DE2015565A1 - Schwellwert-Torschaltung - Google Patents

Description

Setevr©! lts3S»t-Toj£»s ehaitung

Erfindung bstrlfit eine Sehw©llwerfc-ioj?sc&&lti!n&_1! die einen

ubsrlQseru-ngspuBkti. eine Mehrzahl von Eingangskreisen für die Zuführung von entsprechenden Signalen «um über-lagerungspuntefc uad ©ine ar, l©tsfcer?m angeschlossene Selwellwertsofraltung umfaßt.

Sine Schii0llwerfc«TorsGfiaituKs weist im alligesaain&n einen ©inalgeia binären Ausgang und elii© Mehrzahl von blftären a«f _Ä· tvelch löfcsfcere von gleichem oder auch Gswicht sä in können« Einer <i$r beiden ι AusgangswöPte .tritt a.B« daim auf» v;©nn die Summer &®v EiögaBgsgowichto ©in@si v©rg@g«be~ nen Scfe^el.l^ert Ub€z*so}ai^it@t₉ »Shrend der uatsrhalb dieses Schwollwertes auftritt·

Die Vortoll© vbr* :>chvallwert-Toi'SGlmltningeö fttr» vieltp Anwenin logischen Schaltungen und dergl· sind aligee

bekannt« jedoch vnirda ihre breitere Anwendung etwas koraplizierfceroa logisohen Pararaeter und die damit denen Frddleme behindert» Anzustreben ist für derartig© Schaltungen eine große Stufenhöhe (d.i. daß gewiohtete Intervalle innerhalb dessen der Sehwellwert liegt) und ein br©lter Sin« gangsslgnalbereioh (d.i. die Suraae der EingangßgSMlebt®), wobei der Oesamt-Signalausschlag an dem Schwellwertelement gleichsvieise gering sein soll, um ©ine höh® kelt und geringen Lei8tungsverlust zu ermöglichen. Dies® der im Grund® zuwiderlaufenden Forderungen - werden weise durch einen Kompromiß gelöst, indem EiHmIioh aln Signalauaschlag bei gleichzeitig geringer StufenhSh® vmä eben» falls vergleichsweise geringem Blpgangsalgnalberelala verwirklieht wird. Hieraus ergeben sich oft weitere Probleme Xioh der Kompliziertheit vmu, ßmpfiz.allsnkelb bei -der aualegung.

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Aufgabe der Erfindung ist in diesem Zusammenhang die Schaffung einer Schwellwert-Torsohaltung, bei der die vorgenannten Schwierigkeiten überwunden oder doch weitgehend vermindert sind. Insbesondere richtet sich die Erfindungsaufgabe auf die Schaffung einer Schwellwert-Torschaltung mit großer Stufenhöhe und geringem Gesamt-Signalausschlag für einen großen Eingangssignalbereich, wodurch sich eine hohe Empfindlichkeit ohne Einbuße an Arbeitsgeschwindigkeit und ohne erhöhten Leistungsverlust ergibt. Die erfindungsgemäße Lösnng dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einer Schaltung der eingangs erwähnten Art hauptsächlich duißh eine an de-n Überlagerungspunkt angeschlossene Impedanzschaltung mit veränderlichem Impedanzwert, die am überlagerungspunkt im Normalzustand einen niedrigen Impedanzwert und in Abhängigkeit von vorgegebenen Eingangs-Signalkombinationen am überlagerungspunkt einen hohen Impedanzwert bildet. Eine in dieser Weise ausgebildete Schaltung löst die gestellte Aufgabe in überraschend einfacher Weise und mit vorteilhaft geringem Aufwand.

Beispielsweise kann bei der erfindungsgemäßen Schaltung «ine Überlagerungsschaltung in Form eines an den überlagerungspunkt angeschlossenen nichtlinearen Impedanzelementes vorgesehen werden, welch letzteres den üblichen, linearen Summierungsxviderstand für die überlagerung der Eingangssignale ersetzt und unterhalb des Sohwellwertes einen niedrigen» oberhalb desselben jedoch einen hohen Impedanzwert bildet. Der niedrige Irapedanzwert unterhalb des Schwellwertes ermöglicht einen großen Eingangssignalbereich mit geringem Gesamt-Signalausschlag an der Schwellwertsschaltung, wodurch sioh für die Torschaltung eine hohe Arbeitegeschwindigkeit und ein geringer Leistungsverlust ergibt. Gleichzeitig bietet der hohe Impedanz· wert eine entsprechende Stufenhöhe der Torschaltung, wodurch die Anforderungen hinsichtlich der Smpflndliohkeit an der Sohwellwertsschaltung vermindert werden.

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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsforai der Erfindung kann in jedem Eingangskreis ein einfacher Feldeffekt-Transistor als Stromquelle vorgesehen werden, während das nichtlineare Impedanzelement ebenfalls eine Schaltung mit einem Feldeffekt-Transistor aufweist. Hierdurch ergeben sich besondere Vorteile in der Anpassung einer solchen Schwellwert-Torschaltung an die Herstellung von Integrierten Schaltungen.

V/eitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben eich aus der folgenden Besehreibung von AusführungsBeispielen anhand der Zeichnungen. Hierin seigt:

Fig. 1 den Prinzipaufbau einer ersten Schwellwert-Torßchaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Spannungs-Stromdiagraram für den Uberlagerungspunkt der Schaltung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schwellwert-Torschaltung mit Feldeffekt-Transistoren und

Flg. 4 ein Diagraraa des Senkenstromes in Abhängigkeit von der Senken-Quellenspannung zur Erläuterung der Wirkungswelse der Feldeffekt-Transistoren In der Schaltung gemSß Fig· J·

Bei der Schaltung nach Fig. 1 1st eine Hehrzahl von Eingängen Ij bis I_n mit entsprechenden Eingangskreisen 1O₁ bis 1O_n sowie weiterhin eine Impedanzschaltung 50 mit veränderlichem Icipedanzwert und eine Schwellwertschaltung 80 mit Ausgang 90 vorgesehen. Den Eingängen werden binäre Eingangssignale züge» führt, die mit Hilfe der Eingangskreise und der Im Beispielsfall nichtlinearen Irapedanzechaltung 5 zu einem Zwischensignal an einem überiagerungspunkt 25 umgesetzt werden. Dieses ZwI-schen3ignal wird dann mit Hilfe der Schwellwertsachaltung

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ORIGINAL INSPECTED

80 mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen. Wenn das Zwißchensignal am Uberlagerungspunkt 25 in bezug auf diesen Sciiwellwert V^ gleich oder größer 1st (in negativer Richtung gezählt), so erscheint am Ausgang 90 ein zugeordnetes Signal Vg. Das Ausführungsbeispiöl gemäß Pig. 1 stellt eine sogenannte 7-aus-n-Torsehaltung dar, die am Ausgang 90 ein Signal liefert, wenn die Gesamtsumme der Eingangssignal-Einheiten 7 oder mehr beträgt» unterhalb dieser Zahl von Eingangssignal-Einheiten erscheint am Ausgang 90 ein anderes Signal V^.

Die Eingangskreise weisen je eine Transistor-Stromquelle auf, deren Schaltung in Fig. 1 für den Eingangskreis 10, schematisch angedeutet 1st. PUr die Eingangskreise können Jedoch grundsätzlich auch andere Schaltungen mit Kondensator-Widerstands- oder Widerstands-Diodeneingängen oder dergl. vorgesehen werden.

In Betrieb werden die in Fig. 1 mit 100 angedeuteten BInSr-Slgnale, deren Binärwerte 0 und 1 durch die Spannungswerte V. und VY dargestellt sind, über die Eingangskreise zum Uberlagerungspunlct 25 geleitet. Die an diesen Punkt gelangenden Signale können von gleichem oder auch unterschiedlichem Gewicht sein, was durch die betreffende Signalamplitude oder durch den betreffenden Eingangskreis bestimmt wird· Beispielsweise können übereinstimmende Eingangssignalamplituden vorgesehen werden, während unterschiedliche Gewichte der Eingangssignale durch die Relativwerte von Schaltungeelementen in den Eingangskreisen festgelegt sind» beispielsweise durch die Größe des im Eingangskreis 1O₁ angedeuteten EmitterwiderStandes R₁. Der Einfachheit halber sei im Folgenden Übereinstimmung der Eingangssignale bzw. der Binärwerte ▼_a und V_b angenommen, wobei der Signalwert V^ am Überlagerungepunkt 25 als "Eingangssignaleinheit" bzw. kur« "Signaleinheit* bezeichnet wird. Wenn ferner das der BinSrwert· V« und V_A fähige Signal am Ausgang 90 mit Y bezeichnet wird, so gilt:

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γ s y_ für eine Summe der Eingangsalgnaleinheiten größer oder gleich 7

Y = V_A für eine Summe der Eingangssignaleinheiten kleiner oder gleich 6·

Demgemäß beträgt der Schwellwert in diesem Beispielsfall 7 Signaleinheiten, während die Stufenhöhe zwischen einer Summe von 6 und 7 Signaleinlieiten ließt.

Die bereits erwähnten Transistor-Stromquellen in den Eingangskreisen umfassen ein Paar von hinsichtlich ihres Lei tf Shekel tstyps übereinstimmenden Transistoren 111 und 121« deren Emitter durch einen gemeinsamen Widerstand R, an den Minuspol 131 einer Speisequelle angeschlossen sind· Die Basis des Transistors 111 ist an den Eingang - beispielsweise I₁ - und der Kollektor an den Pluspol l4l der Speisequelle angeschlossen. Die Basis des Transistors 121 1st an ein Bezugspotential angeschlossen, Im Beispielsfall an Massepotential«, während der Kollektor über Leitung 151 an den Überlagerungspunkt 25 angeschlossen 1st. Wenn an dem betreffenden Eingang ein Signal Vg entsprechend dem Binärwert O liegt, so befindet sieh der Transistor 111 im Leitzustand« wahrend der Transistor 121 sperrt. Entsprechend Umgekehrtes gilt für den Signalwert V_b entsprechend dem Binärwert 1, wobei ein der Signaleinheit zugeordneter Strom Über Leitung 151 zum tfoerlagerunSpunkt 25 fließt. Die Größe dieses Stromes ist durch die Speieequalle und die Größe des B&ltterwiderstandes R^ bestimmt.

Die kombinierten Signaleinheiten In Form entsprechender Ströme gelangen über Leitung 51 an die nichtlineare Impedanz» schaltung 550, die Im Beispielsfall einen Transistor 55 und Widerstünde 36, 57 umfaßt. Diese Impedanzeohaltung bildet erflndungsgemKd unterhalb des Sehweilwertes der Torschaltung einen niedrigen Itspedanzwert und Innerhalb der Stufe einen hohen Impedanzwert. In Fig. 1 let ein» beispielhafte Kenn«

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linie für eine solche nichtlineare Impedanzschaltung mit 201 bezeichnet. Unterhalb des Schwellwertes fließt Strom über die zueinander parallel geschalteten Widerstände 56 und 57, wobei der Transistor 55 gesättigt 1st« Bei zunehmendem Strom und somit abnehmender Spannung am Oberlagerungspunkt 25 infolge weiterer Signaleinheiten V. an den Eingängen der Troschaltung wird der Transistor 55 in einen nichtgesKttigten Zustand mit konstanter Stromführung umgesteuert . Hierbei wird der Widerstand 56 aus der Parallelschaltung zum Widerstand 57 abgeklemmt und der am Oberlagerungspunkt 25 wirksame Impedanzwert entsprechend erhöht. Der üraschalt-Stromwert der Impedanzsohaltung 5O von ihrem niedrigen zum hohen Impedanzwert 1st so eingestellt, dafl dieser Übergang in den Bereich der Stufe, d.h. zwischen einen Summenwert der Signaleinheiten zwischen 6 und 7 fallt. Vorzugsweise wird der Umschaltpunkt an den Beginn, d.h. an das untere Ende der Stufe oder in die Nähe dieses Punktes gelegt, wie in Flg. 2 dargestellt ist.

Der vorgegebene Schwellwert V₇ gemäß Flg. 2 wird durch die Schwellwertschaltung 80 bestimmt. Hierfür kommt eine übliche Vergleicherschaltung mit Transistoren 81, 82 und einer Vergleichsspannungsquelle 88 in Betracht. Entsprechende andere Schaltungen üblicher Art, z.B. solche mit nicht linearen Dioden, Magnetkernen und dergl. können ebenfalls hler eingesetzt werden. Im Beisplelsfall geiB&ß Fig. 1 1st dl· Basis des Transistors 8l über Leitung 85 mit dem Überlagerungspunkt 25 und die Basis des Transistors 82 mit der Verglelchsspannungsquelle 80 verbunden. Der Kollektor des Transistors 82 ist über Leitung 89 mit dem Ausgang 90 verbunden. Eine übliche Justlersohaltung kann in der Leitung 89 für die Einstellung der Ausgangesignalwerte V_A und V_ß entsprechend den Blngangeelgnalwtrten V_ft und V_b sowie zur Anpassung an nachfolgende Sohaltungeelnholten vorgesehen werden.

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,..*:,.. 00 984 2/ 1847

Der-TA'aBsistor 82 sperrt im Kformalzustand, während Transistor 8l leitet, tfas dem Ausgangssignalwert "?_A entspricht. Wenn die Spannung as'Überlagerungspunkt 25 den im wesentlichen durch die TergleiehsspBtmusg 88 bestimmten Schwellwerk V^ erreicht, . so werden" ate Transistoren 81 und 82 in ihre entgegengesetsten LeIt- bsw« fSperrsustände umgeschaltet.., was dem Ausgangssignalwert V-,

Insgesamt liegt somit eine Uberlagerungsschaltung mit der niehtlinearen XoipsdanKsehaltung 50 als wesentlichem Bestandteil \?or_a die für Jede Sunahme der Signal- bzw. Stroirisurarae im übs-rlageruiigspunkt entsprechend einer Signaleinheit unterhalb eines .vorgegebenen Summendertes eine Spannüngssunahme gemäß einem ersten, niedrigeren Anstiegsverhältnis und oberhalb äer vorgegebenen Signalsumme eine solche Zunahme gemäß einem zweifcon^ höheren Anstiegsverhältnis bewirkt. Der vorgegölaea© Usaschaltwert der «Summe der Eingangssignaleinheiten ■ist im Beisisielsfall etwa um eine Signaleinheit geringer als der Sehi'jellviert der Tors ehaltung, wodurch sich die beiden AKst:lsgsive?hältnisse_uiiterhalb der Stufe bzw, in der Stufe ' des»- ^orsoIialttHiß bestimmen·

Bei eier Äusführwngsform gemäß Fig. 3» die sich besonders für eine Anwendung der integrierten Schaltungstechnik eignet, ws^dem im unterschied zu der Schaltung nach Flg. 1 Feldeffekt Transistoren- verwendet. In übereinstiramung mit Fig. 1 ist eine Hehrzahl" von Eingängen I^ bis I_n, ein Üb@rlagerungst S5 und ein Ausgang 90 vorgesehen. Den Eingängen sind

Eingangskreise pO biß JO_n mit Feldeffekt-Transistoren Q₁ bis Ii^ vorgesehen» welch letztere als Eingangs-Stromquellen wirken-· Die Quellenelektroden der Transistoren sind an Massepotential und die Senkenelektrode^- an den überlagerungs»

ptmkt Z5 angeschlossen. '

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Eine typische Spaionurigs-Stromkennlinle für die einzelnen Feldeffekt-Transistoren Q₁ bis Q_ß, die hier als übereinstimmend angenommen sind, ist in Fig. 4 mit 401 bezeichnet. Bei Vorhandensein eines Ei&gangssignals Vq sei der Feldeffekt-Transistor in dem zugehörigen Eingangskreis angenommenerweise im Sperrzuetand vorgespannt, während umgekehrt ein Eingangssignal V^ eine Umsteuerung des Transistors in den Leiteustand und einen entsprechenden Senkenstrom I zum Überlagerungspunkt 25 zur Folge hat.

An Letzterem ist eine nichtlineare ImpÄdanzschaltung 500 mit einem Feldeffekt-Transistor 505 angeschlossen· Zwischen Steuerelektrode und Senke dieses Transistors ist ein Widerstand 502 angeschlossen, während ein Diodenpaar 504 zwischen Steuerelektrode und Quellenelektrode eine im wesentlichen konstante Spannung zwischen diesen beiden Elektroden herstellt. Die Quellenelektrode des Transistors 505 1st ferner an den Uberlggerungspunkt 25 und die Senkenelektrode an eine Speisequelle 508 angeschlossen. In dieser Schaltung bewirkt der Transistor 5O5 eine Nichtlinearität der Spannungs-Stromkennllnie 402 gemäß Pig. 4_Λ die der Kennlinie 201 der Impedanzschaltung 50 gemäß Pig. 1 Im wesentlichen ähnlich ist.

Im Ausgangszustand ohne Eingangseignale wird die am Überlagerungspunkt 25 vorhandene, in Pig. 4 rait V- bezeichnete Spannung durch die Speisequelle 508 der Impedanssohaltung 500 bestimmt. Wenn der Stromfluß zum Überlagerungspunkt 25 entsprechend dem Auftreten von Eingangssignalen mit den je einer Signaleinhelt entsprechenden Signal- bzw» Spannungswerten V₁ zunimmt, so nimmt die Spannung am Oberlagerungepunkt 25 zunächst gemäß einem ersten Anstiegs verhältnis ab, und zwar bis zu dem durch die Abschnürspannung V^ des Transistors 5Ο5 bestimmten Umschaltpunkt, wonach die Imped ansschaltung in den Zustand höherer Impedanz tibergeht und auf

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weitere Eiagaagssigcaleinheiten mit einem zweiten, wesentlich steileren Ansteigsverhältnis reagiert. Auf diese Weiise ergibt sich widerum eine Schwellwert-Torschaltung mit großer Stufenhöhe·

Der Sehwellwert-.'der Torschaltung ist wiederum durch eine entsprechende Schwellwertschaltung 800 bestimmt, woffür eine entsprechende Schaltung» wie die in Flg. 1 mit 80 bezeichnete, in Betracht kommt. Wenn die das Zwischensignal darstellende Spannung am Überlagerungspunkt 25 den vorgegebenen» in Fig. 4 mit V_fc bezeichneten Schwellwert überschreitet, so tritt- am Ausgang $0 ein zugeordnetes Signal V auf.

Es ergibt sich somit insgesamt wiederum eine Schwellwert-Tor3ohaltung mit einfachem, wirtschaftlichem Aufbau und zuverlässiger Wirkungsweise, wobei die gestellten Forderungen hinsichtlich großer Stufenhöhe, großem Eingangssignalbereich und geringem Oesamt-Signalausscnlag an der Sehwellwertßschaltung erfüllt sind.

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Claims (1)

1. • Λ).

   WESTERH EISCTRIC COMPANY IHC* 31.März 1970

   A 31 623

   Ansprüche

   y/ Schwellwert-Torsohaltung, umfassend einen Signal-Überlagerungspunkt (25), eine Mehrzahl von Eingangskreisen (1O₁-IO ) für die Zuführung von entsprechenden Signalen zum überlagerungapunkt und eine an letzteren angeschlossene Schwellwertschaltung (80), gekennzeichnet durch eine an den Über lage« rungspunkt angeschlossene Impedanzechaltung (50) eit veränderlichen Ioipadanzwert, die an Uberlagerungspunkt im Normalzustand einen niedrigen Impedanzwert und in Abhängigkeit von vorgegebenen Bingangs-Slgnalkombinationen am Überlagerungspunkt einen hohen Itapedanztrert bildet.

   '. Torsohaltung nach Anspruch I, daduroh gekennzeichnet, dag einer ersten Signalkombination am Überlageruagspunkt (25) ein Ausgangßslgnal der Torschaltung zugeordnet ist und daß der hohe Inpedanxwert der Inpedansschaltung (30) wenigstens bei Vorhandensein dieser ersten Signalkombination am Überlagerungepunkt ansteht.

   >. Torsohaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dafl als erste Signalkonblnatlon eine erste Sum» von Eingangesignalen vorgesehen ist und dafl der hohe Iapedanxwert der Xmpedanzeohaltung (50) am überlagerungepunlct (25) einer die erste Summe von Eingangssignalen übersteigenden twelten Eingangssignalsumme zugeordnet ist.

   ■. Torschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüohe, daduroh pcekenn^ei,chnet_t dag die Impedanxsobaltung erste und «weite Zmpedanzsweige sowie Sohaltalttel für den selektiven Ansohluß wenigstens eines der ersten und «weiten Iapedanszweige »n den Überlagerungepunkt aufweist«

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   Torschaltung aaoh efeeai 6m? vorangehend©!!

   _g&B. die lrapedansselialfcung einen aufweist,

   6, ^arschaltiiiig nach einem der vorangehenden Ansprüche*

   _; durch, „f

   &) die lEipedaiisschaltuDg ist für di© Suführimg von Signalen mit einem Gswicht m oder isisieia Mehrfachen davon seitens

   •tr*

   der EingangslEreise vorgesehens

   b) es sind !Uttel- g-ar K^zäbiaatiem d&r Eijsgansssignal© ssu ©i-ßem g&iscfrensignal ^orgesehena das für jedes liahe EiBgassssißJ^I mit ööa Qs^icht ra bis zu Vielfachen k davon g®m%M eine® ersten. Ansfciegsv®rhältnis und dar-übör für ^edss tmltaro Eingasigssignal rait Q&'^iaht m gezT.ilß einozß ir*feite&_e in Bozug auf das wesentlich größere» Äsistiegs^exiiilltnis aunissat;

   o) an di© Kittel sta» Koiabiiiatioa dar Eingangssignal© ist ©ine SchwöllHertßchalt«ng assgosclilossen^ dl© bei tJber¹-eines Wertes k * m duroh daß kombinierte Bingangssignale ©la Ausgangesignal liefert

   nach einem des» varajßgefc@näeB Ansprüoöö,

   dien lEspodansscSKiltmig bei

   einer ÄKsahi von EingangssigBaloinlieitön unter einer vorgögebenen Gösa^tzohl am tJbez'lager^gepunlct ihren niedrig©» Irapedanzwerfc sowie oberhalb der vorgegebenen Öeaajatsuisno© ihren hohen Xmped&nsn^rt; anisicsnt und daß die an den über« Iageru^6pi23oict ansesuhlossene ßcHini 11 wert schaltung bei einer Anzahl von Einga&gssignaleinftoiton oberhalb der vorgegebenen Goaarataiimnö ein Ausgangssignal liefert·

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   BAD ÖRlSfNAL