sie in Fig. Π oder 13 gezeigt ist, dadurch gebildet, daß zwei der oben betrachteten Schaltungseinheiten verwendet werden.

Wie oben erläutert, besitzt die erfindungsgemäßc 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 Einheitsschaltung gemäß de τι Anwendungszweck möglich. Ferner zeichnet sich die erfindungsgemäße Verknüpfungsschaltung dadurch aus, daß sie die Integrationsdichte zu steigern vermag und sehr wirksam als Schaltungstyp für große integrierte Schaltungen verwendbar ist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1 2 Paientansnrfichp- gleichartig geschalteter Transistoren in der Einheits- raiemansprucne. gatterschaltung diesen Transistoren gemeinsamen —

1. Verknüpfungsschaltung mit wenigstens einer Emitterreihenwiderstand an eine zweite Speisespanersten Einheitsgatterschaltung, die zumindest einen nungsklemme angeschlossen ist, wobei die Steuer-Transistor enthält, der mit seinem Kollektor über S elektrode des Transistors als Eingangsklemme für einen — bei Vorhandensein mehrerer gleichwertig ein erstes binärvariables Eingangssignal und die Ausgeschalteter Transistoren in der Einheitsgatter- gangselektrode des Transistors als Ausgangsklemme schaltung diesen Transistoren gemeinsamen — für das Verknüpfungsergebnis ausgenutzt ist.
Kollektorreihenwiderstand mit einer ersten Speise- Im Zuge der Entwicklung elektronischer Einrichspannungsklemme und der mit seinem Emitter io tungen geht man seit einiger Zeit dazu über, inteüber einen — bei Vorhandensein mehrerer gleich- grierte Schaltungen mit kleineren Abmaßen zu verartig geschalteter Transistoren in der Einheits- wenden. Derartige Schaltungen bringen in bedeutengatterschaltung diesen Transistoren gemeinsa- dem Umfang eine Kostensenkung und eine Steigerung men — Emitterreihenwiderstand an eine zweite der Arbeitsgeschwindigkeit von mit derartigen Schal-Speisespannungsklemme angeschlossen ist, wobei 15 tungen ausgerüsteten Vorrichtungen mit sich, da die Steuerelektrode des Transistors als Eingangs- nämlich die Verteilungsverzögerungszeit eines Signals klemme für ein erstes binärvariables Eingangs- in derartigen Einrichtungen herabgesetzt ist.

signal und die Ausgangselektrode des Transistors Mit dem Kleinerwerden von Einrichtungen steigt

als Ausgangsklemme für das Verknüpfungsergeb- die Packungsdichte der dabei verwendeten Schaltunnis ausgenutzt ist, dadurchgekennzeich- so gen. Die Ableitung der in den betreffenden Schaltunnet, daß der Wert des Kollektorreihenwider- gen sich entwickelnden Wärme bringt jedoch Probleme Standes (8) größer ist als der des Emitterreihen- mit sich. Normalerweise ist die Verlustleistung pro Widerstandes (9) und daß der Wert der Spannung Einheitsschaltung in mit hoher Geschwindigkeit zwischen der ersten und der zweiten Speisespan- arbeitenden Verknüpfungsschaltungen höher als in nungsklemme (1, 2) kleiner gewählt ist als die 35 mit niedriger Geschwindigkeit arbeitenden VerSumme aus der Basis-Emitter-Durchlaßspannung knüpfungsschaltungen. Demgemäß besteht in mit (Vbe) des Transistors (6, 7, 19, 21) und der Diffe- hoher Geschwindigkeit arbeitenden Verknüpfungsrenz (Vi) zwischen den beiden Spannungswerten schaltungen die Hauptschwierigkeit darin, die mit des binärvariablen Eingangssignals. derartigen Verknüpfungsschaltungen arbeitenden Ein-

2. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 1, 30 richtungen klein auszubilden. Dabei ist es insbesondadurch gekennzeichnet, daß eine Eingangsklemme dere sehr schwierig, aus den herkömmlichen, mit hoher (3, 4) mit der Basis des Transistors (6, 7, 19, 31) Geschwindigkeit arbeitenden Verknüpfungsschaltunverbunden ist (F i g. 1, 6, 9, 10, 11, 13, 14, 16, gen integrierte Schaltungen großen Ausmaßes, im 17). folgenden kurz als integrierte Großschaltungen be-

3. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 1 35 zeichnet, herzustellen, bei denen mehrere hundert Ver- oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eingangs- knüpfungsgatter auf einem Halbleiterplättchen mit klemme (11) mi^ dem Emitter des Transistors einer Größe von einigen Quadratmillimetern integriert (6, 7, 19, 31) verbunden ist (Fig. 6, 7, 8, 9, 11, sind. Es sei hier bemerkt, daß derartige integrierte 13, 14). Schaltungen auch als LSI-Schaltungen bezeichnet

4. Verknüpfungsschaltung nach einem der An- 40 werden.

Sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eine Möglichkeit der Herabsetzung der Verlust-Ausgangsklemme (S, 18) mit dem Kollektor des leistung in einer Verknüpfungsschaltung ohne BeTransistors (6, 7, 19, 31) verbunden ist (F i g. 1, einflussung der Arbeitsgeschwindigkeit dieser Ver-6, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20). knüpfungsschaltung wird darin gesehen, die Änderung

5. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 3, 45 der für einen Verknüpfungsbetrieb erforderlichen gedadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsklemme speicherten Energie herabzusetzen, und zwar derart, (11) mit einem Abgriff des Emitterwiderstandes daß die gespeicherte Energie in der Schaltung ver-(9, 10) verbunden ist (F i g. 6, 7, 11, 13, 14). ringert und die Quellenspannung so niedrig wie möglich

6. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 3, gemacht wird.

dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Tran- 50 Zu den in großem Umfange benutzten Verknüp-

sistors (6) mit der Speisespannungsklemme (1) fungsschaltungen gehören in der Sättigung arbeitende

des Kollektors des Transistors (6) verbunden ist Verknüpfungsschaltungen. Bei diesen Schaltungen

(F i g. 7, 8). wird ein in Emittergrundschaltung betriebener Tran-

7. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 6, sistor als Inverter benutzt, und ferner werden eine dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Tran- 55 direkt gekoppelte Transistor-Logikschaltung (DCTL), sistors (6) mit einem Abgriff des Koliektonvider- eine Widerstands-Transistor-Logik (RTL), eine Diostandes (8, 14) verbunden ist (F i g. 8). den-Transistor-Logik (DTL) oder eine Transistor-

Transistor-Logik (TTL) benutzt. Es wird aber auch

eine ohne Sättigung arbeitende emittergekoppelte

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verknüpfungs- 60 Logik (ECL) oder eine komplementäre Transistorialtung mit wenigstens einer ersten Einheitsgatter- logik (CTL) benutzt. Bei im Sättigungsgebiet arbeitenialtung, die zumindest einen Transistor enthält, der Verknüpfungsschaltung (Logik), bei der der r mit seinem Kollektor über einen —,bei Vorhan- Inverter-Transistor im eingeschalteten Zustand im nsein mehrerer gleichwertig geschalteter Transisto- Sättigungsgebiet betrieben wird, entsprechen dem in der Einheitsgatterschaltung diesen Transistoren 65 Maximal-Zustand und dem Minimal-Zustand an gemeinsamen — Kollektorreihenwiderstand mit einer speicherter Energie der EIN- und AUS-Zustand des Ucn Speisespannungsklemme und der mit seinem Gatters. Damit ist die Arbeitsgeschwindigkeit des nittcr über einen — bei Vorhandensein mehrerer Gatters niedrig.