DE2005576A1 - ECL-Gatterschaltkreis - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen logischen Gatterschaltkreis in ECL-Schaltkreistechnik, insbesondere auf einen seriengekoppelten Schaltkreis mit unsymmetrischer Ansteuerung.

Das Grundelement der sogenannten ECL-Schaltkreistechnik ist bekanntlich ein Differenzverstärker mit zwei emittergekoppelten Transistoren, die durch Ansteuerung der Basis eines der beiden Transistoren mit einem binären Steuersignal gegenseitig abwechselnd gesperrt bzw. leitend gesteuert werden. Durch Stromeinprägung wird vermieden, dass der jeweils leitende Transistor den Sättigungszustand erreicht. Da der eingeprägte Strom abhängig vom Eingangssignal von dem einen oder dem anderen Transistor übernommen wird, wird gelegentlich auch von einer Stromübernahmeschaltung gesprochen.

Eine ODER-NOR-Verknüpfung mehrerer Eingangsvariablen lässt sich erzielen, wenn der Kollektor-Emitterstrecke des direkt angesteuerten Transistors des Differenzverstärkers die Kollektor-Emitterstrecken weiterer, über ihre Basen gesteuerter Transistoren parallelgeschaltet werden. Andere logische Funktionen können in vorteilhafter Weise (geringe Gatterlaufzeit und Stromaufnahme) durch die sogenannte Serienkopplung realisiert werden (vergl. "The Electronic Engineer", Nov. 1967, Seiten 56 - 60). Man versteht darunter die

Serienschaltung von Differenzverstärkern derart, dass in die Zuleitungen zu den paarweise zusammengefassten Emittern der Transistoren von Differenzverstärkern, die nunmehr als die "oberen" bezeichnet werden, die Transistoren eines "unteren" Differenzverstärkers eingefügt werden. Ein steuerbarer Strompfad des "unteren" Differenzverstärkers oder deren beide werden also durch die "oberen" Differenzverstärker jeweils in zwei ebenfalls gegensinnig steuerbare Strompfade aufgespaltet. Gegebenenfalls werden die Kollektoren von zwei Transistoren, die nicht den gleichen Differenzverstärkern angehören, zusammengefasst und über gemeinsame Kollektorwiderstände betrieben.

Eine Möglichkeit, zwei Eingangsvariable mit Hilfe eines einfachen ECL-Schaltkreises logisch zu verknüpfen, ist durch die deutsche Auslegeschrift 1 246 027 bekannt geworden. Hier wird vorgeschlagen, die Basen beider Transistoren einer Differenzverstärkerstufe mit verschiedenen Eingangssignalen zu beaufschlagen, wobei allerdings das Potential eines Eingangssignals vorzugsweise um den halben Signalhub verschoben werden muss, um eindeutige logische Ausgangszustände zu erhalten.

Die Erfindung gibt einen ECL-Gatterschaltkreis mit geringer Signallaufzeit und niedriger Stromaufnahme an, der gegenüber bekannten Anordnungen einen erhöhten logischen Verknüpfungswert aufweist. Der Gatterschaltkreis ist dadurch gekennzeichnet, dass in die Zuleitungen zu den jeweils paarweise zusammengefügten Emittern der Transistoren zweier "oberer" Differenzverstärker mit einseitiger Ansteuerung die Kollektor-Emitter-Strecken weiterer Transistoren eingefügt sind, deren Emitter zur Bildung eines "unteren"

Differenzverstärkers verbunden und an eine Konstantstromquelle angelegt sind, dass der "untere" Differenzverstärker in an sich bekannter Weise beidseitig angesteuert wird und dass jeweils der Kollektor des direkt angesteuerten Transistors des einen "oberen" Differenzverstärkers mit dem Kollektor des indirekt gesteuerten Transistors des anderen "oberen" Differenzverstärkers und über einen gemeinsamen Kollektorwiderstand mit dem (bei npn-Transistoren) postivieren Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden ist.

Im folgenden werden Beispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es stellt dar: Fig. 1 einen logischen Schaltkreis gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine Wertetabelle für den Schaltkreis nach Fig. 1, Fig. 3 ein Schaltungsbeispiel für ein in Fig. 1 symbolisch angedeutetes Verschiebenetzwerk.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 enthält einen "unteren" Differenzverstärker mit den Transistoren T1 und T2, deren Emitter-Kollektor-Strecken zwei gegensinnig steuerbare Strompfade bilden. Diese Strompfade werden durch weitere nach dem Prinzip der sogenannten Serienkopplung (series gating) angeordnete "obere" Differenzverstärker mit den Transistoren T3 und T4 bzw. T5 und T6 jeweils wieder in zwei ebenfalls gegensinnig steuerbare Strompfade aufgespaltet. Durch die symbolisch angedeutete Schaltungsanordnung K zur Konstanthaltung des Stroms und durch entsprechende Wahl der Signalpotentiale bzw. der festen Potentiale an den Basen der Transistoren T1 bis T6 wird erreicht, dass keiner dieser Transistoren in den Sättigungszustand gerät.

Entsprechend der Ausbildung bekannter seriengekoppelter

ECL-Schaltkreise werden die Transistoren T3 bzw. T5 der beiden "oberen" Differenzstufen über die Eingangsklemmen c bzw. d von den gleichnamigen Eingangssignalen direkt angesteuert. Die Basen der Transistoren T4 und T6 sind an ein festes Referenzpotential Uv von beispielsweise -1,2 V gelegt, das dem Mittelwert zwischen den hohen (-0,8 V) und den tiefen (-1,6 V) Eingangspotentialen an den Eingängen c und d entspricht.

Die Kollektoren der Transistoren T3 und T6 einerseits und der Transistoren T4 und T5 andererseits sind miteinander und über jeweils gemeinsame Kollektorwiderstände R1 und R2 mit dem Bezugspotential Uo, das bei Verwendung von npn-Transistoren dem positiven Pol der Betriebsspannungsquelle entspricht, verbunden. An die Kollektorverbindungspunkte sind die Emitterfolger mit den Transistoren T7 bzw. T8 angeschlossen. Sie erhöhen die Belastbarkeit der Ausgänge F bzw.

und liefern die gleichnamigen Ausgangssignale mit den für die Steuerung nachgeschalteter ECL-Schaltkreise richtigen Potentialen.

Die "untere" Differenzverstärkerstufe mit den Transistoren T1 und T2 wird im Gegensatz zu den bekannten seriengekoppelten ECL-Schaltkreisen über die Eingangsklemmen a und b beidseitig angesteuert. Durch die Kombination der beiden an sich bekannten Maßnahmen, nämlich der Anwendung der Serienkopplung und der beidseitigen Ansteuerung von Differenzverstärkern mit Emitterkopplung durch binäre Signale ergeben sich erweiterte logische Verknüpfungsmöglichkeiten, mit denen relativ komplizierte logische Funktionen realisiert werden können. Bezeichnet man wieder hier wie im folgenden die Signale wie die Klemmen, an denen sie anliegen, so ergeben sich an den gegenphasigen Ausgängen F und die Verknüpfungsfunktionen

Eine der Funktion F entsprechende Wertetabelle ist in Fig. 2 dargestellt.

Bei der Realisierung des Gatterschaltkreises nach der Erfindung ist zu berücksichtigen, dass die Eingangssignale a und b im allgemeinen die gleiche Potentiallage wie die Eingangssignale c, d für die "oberen" Differenzverstärker aufweisen und daher für die unmittelbare Steuerung der Transistoren T1 und T2 (Fig. 1) nicht geeignet sind. Es ist im Zusammenhang mit seriengekoppelten Schaltkreisen in ECL-Technik bekannt, dass das Eingangssignal für den "unteren" Differenzverstärker auf dem Weg zwischen der Eingangsklemme und der Basis des betreffenden Transistors potentialmäßig um einen gewissen Betrag (bei npn-Transistoren ins Negative) verschoben werden muss. Im vorliegenden Fall sind darüber hinaus unterschiedliche Verschiebungen für die beiden Eingangssignale a und b erforderlich. Dies ist in Fig. 1 durch die beiden Rechtecke mit den Bezeichnungen großes Delta U1 und großes Delta U2 angedeutet. Obgleich es für die Arbeitsweise der Gatterschaltung nach Fig. 1 grundsätzlich ohne Bedeutung ist, welche der beiden Potentialverschiebungen die größere ist, muss aufgrund der gewählten Klemmen- bzw. Signalbezeichnungen im Zusammenhang mit den angegebenen logischen Funktionen und mit der in Fig. 2 dargestellten Wertetabelle gelten |großes Delta U1| > |großes Delta U2|. Die Verschiebungen betragen beispielsweise für großes Delta U1 = 1,6 Volt und für großes Delta U2 = 1,2 Volt. Eine gut geeignete Schaltungsanordnung zur Potentialverschiebung ist in Fig. 3 dargestellt. Dieses aus einem Transistor T9 und den Widerständen R3 bis R5 bestehende Verschiebenetzwerk hat die Eigenschaft, dass die

Verbindung zwischen dem Eingang kleines Alpha und dem Ausgang kleines Alpha* in beiden Zuständen des binären Eingangssignals niederohmig bleibt. Daraus ergeben sich sehr niedrige Signallaufzeiten und eine vernachlässigbar kleine Verminderung des Signalhubs. Der Betrag der Potentialverschiebung errechnet sich aus der Beziehung großes Delta U = U kleines Alpha - U kleines Alpha* = (1 +

Ueb, wobei Ueb der Spannungsabfall an der leitenden Emitter-Basis-Strecke des Transistors T9 ist.

Nachteilig an dem Verschiebenetzwerk nach Fig. 3 ist jedoch die höhere Belastung der Signalquelle im Vergleich zu den Eingängen c und d des Gatterschaltkreises nach Fig. 1 durch den zusätzlichen Querstrom über die Widerstände R3 bis R5, der zur Steuerung des nachfolgenden Transistors T1 bzw. T2 unmittelbar nichts beiträgt.

Für den Fall, dass die erhöhte Belastung der Signalquelle als störend empfunden wird, ist es zweckmäßig, dem Verschiebenetzwerk nach Fig. 3 einen weiteren Transistor als Emitterfolger voranzusetzen. Der Eingang kleines Alpha des Verschiebenetzwerks nach Fig. 3 wird demnach mit dem Emitter des zusätzlichen Transistors verbunden. Sein Kollektor liegt am Bezugspotential.

Es muss jedoch beachtet werden, dass die kleinste hiermit erzielbare Potentialverschiebung bei etwa 1,6 Volt liegt, weil zu der durch das Verschiebenetzwerk nach Fig. 3 verursachten Verschiebung noch eine Emitter-Basisspannung Ueb hinzukommt. Durch entsprechende Dimensionierung des Gatterschaltkreises kann dies leicht ausgeglichen werden.

Schaltet man den direkt angesteuerten Transistoren T1, T2

T3 und T5 weitere Transistoren hinsichtlich der Kollektor-Emitter-Strecken parallel, so erhält man in bekannter Weise zusätzliche ODER-Verknüpfungen a1 + a2 + , b1 + b2, usw. für jede der vier Eingangsvariablen a, b, c, d. Für jeden auf diese Weise zusätzlich geschaffenen a-Eingang oder b-Eingang ist allerdings noch ein zusätzliches Verschiebenetzwerk erforderlich; man wird deshalb bei Bedarf die Erweiterungen nach Möglichkeit nur an den Eingängen c und d vornehmen.

Eine weitere Abwandlung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ergibt sich durch die Verbindung der Eingänge c und d. Bezeichnet man den neuen gemeinsamen Eingang wie die anliegende Eingangsvariable mit e, so erhält man nun die Ausgangsfunktion wobei das Zeichen für ANTIVALENZ (EXCLUSIVES ODER) steht.

Diese Funktion bzw. der sie realisierende Gatterschaltkreis hat die bemerkenswerte Eigenschaft, dass durch Anschließen eines Eingangs an ein festes, dem Signalwert "0" oder "1" entsprechendes Potential oder durch Verbinden zweier Eingangsklemmen eine Anzahl unterschiedlicher Funktionen von zwei Variablen erzeugt werden kann:

Damit sind also bereits 6 der 8 existierende unterschiedliche Verknüpfungen zweier Variabler mit einem Schaltkreis realisiert worden, wobei in keinem Fall invertierte Eingangssignale erforderlich sind.

Die noch fehlenden zwei Funktionen

(NAND) und

(NOR lassen sich ebenfalls mit dieser Schaltung realisieren, wenn zusätzlich noch der invertierende Ausgang benützt wird. Für e = a wird nämlich

(NAND) und für e = b wird

(NOR).

Wie eine allgemeine Untersuchung (vergl. Y. N. Patt: Synthesis of switching functions using a minimum number of integrated - circiutmodules, "Technical Report AFAL - TR - 67 - 142" Stanford University, Stanford, USA) gezeigt hat, kann der die Funktion realisierende Schaltkreis auch als Grundschaltung eines digitalen Schaltungssystems eingesetzt werden. Ähnlich wie mit NAND- oder NOR-Gattern lassen sich mit diesem Schaltkreis alle logischen Verknüpfungen ausführen, wobei nur der invertierende Ausgang benötigt wird. Unter Einschluss der schon vorher erwähnten Möglichkeit, Eingänge an ein festes Potential zu legen oder Eingänge miteinander zu verbinden, kann jede beliebige Funktion von 3 Variablen mit höchstens 3 dieser Schaltkreise gebildet werden. Dabei sind höchstens 2 Schaltkreise in Serie geschaltet, was sich günstig auf die gesamte Signallaufzeit auswirkt. Vergleichsweise werden bei Verwendung von NOR- oder NAND-Gattern im ungünstigsten Fall 6 Schaltungen in 3 Stufen benötigt. Ein weiterer Vergleich macht die Vorteile hinsichtlich der Einsparung der Anzahl der Klemmen und damit der Verbindungsleitungen bei Verwendung von Schaltkreisen gemäß der Erfindung in ihrer abgewandelten Form gegenüber NOR- oder NAND-Gattern noch deutlicher. Wollte man gleichzeitig alle 256 möglichen Funktionen von 3 Variablen realisieren, so wären dazu 525 Schaltkreise gemäß der Erfindung erforderlich, hingegen würde man aber 1124 NOR- bzw. NAND-Gatter benötigen.

Ausgehend von der Grundschaltung nach Fig. 1 ist es natürlich möglich, anstatt die Eingänge c und d zu einem gemeinsamen Eingang zu verbinden, zwei beliebige andere Eingänge zusammenzufassen. Da sich aber alle so gewonnenen Verknüpfungen auch mit normalen seriengekoppelten ECL-Schaltkreisen, bei denen die Basis des einen der beiden Transistoren (entsprechend T1, T2) des unteren Differenzverstärkers an einem festen Potential liegt, erzeugen lassen, soll hierauf nicht näher eingegangen werden.

Claims (4)

1. ECL-Gatterschaltkreis, dadurch gekennzeichnet, dass in die Zuleitungen zu den jeweils paarweise zusammengefassten Emittern der Transistoren (T3, T4 bzw. T5, T6) zweier oberer Differenzverstärker mit einseitiger Ansteuerung die Kollektor-Emitter-Strecken weiterer Transistoren (T1, T2) eingefügt sind, deren Emitter zur Bildung eines "unteren" Differenzverstärkers verbunden und an eine Konstantstromquelle angelegt sind, dass der "untere" Differenzverstärker in an sich bekannter Weise beidseitig angesteuert wird und dass jeweils der Kollektor des direkt angesteuerten Transistors des einen "oberen" Differenzverstärkers mit dem Kollektor des indirekt gesteuerten Transistors des anderen "oberen" Differenzverstärkers und über einen gemeinsamen Kollektorwiderstand mit dem (bei npn-Transistoren) positiveren Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden ist.

2. ECL-Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Eingangsklemmen (a, b) zur Ansteuerung der Transistoren des "unteren" Differenzverstärkers und den Basen dieser Transistoren Verschiebenetzwerke (U1, U2) zur Potentialverschiebung der entsprechenden Eingangssignale angeordnet sind und dass die Beträge der Potentialverschiebungen vorzugsweise um die Hälfte des Signalhubs verschieden sind.

3. ECL-Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Basen der direkt angesteuerten Transistoren (T3, T5) der beiden "oberen"

Differenzverstärker mit einer gemeinsamen Eingangsklemme verbunden sind.

4. ECL-Schaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung aller möglichen logischen Verknüpfungen von zwei Eingangsvariablen zwei Eingänge miteinander verbunden sind und/oder dass einer bzw. zwei der Eingänge an feste Potentiale angelegt sind.