DE1943205A1 - Logischer Gatterschaltkreis in ECL-Schaltkreistechnik - Google Patents

Description

logischer Gatterschaltkreis in ECI-Schaltkreisteehnik

Die ständig weitergehende Verkleinerung von einfachen und zusammengesetzten logischen Schaltkreisen in Datenverarbeitungsanlagen und ähnlichen Einrichtungen kommt nicht allein dem Wunsch nach einer Verringerung der äußeren Abmessungen derartiger Anlagen entgegen, sondern sie bildet eine wesentliche Voraussetzung für eine Erhöhung der maximalen Arbeitsgeschwindigkeit« Nach dem derzeitigen Stand der Technik ist es möglich, insbesondere unter Verwendung der sogenannten ECI-Schaltkreistephnik, deren Grundelement ein Differenzverstärker mit emittergekoppelten, nicht in den Sättigungszustand gesteuerten !Transistoren ist, sehr kurze Signallaufzeiten im Nanosekuhdenbereich zu erzielen« Gegebenenfalls erforderliche längere Verbindungsieitungen zwischen den einzelnen Schaltungsteilen liefern schon einen beträchtlichen Anteil zur Gesamtlaufzeit« Es ist daher zweckmäßig, nicht nur einzelne Gatter, sondern größere Komplexe von logischen Schaltkreisen in einem integrierten Aufbau herzustellen« Hierbei ergibt sich aber die Schwierigkeit, die durch die Verlustleistung auf engstem Raum entstehende Wärmemenge durch entsprechende Kühlraaßnahmen abzuführen. Auf jeüen Fall aber ist es vorteilhaft, die Verlustleistung durch eine geeignete Dimensionierung und Auswahl der logischen Struktur der Schaltkreise möglichst zu verringern. Es wurde schon darauf hingewiesen, (vergl» "EEE", Juni 1968, Seiten ?6 bis 78, insbesondere Seite 78, rechte Spalte), daß die Anwendung der Schaltungsprinzipien "Verdrahtetes ODEE" und "Serienkopplung" bei E01»-Schaltkreisen niöht nur in dieser Hinsicht gewisse Erfolge bringt,

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sondern auch eine Erhöhung des logischen Verknüpfungswertes ohne wesentliche Vergrößerung der Signallaufzeit zuläßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gatterschaltkreis in ECL-Schaltkreistechnik zur Durchführung . logischer Verknüpfungen anzugeben, der gegenüber bekannten ECL-Gatterschaltkreisen zur Durchführung vergleichbarer logischer Verknüpfungen eine wesentlich geringere Verlustleistung und Gatterlaufzeit besitzt. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Gatterschaltkreis .als Gegentaktsehaltung zur logischen Verknüpfung der Eingangssignale sowohl in ihrer Formalform als auch in ihrer invertierten Form ausgebildet ist. Dieser Gatterschaltkreis wird im folgenden als Gegentaktgatter bezeichnet₀

Die Verwendung von Differensverstärkern, die durch zwei, hinsichtlich ihrer augenblicklichen Amplituden und/oder Vorzeichen nicht ständig übereinstimmenden Signalen gesteuert werden und deren Ausgangssignale der Differenz der Eingangssignale proportional sind, ist insbesondere in der Analogteehnik allgemein bekannt. Schwankungen,» die sich beiden Eingangs Signalen im gleichen Sinne überlagern;, werden nicht verstärkt. Diese Eigenschaft wird als Gleichtaktunterdrückung bezeichnet. '

Auch· in digitalen Systemen mit sehr hoher Impulsfolge werden Differenzverstärker mit emittergekoppelten Transistoren im Zusammenhang mit der Übertragung von Signalen über. längere Verbindungsleitungen eingesetzt. Die Signale werden über symmetrische leitungen, beispielsweise in Form von verdrillten Drähten oder von Streifenleitungen mit eng: benachbarten Leiterbahnen übertragen und zwar gleichzeitig in ihrer Iformalform und in ihrer invertierten Form, ("BEE",, Juni 1968_r Seite 76, Eigo J und Seite 78, linke Spalte). Dabei ergeben sich folgende Vorteiles

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a) Die in geringem Abstand zueinander parallel geführten Gegentaktleitungen wirken kaum als Störer, da das resultierende magnetische und elektrische PeId des Iieitungspaares vernachlässigbar ist«

b) Die Signale können kaum wirkungsvoll gestört werden, da die Störungen auf beide Leitungen des Paares gleichsinnig einwirken. Gleichtaktstörungen werden aber im Differenzverstärker unterdrückte

c) Störungen des Erdpotentials sind wegen der Gleichtaktunterdrückung ebenfalls unkritisch ■>

Die zuletzt beschriebene bekannte Anordnung ist nicht für die logische Verknüpfung von mehreren EingangsSignalen geeignete Die Erfindung macht sich jedoch ihre Vorteile, insbesondere hinsichtlich der geringen Störempfindlichkeit zunutze« Weitere Vorteile und Besonderheiten, die sich erst aus der Anwendung der erfindungsgemä-ßen Gegentaktgatter ergeben, werden im.folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Augführungsbeispielen erläuterte Es zeigt Figo 1 ein ODER-NOR-Gegentaktgatter mit einem

Signalhub von 400 mV,
Pig. 2 einen logischen Punktionsschaltplan des Gegentakt-

gatters nach Figc 1,
Figo 3 ein UJTD-IfAiJD-Gegentaktgatter mit einem Signalhub von 200 mV.

Der·zentrale Bestandteil des GDER-NOR-Gegentaktgatters nach Pig. 1 ist ein Differenzverstärker mit den Transistoren T1, T2, den Kollektorwiderständen R1, R2 und dem für beide Transistoren gemeinsamen Emitterwiderstand R3. Der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T2 ist die Kollektor-Emitter-Strecke eines weiteren Transistors T3 parallel geschaltet. Am Verbindungspunkt der beiden Kollektoren liegt die Basis eines als Emitterfolger betriebenen Transistors T4, der das invertierte Ausgangssignal des

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Gatters mit einem zur Ansteuerung weiterer, nach den gleichen Gesichtspunkten aufgebauter Schaltkreise geeigneten Signal— pegel-liefert.

Entsprechend ist am Kollektor des Transistors T1 ein Emitterfolger mit dem transistor T5 zur Bildung des nicht invertierten Ausgangssignals angeschlossen,,

Denkt man sich nun die Basis des Transistors T1 - entgegen der wirklichen Schaltungsausführung - an ein festes Hilfspotential gelegt, so entspricht der bisher beschriebene Schaltungsteil einem bekannten Eintaktgatter zur ODER- bzw» UOR-Verknüpfung der an die Klemmen A und B angelegten gleichnamigen Signale <,

Tatsächlich ist jedoch die Basis des zum Differenzverstärker gehörenden Transistors T1 mit der Basis bzw_o dem Kollektor eines Mehremittertransistors T6 sowie über den Widerstand R4 mit dem Bezugspotential.Uo verbunden. Die Emitter dieses Transistors T6, beim Ausführungsbeispiel zwei, werden durch die inversen Eingangssignale A und B jeweils über vorge- ' schaltete Emitterfolger T7, R5 bzw« T8, R6 hinweg angesteuert. Durch diesen zweiten Teil der Gesamtschaltung erfolgt eine UHD-Verknüpfung der inversen Eingangssignale A und B.

Der logische Funktipnsschaltplan für das Gege^ntaktgatter nach 3?ig. 1 ist in Pig. 2 dargestellt. Danach werden die Eingangssignale A und B durch das ODER-Gatter G1 und die inversen Eingangs signale Ä und B durch das UND-Gatter G2 verknüpft. Die Ausgänge der Gatter sind je mit einem der beiden Eingänge des Differenzverstärkers DV verbunden» Die Ausgänge des Differenzverstärkers führen dann die Signale A+B und A+B.

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Es ist aus dem Funktionsschaltplan nach Fig. 2 unter Berücksichtigung der bekannten Hegeln der Schaltalgebra ohne weiteres erkennbar, daß mit dem Gegentaktgatter lediglich durch Vertauschen der Eingänge für die Signale in der Hormalform mit den Eingängen der inversen Signale eine UND-HAND-Verknüpfung realisiert werden kann.

Mit der allgemeinen Übersicht über das logische Verhalten des Gegentaktgatters ist aber die Brauchbarkeit der Darstellung nach Fig» 2 als Ersatzschaltbild für die Schaltungsanordnung nach Fig» 1 erschöpft. Wie die Fig» 1 zeigt., ist hier nämlich keine Trennung zwischen den Verknüpfungsnetzwerken und dem Differenzverstärker vorhanden; vielmehr ist der Differenzverstärker jeweils selbst ein Seil der Verknüpfungsnetzwerke <■

Wegen der Verdoppelung der wirksamen Steuerspannung bei Gegentaktsteuerung eines DifferenzVerstärkers gegenüber der einseitigen Ansteuerung kann das·Gegentaktgatter ohne Einbuße an statischer Störsicherheit mit der Hälfte des bei Sintaktgattern üblichen Signalhubs von etwa 0,8 Volt betrieben werden. Berücksichtigt man noch die geringe Störanfälligkeit der parallel geführten leitungen für die gegenphasigen Signale in Verbindung mit der Gleichtaktunterdrückung der Differenzverstärker, so ergibt sich trotz Halbierung des Signalhubs insgesamt noch eine erhöhte Störsicherheit. ·

Die Halbierung des Signalhubs erlaubt nun aber unter der Voraussetzung gleicher Strombelastung auch eine Herabsetzung der Leitungsaufnähme um den Faktor 2. Ferner ergibt sich eine Verringerung der Gatterlaufzeit, da die vorhandenen Streu- und Grenzschichtkapaaitäten nur noch auf die halbe Spannung aufgeladen werden müssen,. AIa weitere Vorteile sind noch der Wegfall der bei Eintaktgattern erfor-

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derlichen Hilfsspannungen und der teilweise geringere Einfluß von Bauelementetoleranzen auf die Störsicherheit zu nennen.

Wegen der prinzipiell sehr geringen Störempfindlichkeit eines Systems aus Gegentaktgattern ist die weitere Herabsetzung des Signalhubs möglich. Die Mg. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein UND-NAND-Gatter, das für den Betrieb mit einem Signalhub von 200 mV ausgelegt ist» Es ist weitgehend ähnlich dem Gatter nach Fig. 1 aufgebaut; einander entsprechende Transistoren sind daher ubereinstimmend bezeichnet. Wegen des geringen .Signalhubs ist eine Pegelverschiebung der Ausgangssignale nicht mehr erforderlich. Die Transistoren T4 und T5 (Fig. 1) fehlen deshalb beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3«

Für die Dimensionierung des Gegentaktgatters nach Fig. 3 mögen beispielsweise folgende Werte gelten; Widerstände R7, R8 = 50 5d
Widerstand R9 = 100 i."d
Widerstände R10-R12= 200 Si
Betriebsspannung Ub2 = 1,2 ?
Signalpegel für logische "1" OV
Signalpegel für logische ¹¹O" -0,2 V gegen das Bezugspotential Uo. _;

Mit den angegebenen Werten ergab sich eine Leistungsaufnahme von 9,6 mW und eine Signallaufzeit von 0,5 ns bei Verwendung von Transistoren mit einer Grenzfrequenz von 2 GHz.

3 Figuren .

4 Patentansprüche .

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Claims (1)

1. — f/f —

   Patentansprüche

   Logischer Gatterschaltkreis in ECL-Schaltkreistechnik, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Gegentaktschaltung zur logischen Verknüpfung der Eingangssignale sowohl in ihrer Normalform als auch in ihrer invertierten Form c

   ο Gatterschaltkreis nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Dimensionierung, die dem Betrieb mit einem gegenüber Eintaktgattern wesentlich reduziertem Signalhub angemessen ist c

   ο Gatterschaltkreis nach Anspruch 1 oder 2 zur QDER-NOR-Verknüpfung mehrerer Eingangssignale, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzverstärker mit zwei emittergekoppelten Transistoren (T1, T2) vorgesehen ist, daß der Kollektor-Emitter-Strecke des durch eines der Eingangssignale in der Normalform gesteuerten Transistors (T2) die Kollektor-Emitter-Strecken zusätzlicher durch die weiteren Eingangssignale in der Normalform gesteuerter Transistoren parallel geschaltet sind, daß die Basis des anderen zum Differenzverstärker gehörenden Transistors (T1) über einen Widerstand (R4 bzw» RTO) mit dem Bezugspotential (Uo), ferner mit der Basis und dem Kollektor eines Mehremittertransistors (T6) verbunden ist, dessen Emitter über je einen Emitterfolger durch die Eingangssignale in ihrer invertierten Form angesteuert werden»

   4. Gatterschaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, ■ daß den Ausgängen des Differenzverstärkers je ein Emitterfolger nachgeschaltet ist.

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