DE1951570C - Verknüpfungsglied mit einem Transistor - Google Patents

Description

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)ie Erfindung bezieht sich auf ein Verkniipfungsü mit einem Transistor, dessen Basis mit einer irzahl von Eingangsklcmmen verbunden ist und an eine Ausgangsklemme angeschlossen ist.
'erkniipfungsglieder und Schaltglieder sind geinlich aus aktiven Elementen, z. B. Transistoren, aus passiven Elementen, z. B. Widerständen und ulcnsatoren, zusammengesetzt. Die Kombination

Schaltgliedern ergibt Schaltungen der verschiestcn logischen Funktionen.

Es sind Verknüpfungsglieder der eingangs genannten Art bekannt (deutsche Auslegeschriften 1 150 1Π, 1 265 786), bei denen beispielsweise zur Erzeugung einer UND-Verknüpfung eine Mehrzahl von Eingangsklemmen vorgesehen ist.

Bei der Verwendung eines aktiven Elementes rur Durchführung des Schaltvorgangs verschlechtert sich, wenn ein passives Element hinzugefügt ist, die Wirkung des aktiven Elements, das dann mit einer wesentlich niedrigeren Geschwindigkeit arbeitet als seiner höchsten betätigbaren Geschwindigkeit entspricii'

Zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit beispielsweise bei einem Impulsverstärker oder bei Kippschaltungen ist es bekannt (deutsche Auslegeschril! 1 275 5⁽H. Patentschrift Nr. 55 353 des Amtes tin Eründungs- und Patentwesen in Ost-Berlin), /wischen der Au'-gangsklemme des schaltenden Γηιπ sisiois und seiner Steuerklemme, die unmittelbai oder über p:".sive Elemente mit der Transistorb <si> verbunden is_u eine Diode einzuschalten. Eine solch«. Diode kam, bei Erreichen eines bestimmten Steuerpegels plötzlich sperren und damit das Umschalter des Transistors bewirken. Allein durch eine solche Maßnahme können jedoch logische Schaltungen dei eingangs genannten Art noch nicht auf eine Schalt geschwindigkeit gebracht werden, die erhöhten An Sprüchen gerecht wird. Gerade beim Zusammenbai einer Vielzahl logischer Schaltglieder zu einer Ge samtschaltung hängt jedoch die Arbeitsgeschwindig licit erheblich von der Schaltgeschwindigkeit der ein zelnen Stufen bzw. von der Flankensteilheit der in ternen Signale ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaltgeschwindigkeit eines Verknüpfungsgliedes 71 erhöhen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß über dit Sperrschicht zwischen der Basis und der Ausgangsklemme des Transistors in Parallelschaltung eine Tunneldiode und eine gutleitende Diode geschalte! sind, deren Polarität untereinander und mit derjeni gen der von ihnen überbrückten Sperrschicht in dei Richtung übereinstimmt.

Der durch die Erfindung erzielte EfTekt beruht aiii der Tatsache, daß durch die Parallelschaltung dei Tunneldiode zur Basis-Kollektor-Streckc des Schalt transistors der Schaltvorgang durch die sehr kurzi Anstiegszeit der Tunneldiode und durch die mil Hilfe der gut leitenden Diode verkürzte Abfallzei der Tunneldiode bestimmt wird. Auf Grund der Erfindung können ohne weiteres Schaltfrequenzen ir der Größenordnung von 1 GHz erzielt werden, wa; Schaltgeschwindigkeiten in der Größenordnung vor 1 Nanosekunde entspricht. Solche Schaltgeschwindig kciten sind besonders wichtig bei der Verwendung der erfindunesgemäßen Schaltung in Frequenzteilerschaltung sowie auch, in Verbindung mit Verzögerungvelementen, in astabilen, monostabilen oder bistabilen Multivibratoren, die mit hervorragende! Arbeitspräzision auf Grund der Erfindung aus der eingangs erwähnten einfachen Schaltungselemente)· dargestellt werden können.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale dei Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispiels weise veranschaulicht, und zwar zeigt

Fig. I ein Blockschaltbild eines Verknüpfungsgliedes gemäß der Erfindung,

Fig. 2 die Eingangs-Ausgangs-Charakteristik des Verkniipfungsgliedes gemäß Fig. 1,

F i g. 3 das Schaltbild einer Ausführungsform eines erimdungsgemüßen Verknüpfungsgliedes,

Fig. 4 eine Strom-Spannungs-Kurve des Verknüpfungsgliedes ^mäß Fig. 3,

F i g. 5 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines aus einer Kaskadenverbindung von Verknüpfungsgliedern gemäß Fig. 3 gebildeten Frequenzteilers.

F i g. (S Diagramme zur Veraiischaulichung der Arbeitsweise der Schaltung gemäß Fig. 5 und

F i g. 7 bis 9 weitere Ausgestaltungsformen der Erlindung.

Vor der Beschreibung der Ausführungsformen der i-.itindung sei zuerst deren Prinzip erläutert. F.s wird .Liiniert. daß ein F.lement. das auf Grund seiner ■.■■■mischen Funktion ein Binär/eichen»!« hat. wenn üi v,eiliger als einem Hingang von insgesamt m Finninnen das Binärzeichen »l« anliegt und das den ·■ orheriger. vor dem Hingang von Eingangssignaleu herrschenden Ausgangs/ustand beibehält, wenn ein i ingang das Binärzeichen»!« führt, und das Aus- _angsignal »()·< ist. wenn mehr als ein Eingang das Uinärzeichen -■> I «■ führt, als »/Ji-Eingangs-Cj-Hlementi bezeichnet wird. Das einfachste dieser /?i-Hingangs-C',-Elemente ist ein »2-F.ingangs-C,-Element«. das im folgenden an Hand von Fig. 1 beschrieben wird.

Werden an Eingangsklemmen 1 und 2 eines 2-E'mgangs-C^-Elementcs drei Eingangssignalc λ' und Y angelegt, so tritt an einer Ausgangsklemmc 4 entsprechend den Eingangssignal X und Y ein Ausgangssignal Z auf. Sind beide Eingangssignale X und Y »(!<', so ist das Ausgangssignal Z »1«. Ist das ••ine Hingangssignal »0« und das andere »1«, so behält das Ausg^ngssignal Z seinen Wert Zo von vor Jem Einlauf dieser Eingangssignale bei. Sind beide Hingangssignale X und Y »l«,so wird das Ausgangs-.-.ignal / »0«. Diese logischen Schaltvorgänge sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.

Hingnngssignal .V

Hingangssignal V

I
0

Zo Zo

Eine solche Beziehung ist in Fig. 2 dargestellt. Der Punkt A stellt den Zustand dar, bei dem die Eingangssignale (Λ\ Y) die Werte (0, 0) haben, so daß also die Anzahl der Eingangssignale »1« Null ist. Die Punkte B und C stellen Zustände dar, bei denen die Eingangssignale (X, Y) die Werte (1,0) bzw. (0, I) haben. Der Punkt D schließlich stellt den Zustand dar, bei dem die Eingangssignale (A¹, Y) die Werte (I. 1) haben. Die Kurve ARDCA zeigt also eine Hysteresiseigenschaft. .

Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäß ausgeführtes 2-Hinganus-C₁-Elenient. Ein npn-Transislor 11 ist mit seinem Kollektor üb;./ einen Kollcktorwiderstand 12 mit einer Spannungs-Speiseklemmc 13 und außerdem direkt mit einer Ausgangsklemme 14 verbunden. Seine Basis ist über Widerstände 15 und 16 mit Eingangsklcmincn 17 bzw. 18 verbunden. Außerdem ist die Basis über einen Basiswidersland 19 an eine Klemme 20 »e-schlossen. um mit einer Vorspannung versorgt zu werden. Mit dem Kollektor des Transistors 11 sind die Anoden einer Tunneldiode 21 und einer gut leitenden Diode 22, die in übereinstimmender Richtung geschaltet sind, verbunden, deren Kathoden an die Basis des Transistors 11 angeschlossen sind. In der beschriebenen Schaltung ist der Transistor 11 immer auf Slromdurchlaß vorgespannt.

Wird der vorwärts gerichtete Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors U als V_l:n und die vorwärts gerichtete hohe Spannung der Tunneldiode 21 al*⁵ Vitw bezeichnet, so kann die immer an der Ausgangskjemme 14 auftretende Spannung Vo angegeben werden als

Va=V_m + V_m.

Die von der Basis des Transistor¹ ; 1 aus gesehene Fungangsimpedanz wird durch die huh·· Rückkopplungsspannung durch die Tunneldiode 21 erheblich vermindert und wird angenähert gleich dem Hmiiierwiderstand r, des Transistors 11. Entsprechend ist die Ausi.-ingsimpedanz durch die Spannungsrückkopplung angenähert gleich dem Fimittei widerstand t\. Werden also solche Sehaltglieder in Kaskade geschaltet, so wird der Transistor der folgenden Stufe bei einem Potential betrieben, das der anfänglichen Eingangsspannung angenähert gleich ist, so daß er so schnell arbeitet, wie der Grenze seiner Gütezitier entspricht. Sind die koppelnden Widerstände 15 und 16 und der Basiswiderstand 19 im Vergleich zum Emitterwiderstand r_t hoch gewählt, so ergibt sich ein sehr schnelles logisches Schwellen-Schaltglied, bei dem die Eingangsscite und die Ausgangsseite leidlich getrennt werden können.

Es sei zuerst an Hand von Fig. 4 der Fall beschrieben, daß die Diode 22 in der Schaltung gemäß Fig. 3 weggelassen ist.

In F i g. 4 zeigen die Kurven F und G die Kennlinien der Tunneldiode bzw. der Diode. Ist das an die Eingangiklemmen 17 und 18 angelegte Eingangssignal (X, Y) gleich (O, 0). so ist die Tunneldiode 21 im Schaltzustand der hohen Spannung und arbeitel an einem Arbeitspunkt («), dem Schnittpunkt ihrer Kennlinie mit der Belastungslinie H. In diesem Zustand ist das Ausgangssignal »1«.

Wird das Eingangssignal (X, Y) zu (1, 0) oder (0, 1) geändert, so zeigt der Arbeitspunkl die Tendenz, vom Punkt (a) zu einem Punkt (b) zu wandern, an dc.i die Kurve F eine Bclastungslinic K berührt.

Der Arbeitspunkt überschreitet jedoch nie den Punkt (/') in Richtung auf den negativn Widerstandsbercich, sondern bleibt zwischen den Punkten (a) und (/)). Wird das Eingangssignal »1« wieder weggenommen, so kehrt der Arbeitspunkt zum Punkt (a) zurück.

Werden jedoch die Fingangssignnlc (A', Y) zu (1, 1), so wandert der Arbeitspunkt über dc.i Punkt (/;) hinweg in den negativen Widerslandsbereich und verläuft sehr schnell zum Schnittpunkt (<) der Kennlinie F mit der Bei; slungslinie K. In diesem Zustand ist das Ausgangssiunal »0«. Ändert sich nun das Eingangssignaf(A\ Y) von (1, I) zu (1, 0) oder (0, 1), so tendiert der Arbeitspunkt dazu, zum Punkt (ti) zu wandern, an dem die Kennlinie F die Belastungslinie (//) berührt, das Ausgangssignal bleibt jedoch »0«. Dieses Schaltglied zeigt also eine logische Schwellenfunktion mit einer Hystercsisbreite /,, Iv der Tunneldiode.

Im tatsächlichen Aufbau ist die Diode 22 in gleicher Richtimg der Tunneldiode 21 parallel geschaltet, so daß die Schaltung eine tatsächliche Kennlinie gemäß einer Kurve R erhält. Die Kurve H hat einen steileren Anstieg als die Kennlinie /■' der Tunneldiode, und der durch ikn l'imkt (a) dargestellte Zustand kommt zu einem Punkt («'). Der steilere Anstieg bedeutet, dal.! die Fallzeil, also die für das Ausgangssigmil benötigte Zeit, um vom Wert »1« auf den Wert »0« umzuwechseln, erheblich verkürzt wird. Das Vorsehen der Diode 22 führt also zu einer erheblichen Verschnellerung der Schaltaklion der Tunneldiode 21. und der Transistor 11 arbeilet mit einer Geschwindigkeit, die angenähert gleich der Ciren/e seiner entsprechenden Kennwerte ist. Sollte außerdem ein Strom Hießen, der höher ist als der Spitzenwert //·> der Tunneldiode, so kann der diesen Wert überschreitende Teil die Tunneldiode 21 über die Diode 22 umgehen. Die Tunneldiode ist also vor neeinlriicluigung und Durchbruch auf Grund der Überlastung geschützt.

I- i JZ. 5 zeigt eifmdungsgemäße Schallglieder in iliicr Anwendung als I : .S-Frequcnztcilcrsehallung. Gemäß dieser Figur sind für 2-Eingangs-C',-FIementc3I bis 35 gemäß F i g. 3 in Kaskade geschalte! und haben je eine ihrer Eingangsklemmen an eine gemeinsame Eingangsklemme 36 angeschlossen. Die Elemente 31 bis'35 haben jeweils eine Ausgangsklemmc 37 bis 41. und die Ausgangsklemmen 41 der lei/len Stufe, also des F.lemenles 35. ist mit der freien Eingangsklemme des Elementes 31 der erslen Sin Ic verbunden.

Wird an die Fingangsklemme 36 dieser Frequenzleilersehallung ein Eingangssignal angelegt, so erscheinen an den Ausgangsklemmen 37 bis 41 die folgenden Ausgangssignale:

O 1

D I

O I

O I

O
i
O

37

/Niispanizssignal 38 ] 39 I 40

O O O O 1

η ο ο ο

0 0

0 0 0

I) 0 0 0 0

Wie aus diener Tabelle hervorgeht, verändert sich durch ein Fingangssignal des Werts »1« ein Ausgangssignal (I, 1), wie durch Unterstreichung angedeutet, der gegenseitig benachbarten F.lemcnte mit einem Ausgangssignal »0« des vorhergehenden Elementes zu (1, 0), und in gleicher Weise ändert sich ein Ausgangssignal (0. 0) mit :, 1« für den vorhergehenden Ausgang zu (0, 1) durch ein Eingangssignal »()". Durch wiederholte Eingangssignale verschiebt sich das Ausgangssignal (I, I) bzw. (0, (I) schrittweise nach rechts.

F i g. 6 zeigl die an den Klemmen 37 bis 41 auftrelenden Eingangs- und Ausgangsimpulsfolgcn genäß der Tabelle. Wird /.. B. vorausgesetzt, daß das Ausgangssignal an der Klemme 37 durch die Ankunft des ersten Impulses von »1« zu »0« geworden ist, so kehrl es unmittelbar nach dein Eintrelleu eines drillen Impulses wieder auf »I« zurück und wechselt

ίο beim Eintreffen des sechsten Impulses wieder auf »()<'. Entsprechende Veränderungen gellen für die anderen Eingänge.

Bei dem so aufgebauten Frequenzteiler wird der Ext· 'imvert der teilbaren Frequenz im wesentlichen durch din Anstiegs/eil oder durch die Abfall/eil der Tunneldiode bestimmt. Die Anstiegszeit tier Tunneldiode isl kurz, und die Abfallzeit wird durch die parallelgesehaltele Diode verkürzt, so daß die Sehwellenfunkiion sehr schnell durchgeführt werden kann.

Die Arbeitsweise ist außerdem stabil und zuverlässig und die Konstruktion verhältnismäßig einfach. Diese Verwirklichimgsform der Erfindung kann also für verschiedene Vorrichtungen verwendet werden, die solche logischen Schallungen wie etwa Zähler enthallen.

F ig. 7 e igt einen monostabile:i Multivibrator mit sehr steiler Anstiegs- und Abfallflanke. Der dargestellte Multivibrator umfaßt ein Verknüpfungsglied 51 mil einem Aufbau gemäß Fi;:. 3. mit Eingangsklemmen 52 und 53 und einer Ausgangsklemme 54. Die Ausgangsklemme 54 ist mit einer der F.ingangsklcmmcn. nämlich der Eingangsklemme 53. über ein Verzögerungselemcnt 55 verbunden, um das Aus gangssignal mit einer Verzögerung von r an die Einangsklemme 53 zurückzuleitcn. Vor Beginn des Vorgangs, wenn das an die Eingangsklemmc· 52 anzulegende Eingangssignal X »0« ist. isl das an der Ausgangsklemme 54 auftretende Ausgangssignal »1<. Isl nämlich das Ausgangssignal Z »0«. so wird an die EiiiL'angsklcmmc 53 ein Eingangssignal Y des Wertes »Of angelegt. Wie beschrieben, wird das Aus gangssignal Z gleich »1«. wenn das Eingangssignal (Λ'. Y) (0, D) ist. Die Veränderung des Xusgaiiüs-Mgnals Z wird über das Vcrzögerungselen.^.it 55 mil der Ver/ögerungszcit τ zum Eingang Y iiberlraüen. Nach Ablauf der Zeit τ schallet das Eingangssignal V auf »l··· um. Bleibt das andere Eingangssignal ■>() . so bleibt auch das Ausgangssignal Z auf dem "/eil »I«. Wird nun ein Impulssignal des Wertes»! < von sehr kleiner Impulsbreite an die Eingang:,klemmc 52 angelegt und somit das tiingiingssignal Λ' für kurze Zeit auf »1« umgewechselt, so wird das Eingangssignal (X. Y) zu (1, 1), und es ergibt sich ein Ausgangssignal Z im Wert von »0«. Fällt das Eincangssignal X in dieser Dauer wieder auf »0« zurück, so wird das Eingangssignal (X, Y) nach dem Durchgang des Impulses zu (0, 0). und das Ausgangssignal Z kehrt in den Zustand »1« zurück.

Fig. 8 zeigt einen astabilcn Multivibrator mil einem Verknüpfungsglied 61 gemäß F i g. 3, bei dem die beiden Eingangssignale X und Y über Vcrzögerungselcmentc 62 und 63 von einer Ausgangsklemme 64 zurückgeführt sind. Die Vcrzögerungselemcnte 62 und 63 haben Verzögerungszeiten r, bzw. τ.,. Ist das Eingangssignal (Λ\ Y) (0, D) und das Ausgangssignal Z wechselt von »0« zu »1" um. so wird dieser Wechsel den Eingangsklcmmen 62 und 63 mit Vcrzögerungszeiten /, bzw. τ., rückgekoppelt. Ist die

Zeit r, kurzer als die Zeit r₂, so ändert sich das Eingangssignal X nach dieser Zeit τ, von »0« auf »1«, während das Eingangssignal Y noch den Wert »0« und das l· usgangssignal Z weiterhin den Wert»l« hai. Ist nun seit dei Veränderung des Ausgangssignals die Zeit i.₂ abgelaufen, so schaltet auch das Eingangssignal Y von »0« auf »l« um, und das Ausgangssignal Z ändert sich von »l« zu »0«. Diese Änderung des Ausgangssignals führt in der gleichen Weise wieder zu Änderungen der Eingangssignale X und Y. Der Multivibrator erzeugt also an der Ausgangsklemme 64 Impulsfolgen mit der Penode 2 T₂. Es ist ersichtlich, daß diese Periode von der längeren der Verzögerungszeiten τ, und T₂ bestimmt wird. Fi g. 9 zeigt ein Sperrtor mit einem Verknüpfungsglied 81 des Aufbaus gemäß Fig. 3 und mit einem Verzögerungselemcnt 82 zum Rückkoppeln des Ausgangssignal an eine von drei Eingangsklemmcn. Nur wenn die beiden anderen Eingangsklemmcn, nämlich 83 und 84, gleichzeitig mit einem Impulssignal angesteuert werden, tritt an einer Ausgangsklemmc 85

der Schaltung ein Ausgangssignal »1« auf. Das Verzögerungsclement 82 dient der Rückstellung.

Bei den beschriebenen Schaltungen ergeben die Tunneldiode und die mit ihr parallclgcschaltete gutleitende Diode sehr kurze Anstieg- und Abfallzeiten bzw. steile Flanken des Ausgangssignals, so daß als Ausgangssignal Rcchteckimpulsfolgen auftreten. Da außerdem die Arbeitsgeschwindigkeit der Schaltungen im wesentlichen von der Laufzeit eines Ver-/ögerungselementes abhängt, kann die Laufzeit leicht erheblich verkürzt werden, und die Antworlnacheilung kann äußerst verkleinert werden, so daß Antworten auf Signale mit Folgefrequenzen von mehreren 100 bis ungefähr 1000 MHz möglich sind.

Durch Verwendung vor. zwei Verknüpfungsgliedern des Aufbaus von Fig. 3 mit je drei Eingungsklcmmcn und einer Ausgangsklemmc kann ein Instabiler Multivibrator erzielt werden, wobei jeweil> zwischen die Ausgangsklcmme und eine Eingangs-

ao klemme der zwei Verknüpfungsgliedcr ein Verzöge· rungselcmcnt geschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verknüpfungsglied mit einem Transistor, dessen Basis mit einer Mehrzahl von Eingangsklemmen verbunden ist und der an eine Ausgangsklemme angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß über die Sperrschicht /wischen der Basis und _rder Ausgangsklemme (14) des Transistors (11) in Parallelschaltung eine Tunneldiode (21) und eine gutgleitende Diode (22) geschaltet sind, deren Polarität untereinander und mit derjenigen der von ihnen überbrückten Sperrschicht in der Richtung übereinstimmt.

2. Verknüpfungsglied nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einem monostahilen M .'!!vibrator, derart, daß mindestens ein Ver/öiierungseleinent (55; 62, 63: 73. 74: iS2) /wischen die Ausgangsklemme (54, 64, 76. 77. 83) und eine der Eingangsklemnien (53) geschaltet ist.

3. Verknüpfungsglied nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einem astabilen MuItKihrator, derart, daß mindesten·., zwei Ver/ügerungselemenie (26, 63) mit unterschädlicher Verzögerungszeit jeweils zwischen die Ausgangsklemme (64) und eine der Eingangsklemme geschaltet ind (Fig. 8).

4. Verknüpfungsglied n;>eh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Ausgangsklemme (54) und eine der Ei lgangsklemmen (53) ein Verzögerungselement (55) geschaltet ist und die andere Eingangsklemme (52) von einem unabhängigen Eingangssignal (.v) angesteuert ist.

5. Verknüpfungsglied nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einem Frequenzteiler, derart, daß eine Mehrzahl von derartigen Verknüpfungsgliedern kaskadenartig so zusammengesehaltet ist. daß .-in die Basis jedes Transistors eine erste und eine zweite Eingangsklemnie angeschlossen sind und daß die ersten Eingangsklemmen (}') mit einer gemeinsamen Schaltungs-Eingangsklemme (36) und die zweiten Eingangsklemmen (X) jeweils mit der Ausganu-iklemme (37 bis 41) den¹ vorhergehenden Verknüpfungsglied verbunden sind.

fi. Verknüpfungsglied nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einem bistabilen Multivibrator, derart, daß jeweils zwisehen die Ausgangsklemme und eine Eingangsklemme von /wei Verknüpfungsgliedern ein Verzögerungselement geschaltet ist.