DE1955942C3 - Bistabile Kippstufe - Google Patents

Description

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Diode geschaltet sein, die eine zu enge Kopplung Die Basen _der ™**^en „J,^sSTdurch jeweils

wischen den Kollektoren jedes Transistorpaares und beiden T^^J* *_ΟΓ n bzw. 12 gemeinsam

den dazu gehörigen Vorspanndioden bzw. der Basis einen ^Ein|^a _n ⁿ^°^ndl-ⁿ _d ^S _e ^a;°_bistabi,en Kippstufe ange-

des zweiten Transistors desselben Transistorpaares an einen Eingang _s« «^.^ j _{steht mit} den

"SS* es zweckmäßig, wenn jedes Transistor- ⁵ ^^ ^Wtojg«· '" ^S'

paar einzeln zusammen mit dem dazugehörigen zu- ^wahf»d **?£'* «* h ans[ _ist

sätzlichen Transistor und mit der einen der beiden ren des Tn^rpaars^nge ^ _KoUektoren

Vorspanndioden in einer isolierten Insel einer Halb- Eine der Ve lbindungen ζ ^ ^_{n Jran}.

,eiterpläUchens integriert ist was die gesamte Schal- » em« Tr» ^^ZliLpMS bildet einen Aus-

tung in integrierter Form umfaßt. ^SlStor> °^c* """J= Kippstufe.

Die andere der beiden Vorspanndioden kann zu- gang "^¹JSSS? und g _sind jeweils eine sammen mit einem ohmschen Widerstand im KoI- In den ^Ko^7^Z^f_hmscher Widerstand 7 bzw^ lektorzweig den entsprechenden Transistorpaares in Diode15_«*; "' _hmscher Widerstand 19 bzw. 20 einer isolierten Insel des Halbleiterplättchens inte- ,₅ f⁸ ^¹" X^₁ ^Anschlüsse O₁. O\ bzw. O griert sein. Vorzugsweise sind zwei Kopplungskon- "V^Re'^he S^der beiden Kollektorzweige 7 und 8 densatoren, deren eine Elektrode mit der Bas.s des O _s. D.: End -η der beΛα ^^ _{n an} zweiten Transistors je eines der beiden Transistor- Hegen gern einsam *" _lle. paare in Verbindung steht, am Eingang des Frc- einem weiteren £Moe^r P _isto ⁵ _{are 5 un}d6 sind iuenzteilers gemeinsam in einer isolierten Insel des *o ^^^^.ndergeschdtete Vorspann-Halbleiterplättchens integriert. * ,InTl tew 22 und 23 bzw. 24 zugeordnet. Die Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung diodenι 21 bzw. M uno _dje ^ _Vorspannsind die Dioden im Kollektorzweig jedes Transistor- ^°^1₇^\Td\c Basis des zweiten Transipaares zusammen mit diesem Transistorpaar in einer diode 23 bzw ^ , _{ist wahren}d die andere isolierten Insel des Halbleiterplättchens integrier. ²S ^rs3 bzw 4 angescn Mittelabgriff P, Dabei treten aber parasitäre Transistoreffekte auf, ^rspannd^ode 2Ib^ _widerständen 17 und die den Wirkungsgrad der bistabilen Kippstufe ver- ta* P_s zwischen den ^ _henden Kollektormindern. Diese Erscheinung kann dadurch behoben 19 bzw. lö un _steht werden, daß die Dioden im KoUektorzwrg jedes zweig 7 bzw 8 ^ ™ J _p. _{2 der} Zeichnung Transistorp»« einzeln in isolierten Inseln des 30 em der E .«^ g^ ^ Schaltung nach Halbleiterplättchens integriert sind. ρ „ Γ luf fünf eegenseitig isolierte Inseln 25 bis 29 Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in F, g uf fünf geg ^g

ρ „ Γ f fünf gg

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in F1 g. 1 auf funt gg j^ _{3() integ}nert. der Zeichnung dargestellten Ausführungsbe.sp.elen verte.l ι mengn Ha Ibtate rp ^ ^^.^ ^ 3 _und 9, noch näher erläutert. dieDioSf 5 im Kollektorzweig 7 und die Vorspann

In der Zeichnung zeigt 35 die U10ae « 1 _{d 2? smd die W},_der-

Fig-1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der ^»/^Πη Kollektorzweig7 und die Vorbistabilen Kippstufe, . _nnV_nHe 21 vereinißt Symmetrisch zur Insel 25 ist

F»g. 2 eine Ansicht auf die in einem Halbleiter- ^P^'f//^^ „sei 27 die Insel 28 aufgebaut, plättchen integrierte Schaltung nach F. g. 1, ?^ Pinsel ₂₉»beiinden sich die Eingangkondensa-

^P Fig.3 das Schaltbild einer weiteren Ausführung- 40 In ^V₁""¹-, 12 Dte Anschlüsse für die Elektroden form der bistabilen Kippstufe, i^Soaniunßquelle sind von den Inseln getrennt

F i g. 4 eine Ansicht auf die in einem Halbleiter- der ^^.^nu"f3^_Ug_Szi{fern 31 und 32 gekennzeichplättchen integrierte Schaltung nach F i g 3 ™f *** %^B™^_{U der} bistabilen Kippstufe

^P Gleiche Teile sind in allen Figuren durch gleiche "f ^^Srplättchen 30 getrennt von den Bezugsziffern gekennzeichnet. Je einer von zwei er- 45 ist auf dem HalWe Φ

sten Transistoren 1 und 2 bilden zusammen mit je Inselrlange own _Technologie entstehen an den

einem von zwei zweiten Transistoren 3 und 4 je eines ^BeJⁿ^_r^_a ^r^_d?_{oden 2}3 und 24 Transistoreffekte,

von zwei zueinander symmetrisch angeordneten bei den Versen"⁰ _tatsachlich zusammen

TransistorpaareS und 6. Die Kollektoren des ersten ~ ^da^^^hSden zusätzlichen Transistor Transistors 1 und des zweiten Transistors 3 sind in 50 mit dan.ertepre _Transistor_Paar mit ge-

einem gemeinsamen Kollektorzweig 7 vereinigt wah- ^" J^ kollektorzweig und Emitterzweig bildet, rend die Kollektoren der Transistoren 2 und 4 in Jjmsamem Ko^ ^ ^ ^ _{trete au}ß_{erdem je}. einem gemeinsamen Kollektorzweig 8 munden JiLiIs zwei parasitäre Kapazitäten auf, die in dei

Die Emitter der beiden Trans.storpaare bilden weils ^^wei P^ar _{1 de} ^H _Zeichnungen mit den Be-

zwei Emitterzweige, die gemeinsam durch einen An- 55 Schal ung nach ^g _χ ^ ^ _gekennzeich.

schluß 32 an einem Pol einer Spannungsquelle lie- ^ffern

gen. Dem Transistorpaar 5 ist ein zusätzlicher Tran- nei_sma_ Technologie bedingt treten

Lor9 und dem Transistorpaar 6 ein zusätzliche Eb^nfalls durch α ^ _{Transistoreffekte}

Transistor 10 zugeordnet. Die Zuordnung besteht den beiden Inseln _{u md 22 mf d} „

darin, daß der Kollektor jedes zusätzlichen Trans,- den beiden vo ρ' , _{Linien 37 und} 38 an

stors 9 und 10 mit den Kollektoren des entspreche^ F >£ Id «eh d« g ^^ _{m def} ,^ ₂₉ , den Transistorpaars in Verbindung steht, wahrend gedeutet no gestrichelt gezeichnete Er

die Basis des zusätzlichen Transistors an der Bass «"^S1CJ "^_n ⁸J_{9 und 40} darstellen, des ersten Transistors 1 bzw. 2 desselben Transistor- "^⁸"⁸¹^" ³^"_{h F} j _g. 3 der Zeichnungen unter paars angeschlossen ist. Die Emitter der beiden zu- 65 C &halung nach ^g _Fi , _{und2 durc}-

säizlichen Transistoren 9 und 10 stehen jeweils mit scheidet sich von 0 _{ände n und 18} ,

der Basis des zweiten Trans.stors des zugehörigen oen ^gj^^er ^ _{g Djc} ^.^ _{Dioden t}

Transistorpaars in Verbindung.

und 16 lassen sich derart ausgestalten und in einem solchen Arbeitsbereich einsetzen, daß an ihnen etwa ein Spannungsabfall von etwa 0,5 Volt entsteht. Dieser genügt dafür, die Vorspanndioden 21 und 23 bzw. 22 und 24 gegenüber den Kollektoren der beiden TransistorpaareS und 6 zu entkoppeln. Gemäß der Darstellung in F i g. 4 sind die beiden Dioden 15 und 16 nicht mehr wie bei der integrierten Schaltung nach Fig.2 in den isolierten Inseln 25 und 26, sondern einzeln in isolierten Inseln 41 und 42 angeordnet. Durch die isolierte Anordnung der Dioden 15 und 16 werden parasitäre Transistoreffekte in isolierten Inseln 43 und 44 vermieden, die die Transistoren 1, 3,9 und 23 bzw. die Transistoren 2, 4, 10 und 24 umschließen.

Damit die Funktion des Frequenzteilers anschaulich beschrieben werden kann, seien Kontrollpunkte in der Schaltung mit den folgenden Bezeichnungen bestimmt:

Kontrollpunkt B 1 bzw. B 2 zwischen der Basis des zweiten Transistors 3 bzw. 4 und dem Emitter des zusätzlichen Transistors 9 bzw. 10; Kontrollpunkt Ol bzw. OI zwischen den Kollektoren des Transistorpaars 5 bzw. 6 und der Diode 15 bzw. 16; Kontrollpunkt P 1 bzw. P 2 am Mittelabgriff zwischen den beiden Widerständen 17 und 19 bzw. 18 und 20 und der Vorspanndiode 21 bzw. 22; Kontrollpunkt Öl' bzw. O 2' zwischen dem Widerstand 17 bzw. 18 und der Diode 15 bzw. 16; Kontrollpunkt PY bzw. Pl' tete Stromimpuls als auch der von der Diode 15 herkommende Dauerstrom versetzen den Transistor 2 des Transislorpaars 6 sicher in den leitenden Zustand, indem er verharrt, bis ein weiteres Eingangssignal den gesamten Vorgang umkehrt.

Mit dem Ansteigen des Potentials am Kontrollpunkt O 1 fängt natürlich auch der zusätzliche Transistoi 10 an zu leiten, womit die bistabile Kippstufe wieder dafür vorbereitet ist, das nächste Eingangs-ίο signal sicher zu diskriminieren.

Es läßt sich ohne weiteres einsehen, daß bei einer bistabilen Kippstufe einfacherer Art nur ein Eingangssignal bestimmter Stärke und Dauer einen Wechsel der Betriebszustände hervorrufen könnte, da jedes aktive Element der Schaltung nur dann auf eine Spannungs- und Stromänderung anspricht, wenn diese eine gewisse Größe übersteigt, und dann auch nur mit Verzögerung anspricht. In einfacheren Schaltungen kann auch der zeitliche Ablauf der verschiedenen Vorgänge beim Auftreten eines Eingangssigr.ais so sein, daß bei kurzer Dauer des Eingangssignals die Schaltung nicht in einem neuen Betriebszustand verbleibt, sondern in den ursprünglichen Betriebszustand zurückfällt. Durch die verschiedenen Elemente der Schaltung wird jedoch der zeitliche Ablauf der verschiedenen Vorgänge derart gesteuert, daß bereits ein sehr schwaches und kurzes Eingangssignal genügt, die Schaltung sicher von einem Betriebszustand in den anderen zu versetzen und so die

zwischen der einen Vorspanndiode 23 bzw. 24 und 30 Eingangssignale sicher zu diskriminieren.

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der anderen Vorspanndiode 21 bzw. 22. Der Kontrollpunkt O 2 fällt mit dem Ausgang 14 zusammen. Bei der Schaltung nach F i g. 3 fallen die Kontrollpunkte P1 und O 1' bzw. P 2 und O 2' zusammen.

Zunächst sei der eine Betriebszustand als gegeben angenommen, in dem das Transistorpaar 6 sperrt und der erste Transistor 1 des Transistorpaars 5 leitet. In diesem Zustand sperrt selbstverständlich der zusätzliche Transistor 10 ebenfalls, während der zusätzliche Transistor 9 leitet. Da der Kontrollpunkt O 1 ebenso wie der Kontrollpunkt P 1 ein niederes Potential aufweist, ist das Potential am Kontrollpunkt B 1 ebenfalls verhältnismäßig niedrig. Das Potential am Kontrollpunkt B 2 ist demgegenüber verhältnismäßig hoch, wenn auch etwas niedriger als am Kontrollpunkt P 2.

Wenn am Eingang 13 ein Signal erscheint, das sich als kurzzeitiges ansteigendes Potential äußert, wird dieses Signal über die Eingangskapazitäten 11 und 12 an die Kontrollpunkte Bl und Bl übertragen. Das Potential am Kontrollpunkt ß 1 war bereits vor Auftreten des Eingangssignals niedrig. Der durch das Eingangssignal kurzzeitig erzeugte Stromimpuls bringt den Transistor 3 nicht in den leitenden Zustand, weil er mindestens teilweise durch den leitenden Transistor 9 zum Kontrollpunkt 01 weitergeleitet wird und sich von dort auf die Transistoren und 2 verteilt.

Der vom Eingangssignal erzeugte Stromimpuls am Kontrollpunkt B1 kann demgegenüber nicht zum Kontrollpunkt O 2 gelangen, weil der Transistor T beim Auftreten des Eingangssignals noch sperrt. Der Stromimpuls wird also über Basis und Emitter des Transistors 4 abgeleitet, der sich dabei gegenüber dem Kollcktorzweig 8 öffnet. Das Potential am Kontrollpunkt O 2 fällt also stark ab, so daß der Transistor 1 schließt und das Potential am Kontrollpunkt () 1 ,insteict. Sowohl der über dem Transistor 9 gcleici einer besonderen Ausführungsform ist die Kapazität der Eingangskondensatoren 11 und 12 etwas verringert, und zwar dadurch, daß die Basis-Emitter-Bindungcn und die Basis-Kollcktor-Bindungcn der Ersatztransistoren 39 und 40 parallel geschähet sind. Dies geschieht in der auf dem Halbleitcrplättchen 30 integrierten Schaltung durch Kurzschließen des Kontakts 13 mit einem gestrichelt gezeichneten Kollcktorkontakt 45.

Die parasitären Kapazitäten 33 und 34 in der Insel 25 und die parasitären Kapazitäten 35 und 36 in der Insel 26 wirken sich auf die Funktion der bistabilen Kippstufe insofern sehr günstig aus, daß diese beim Kippen der Schallung vom einen Betriebszustand in den anderen den Wiederanstieg des Potentials am entsprechenden Kontrollpunkt O 1 bzw. O 2 verlangsamen.

Die Dioden 15 und 16 in den Kollektorzwcigen 7 und 8 bringen den Vorteil mit sich, daß sie auf kleinem Raum bei gegebenem Betriebszustand den notwendigen, verhältnismäßig großen ohmschen Widerstand aufweisen und außerdem mit einem gewissen Kompensationseffekt bei Temperatur-Schaltungen die Betriebszustände in der Schaltung konstant halten.

Obwohl die Mittelabgriffe zwischen den Widerständen 17 und 19 bzw. 18 und 20 an den Kontrollpunkten P 1 und P 2 wegfallen könnten, sind sie in verschiedenen Anwendungsbereichen sehr vorteilhaft, wcü beispielsweise bei Verwendung einer bistabilen Kippstufe als Frequenzteiler die maximal teilbare Frequenz bei niedrigen Betriebstemperaturen erhöht oder bei gegebenen Betriebstemperaturen und Frequenzen die Betriebsspannung und der Energieverbrauch vermindert werden kann.

Selbstverständlich können in der erfindungsgemäßen Schaltung an Stelle von bipolaren Transistoren auch MOS-Transistoren zur Anwendung kommen.

Hierzu 2 Blad Zeichnungen

Claims (7)

1 2 Transistor zusammengeschaltet sind und gemeinsame Patentansprüche· Emitierzweige und Kollektorzweige bilden, bei denen außerdem die Basis jeweils des ersten Transistors je-

1. Bistabile Kippstufe mit zwei symmetrisch des Transistorpaares an den Kollektorzweig des anzueinander angeordneten Transistorpaaren, bei 5 deren Paares zurückgekoppelt ist und bei denenjedenen jeweils die Emitter und die Kollektoren weils der Kollektorzweig über Kollektor und Emitter von einem ersten und einem zweiten Transistor eines zusätzlichen Transistors mit der Basis des zweizusammengeschaltet sind und gemeinsame ten Transistors in Verbindung steht.
Emitterzweige und Kollektorzweige bilden, bei Es wurde bereits eine derartige bistabile Kippstute denen außerdem die Basis jeweils des ersten io vorgeschlagen (schweizensche Patentschritt 4« »/8, Transistors jedes Transistorpaars an den Kollek- insbesondere Fig.2), bei der die Basis des zusatzlitorzweig des anderen Paars rückgekoppelt ist chen Transistors zwischen zwei Widerstanden an den und bei denen jeweils der Kollektorzweig über Kollektorzweig des Transistors gekoppelt ist, dessen Kollektor und Emitter eines zusätzlichen Transi- zweiter Transistor mit dem zusätzlichen 1 ^ran?istor in stors mit der Basis des zweiten Transistors in 15 Verbindung steht. Die Funktion dieser bistabilen Verbindung steht, dadurch gekennzeich- Kippstufe hängt sehr stark von der Betriebstemperan e t, daß die Basis des jeweiligen zusätzlichen tür ab, so daß diese Schaltung nur in wenigen Fallen Transistors an die Basis des ersten Transistors je- angewendet werden kann. Außerdem weist diese bides Transistorpaars gekoppelt ist und daß die slahiie Kippstufe immer noch verhältn'smäßig große Basis des zweiten Transistors jedes Transistor- 20 Widerstände auf, die bei monolitischer Integration paars über zwei Vorspanndioden mit dem KoI- der Schaltung zu Schwierigkeiten führen. Die Verlektorzweig desselben Paars in Verbindung steht. wendung von verhältnismäßig großen Widerstanden

2. Kippstufe nach Anspruch 1, dadurch ge- ist erforderlich, damit ein möglichst geringer Leikennzeichnet, daß die eine Vorspanndiode an der stungsverbrauch erzielt wird. Andererseits weisen Basis des zweiten Transistors jedes Transistor- 25 derartige hohe Widerstände einen hohen Platzbedarf paars in integriencr Form der Kippstufe als auf und ermöglichen daher keine integrierte Schal-Transistor ausgebildet ist, der zusammen mit dem tung mit geringem Raumbedarf.

jeweiligen zusätzlichen Transistor am entspre- Es wurde weiterhin bereits vorgeschlagen (deutchenden Transistorpaar einen gemeinsamen KoI- sehe Auslegeschrift 1 803 175), die Abmessungen lektor- und Emitterzweig bildet, und dessen Basis 30 einer integrierten Schaltung dadurch zu verringern, über die andere Vorspanndiode mit dem Kollek- daß MOS-Feldeffekttransistoren (Metalloxyd-Halbtorzweig des Transistorpaars in Verbindung leiter) verwendet werden. Derartige bistabile Kippsteht, stufen mit MOS-Transistoren benötigen jedoch eine

3. Kippstufe nach Anspruch 1 und 2, dadurch relativ hohe Betriebs- und Steuerspannung, die in gekennzeichnet, daß in den Kollektorzweig jedes 35 vielen Fällen, beispielsweise in elektronischen Arm-Transistornaars eine Diode eingeschaltet ist. banduhren, nicht zur Verfügung steht. Ein üblicher

4. Kippstufenach Anspruch 2, dadurch gekenn- Wert für die Betriebsspannung derartiger bistabiler zeichnet, daß jedes Transistorpaar einzeln zusam-" Kippstufen mit MOS-Transistoren ist 14VoIt, wähmen mit dem dazugehörigen zusätzlichen Transi- rend beispielsweise bei Armbanduhren auf Grund stör und mit der einen der beiden Vorspanndio- 40 des geringen, für die Spannungsversorgung zur Verfüden in einer isolierten Insel eines Halbleiterplätt- gung stehenden Raumes nur eine Betriebsspannung chens integriert ist, das die gesamte Schaltung in von bis zu 1,5 Volt zur Verfügung steht,
integrierter Form umfaßt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bi-

5. Kippstufe nach Anspruch 4, dadurch ge- stabile Kippstufe der eingangs genannten Art zu kennzeichnet, daß die andere der beiden Vor- 45 schaffen, die bei geringen Betriebsspannungen und spanndioden zusammen mit einem ohmschen geringem Energieverbrauch mit geringen Abmessun-Widerstand im Kollektorzweig des entsprechen- gen integrierbar ist, ohne daß der zulässige Betriebsden Transistorpaars in einer isolierten Insel des temperaturbereich eingeengt wird.
Halbleiterplättchens integriert ist. Diese Aufgabe wird ausgehend von einer bistabi-

6. Kippstufe nach Anspruch 4, dadurch ge- 50 len Kippstufe der eingangs genannten Art erfinkennzeichnet, daß zwei Kopplungskondensato- dungsgemäß dadurch gelöst, daß die Basis des jeweiren, deren eine Elektrode jeweils mit der Basis ligen zusätzlichen Transistors an die Basis des ersten des zweiten Transistors eines Transistorpaars in Transistors jedes Transistorpaares gekoppelt ist und Verbindung steht, am Eingang der Kippstufe ge- daß die Basis des zweiten Transistors jedes Transimeinsam in einer isolierten Insel des Halbleiter- 55 storpaares über zwei Vorspanndioden mit dem KoI-plättchens integriert sind. lektorzweig desselben Paares in Verbindung steht.

7. Kippstufenach Anspruch 4, dadurch gekenn- Dabei ist es vorteilhaft, wenn die eine Vorspannzeichnet, daß Dioden im Kollektorzweig jedes diode an der Basis des zweiten Transistors jedes Transistorpaars einzeln in isolierten Inseln des Transistorpaares in integrierter Form der Kippstufe Halbleiterplältchens integriert sind. 60 als Transistor ausgebildet ist, der zusammen mit dem

jeweiligen zusätzlichen Transistor am entsprechen-

den Transistorpaar einen gemeinsamen Kollektor-

und Emitterzweig bildet, und dessen Basis über die andere Vorspanndiode mit dem Kollektorzweig des

Die Erfindung bezieht sich auf eine bistabile Kipp- 65 Transistorpaares in Verbindung steht,

stufe mit zwei symmetrisch zueinander angeordneten Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Er-

Transistorpaareri, bei denen jeweils die Emitter und findung kann in den Kollektorzweig der beiden

die Kollektoren von einem ersten und einem zweiten Transistorpaare der bistabilen Kippstufe je eine