DE2018150C - Monolithisch integrierbare Flip-Flop-Schaltung - Google Patents

Description

(71) der beiden Schalttransistoren und die Basis Es sei hier nur auf eine in monolithisch integrierten des Zusatztransistors mit dem Kollektor des ao Flip-Flop-Schaltungen zweckmäßige Ansteuerschalanderen (7" 2) der beiden Schalttransistoren ver- tung verwiesen, bei der den Kollektor-Emitterbunden ist. Strecken der Schalttransistoren jeweils die Kollektor-

2. Flip-Flop-Schaltung nach Anspruch 1, da- Emitter-Strecke eines Steuertransistors parallel gedurch gekennzeichnet, daß die St'omverstärkung schaltet ist. Den Basen dieser Steuertransistoren wird des Zusatztransistors (7 3) kleiner ist als die des as dann die Steuerspannung zum Umschalten der Flipeinen Schalttransistors (71). Flop-Schaltung über Eingangskapazitäten zugeführt.

3. Flip-Flop-Schaltung nach Anspruch 2, da- Bei dieser Art von Ansteuerschaltung ist ferner durch gekennzeichnet, daß der Zusatztransistor noch ein sogenanntes Vorbereitungsbauelement vor-(73) bei monolithischer ""tegrierung aus einer handen, wie etwa ein die Basis und den Kollektor des lateralen pnp-Transistorstniktur besteht. 3» Steuertransistors miteinander verbindender Wider-

4. Flip-Flop-Schaltung nr :h einem der An- stand nach der französischen Patentschrift 1 548 137. sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bei der Auslegung einer solchen monolithisch zweiter komplementärer Zusatztransistor (74) integrierbaren bistabilen Flip-Flop-Schaltung im Hinderart vorgesehen ist, daß dessen Emitter mit dem blick auf möglichst geringe Stromaufnahme, wie di'-> Emitter des ersten Zusatztransistors (73), daß 35 von manchen Anwendungsfällen gefordert wird, läßt dessen Basis mit dem Kollektor des einen (71) sich diese Forderung nur dad>..n.h verwirklichen, daß der beiden Schalttransistoren und daß dessen die Widerstände R1 und R 2 möglichst hochohmig Kollektor mit dem Kollektor des anderen (72) gemacht werden. Hochohmige Widerstände beander beiden Schalttransistoren verbunden ist. Sprüchen jedoch in monolithisch integrierten Schal-

5. Flip-Flop-Schaltung nach einem der An- 4° tungen unverhältnismäßig viel Platz auf dem Halbsprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der leiterplättchen, so daß man bestrebt ist, hochohmige Arbeitswiderstand (R), wie in anderem Zu- Widerstände möglichst zu vermeiden und, wo dies sammenhang bei Differenzverstärkern bekannt, nicht möglich ist, deren Anzahl zu verringern,
durch einen als Konstantstromquelle geschalteten Das Problem der hochohmigen Widerstände fällt Transistor ersetzt ist. 45 insbesondere dann stark ins Gewicht, wenn aus

6. Flip-Flop-Schaltung nach einem der An- solchen bistabilen Flip-Flop-Schaltungen eine mehrsprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der stufige Frequenzteilerkette zusammengeschaltet wird, Kollektor-Emitter-Strecke jedes Schalttransistors mit der bzw. die im kHz- oder MHz-Bereich liegende die Kollektor-Emitter-Strecke eines Steuertran- Frequenz eines Quarzoszillators auf Frequenzen im sistors (721, 722) gleichen Leitungstyps parallel 5» Bereich von einigen Hz herabgesetzt werden soll,
geschaltet ist, daß jede Basis der Steuertransistoren Bei solchen in einem einzigen Halbleiterpiättchen über eine Kapazität (Öl, Dl) an einen Steuer- gebildeten Frequenzteilern nimmt die Fläche der eingang (S) angeschlossen ist, daß jeder Basis- hochohmigen Widerstände einen ganz erheblichen Kollektor-Strecke der Steuertransistoren die Teil des zur Verfügung stehenden Platzes ein. Die Kollektor-Emitter-Strecke eines Hilfstransistors 55 Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine (731, 732) derart parallel geschaltet ist, daß der Flip-Flop-Schaltung anzugeben, deren Widerstands-Emitter des Hilfstransistors mit dem Kollektor . bedarf wesentlich verringert ist.

des Steuertransistors verbunden ist und daß die Diese Aufgabe wird von der eingangs näher geBasis jedes Hilfstransistors an der Basis des kennzeichneten monolithisch integrierbaren bistabilen Schalttransistors derselben Flip-Flop-Hälfte an- 60 Flip-Flop-Schaltung dadurch gelöst, daß die beiden geschlossen ist. Widerstände durch die Serienschaltung eines einzigen

7. Frequenzteiler unter . Verwendung von an Betriebsspannung liegenden Arbeitswiderstandes bistabilen Flip-Flop-Stufen nach einem der An- und eines komplementären Zusatztransistors derart sprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ersetzt sind, daß der Emitter des Zusatztransistors mehrere Flip-Flop-Stufen einen gemeinsamen 65 mit dem Arbeitswiderstand, der Kollektor des Zusatz-Arbeitswiderstand besitzen. . transistors mit dem Kollektor des einen der beiden

Schalttransistoren und die Basis des Zusatztransistors mit dem Kollektor des anderen der beiden Schalt-

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transistoren verbunden ist Eine vorteilhaft« Weiter- Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 2 sei

bildung der Erfindung besteht darin, daß ein zweiter im folgenden kurz erläutert Im einen Schaltzustand

komplementärer Zusatztransistor derart vorsehen sind die Transistoren Γ2 und T3 durchgesteuert,

ist, daß dessen Emitter mit dem Emitter des ersten während Transistor 71 gesperrt ist Somit fließt der

Zusatztransistors, daß dessen Basis mit dem Kollektor 5 Kollektorstrom des einen der beiden Transistoren 7 2

des einen der beiden Schalttransistoren und daß und 73 in die Basis des anderen. Im anderen stabilen

dessen Kollektor mit dem Kollektor des anderen der Schaltzustand ist Transistor Tl durchgesteuert und

beiden Schalttransistoren verbunden ist. erhält seinen Basisstrom über die Basis und seinen

Im letzteren Falle sind also die beiden zueinander Kollektorstrom über den Kollektor des Zusatzkomplementären Transistoren einer Flip-Flop-Hälfte io transistors 73, während der SchalUransistor 72 gemit ihren Kollektor-Emitter-Strecken derart in Serie sperrt ist Zusätzlich zur erwähnten Möglichkeit der geschaltet, daß die beiden Kollektoren miteinander Abnahme des Ausgangsimpulses am Kollektor jedes verbunden sind und die Emitter der Zusatztransi- Schalttransistors kann bei dieser Schaltung der Ausstoren über den geroeinsamen ArbeitswidersUnd an gangsimpuls auch am Emitter des Zusatztransistors Betriebsspannung angeschlossen sind. »3 73 abgenommen werden.

Eine weitere Verringerung des Widerstandsbedarfs Zur Verbesserung der Betriebssicherheit dieser

der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung läßt Schaltung ist es besonders zweckmäßig, wenn die

sich dadurch erzielen, daß in Ausgestaltung der Stromverstärkung des Zu«, .^transistors 73 kleiner ist

Erfindung der Arbeitswiderstand ('•irch einen als als die des Schalttransistors 71. Diese Forderung läßt

Konstantstromquelle geschalteten Transistor ersetzt ao sich bei monolithischer Realisierung der erfindungs-

ist. Der ais Konstantstromquelle geschaltete Tran- gemäßen Flip-Flop-Schaltung leicht dadurch errei-

sistor befindet sich demzufolge in der Emitter- chen, daß als Schalttransistoren npn-Transistor-

zuleitung des oder der komplementären Zusatztran- strukturen und für den Zusatztransistor 73 eine

sistoren. Rein formal ist das Einschalten eines als laterale pnp-Transistorstruktur verwendet werden.

Konstantstromquelle geschalteten Transistors in die as Während die erfindungsgemäße bistabile Füp-Flop-

Emitterzuleitung eines Transistors oder in die ge- Schaltung nach Fig. 2 in ihrer Gesamtheit einen

meinsame Emitterzuleitung zweier Transistoren von unsymmetrischen Aufbau aufweist und somit der

Differenzverstärkern her an sich bekannt. Spannungsabfall am Arbeitswiderstand R abhängig

Die Erfindung sowie verteilhafte Ausgestaltungen vom Schaltzustand des Flip-Flops ist, zeigt die F i g. 3

und Weiterbildungen werden nun im Zusammenhang 3° eine symmetrisch aufgebaute Flip-Flop-Schaltung

mit den weiteren in der Zeichnung dargestellten unter Anwendung der der Erfindung zugrunde

Figuren näher erläutert und beschrieben und sind in liegenden Erkenntnis. Hierbei ist die Schaltune nach

den Unteransprüchen gekennzeichnet. F i g. 2 durch einen weiteren komplementären Zusatz-

F ig. 2 zeigt die srfindungsgemäße bistabile Flip- transistor 74 ergänzt, wobei dessen Emitter mit dem

Flop-Schaltung; 35 Emitter des ersten Zusatztransistors T3 und mit dem

F i j,- 3 zeigt die bereits erwähnte Weiterbildung der Arbeitswiderstand R verbunden ist, wobei ferner

erfindungsgemäßen bistabilen Flip-Flop-Schaltung; dessen Basis mit dem Kollektor des einen Schalt-

Fig. 4 zeigt die Weiterbildung nach Fig. 3, er- transistors 71 und dessrn Kollektor mit dem KoI-

weitert durch eine der eingangs erwähnten Ansteuer- lektor des anderen Schalttransistors 72 verbunden

schaltungen. 40 ist. Bei dieser Schaltung sind entweder die Tran-

Die in F i g. 2 gezeigte erfindungsgemäße bistabile sistoren 71 und 74 oder die Transistoren 72 und 73 Flip-Flop-Schaltung bestehi aus den beiden Schalt- durchgesteuert bzw. gesperrt. Über den Arbeitswidertransistoren 71 und 72, deren Emitter mit dem stand R fließt in jedem stabilen Schaltzustand die Schaltungsnullpunkt verbunden sind. Die Basen und Summe aus dem Kollektor- und Basisstrom eines der die Kollektoren der beiden Schalttransistoren sind 45 beiden Schalttransistoren 71 oder 72. Daher ist der kreuzweise miteinander verbunden, so daß sich die Spannungsabfall am Arbeitswiderstand R annähernd für das Arbeiten als bistabile Flip-Flop-Schaltung konstant, so daß diese Schaltungsvariante mit einer nötige Rückkopplung ergibt. Die bei bekannten etwas geringeren Betriebsspannung auskommt als die Schaltungen üblicherweise vorgesehenen beiden Schaltung nach F i g. 2.

Widerstands Rl und Rl (vgl. Fig. 1) sind nun in 50 Die der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis, erfindungsgemäßer Weise durch die Serienschaltung jede Flip-Flop-Stufe nur mit einem einzigen Arbeitsdes Arbeitswidersatndes R und des zu den Schalt- widerstand zu versehen, läßt sich auch vorteilhaft bei transistoren komplementären Zusatztransistors 73 mehreren zu einer Frequenzteilerkette zusammenersetzt. Hierbei liegt der Widerstand R einerseits an geschehenen Flip-Flop-Stufen anwenden. Im Falle der Betriebsspannung und andererseits am Emitter 55 der Schaltung mit zwei Zusatztransistoren lassen sich des Zusatztransistors 73, während der Kollektor des insbesondere mehrere Flip-FIop-Stufen an einem ein-Zusatztransistors 73 mit dem Kollektor des einen zigen Arbeitswiderstand betreiben, wodurch sich hin-Schalttransistors 71 und die Basis des Zusatztran- sichtlich der Flächenausniiizung des Halbleitersistors 73 mit dem Kollektor des anderen Schalt- plättchens noch günstigere Verhältnisse ergeben,
transistors 72' verbunden ist. Der Ausgangsimpuls 60 In Fig, 4 ist die Schaltung nach Fig. 3 mit sämtwird an einem der Kollektoren der Schalttransistoren liehen zum Umschalten vom einen in den anderen abgenommen. stabilen Zustand zweckmäßigen Schaltelementen ge-

Das Überraschende und Neue der erfindungs- zeigt. Wie eingangs bereits erwähnt, ist zu den

gemäßen Schaltung besteht also darin, daß die sonst Kollektor-Emitter-Strecken der Schalttransistoren 71 bei bistabilen Flip-Flop-Schaltungen übliche Sym- 65 und 72 jeweils die Kollektor-Emitter-Strccke eines

metrie des Aufbaus jeder Flip-Flop-Hälfte verlassen Steuertransistors 721 und Γ22 gleichen Leitungstyps

ist und trotzdem das bistabile Verhalten dadurch parallel geschaltet. Jede Basis der Steuertrarisistoren

nicht verlorengeht. liegt über eine Kapazität Dl, Dl am Steuereingang S.

Diese Kapazitäten bestehen bei monolithischer Intcgricrung üblicherweise aus der Kapazität eines pn-Übcrganges.

Die Zusatztransistoren sind in Fig. 4 mit 741 und 742 bezeichnet. Ferner sind noch die Hilfstransistoren 731 und 732 eingezeichnet, die dafür sorgen, daß während des Umschaltens die Information über den bisherigen Schaltzustand in den Eingangskapazitäten gespeichert bleibt. Die Hilfstransistorcn sind zu den Steuer- und Schalttransistoren komplementär, besitzen also denselben Leitfähigkeitstyp wie die Zusatztransistoren 741 und T42.

Die Kollektor-Emitter-Strecke jedes Hilfstransistors 7 31. 732 ist der Basis-Kollektor-Strecke des Steuertransistors parallel geschaltet, und zwar derart, daß der Emitter des Hilfstransistors am Kollektor des Steuertransistors angeschlossen ist, während der Kollektor des Hilfstransistors an der Basis des Steuertransistors liegt.

Die Basis des Hilfstransistors ist mit der Basis des derselben Flip-Flop-Hälfte angehörenden Schalttransistors, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Widerstandes, verbunden.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen bistabilen FHp-Flnp-Schaltung ist darin zu sehen, daß bei sonst gleichen Eigenschaften der Arbeitswiderstand R um den Faktor 2 bis 4 kleiner sein kann als die Summe der Widerstände bei bisher bekannten Flip-Flop-Schaitungcn. Bei monolithischer Integration wird daher wesentlich weniger Kristallfläche benötigt. Wenn ausschließlich die aktiven Bauelemente der riip-Flop-Schaliung integriert werden, benötigt die integrierte Schaltung keinen zusätzlichen Anschluß für den Arbeitswiderstand, da das eine Ende des Arbcilswidcrstandcs an Betriebsspannung liegt. So ist es beispielsweise möglich, mittels der erfindungsgemäßen bistabilen Fiip-Flop-Schaltung einen siebenstufigen Frequenzteiler aufzubauen, der lediglich zehn äußere Anschlüsse benötigt, nämlich je einen für den Schaltungsnullpunkt, den Steuereingang und den Steuerausgang sowie für die sieben Arbeitswiderständc der einzelnen Flip-Flop-Stufen.

Eine weitere Einsparung an benötigten äußeren Anschlüssen läßt sich mit der bereits erwähnten Weiterbildung der Erfindung erreichen, bei der

ίο mehrere Flip-Flop-Stufen an einen einzigen Arbeitswiderstand angeschlossen sind. Wird beispielsweise der erwähnte siebenstufige Frequenzteiler mit einem einzigen Arbeitswiderstand betrieben, so kann ein von Transistoren her bekanntes und übliches vier poliges Gehäuse verwendet werden.

Im Falle der Verwendung von als Konstantstromquellen geschalteten Transistoren als Ersatz für den oder die Arbeitswiderstände und bei Integrierung dieser Transistoren, jedoch äußerer Zuschaltung des

ao den Konstantstrom bestimmenden Vorwiderstandes ergibt sich der weitere Vorteil, daß durch Wahl des Widerstandswertes dieses Vorwiderstandes die Frequenzteiierkette oder auch die einzelne Flip-Flop-SchaUjng an den unterschiedlichsten Betriebsspan- nungen angeschlossen werden kann. Als Beispiel seien etwa die folgenden Betriebsspannungen genannt: 1,5-V-MonozelIc einer elekttonischen Armbanduhr, 6- oder 12-V-Bordnetz eines Kraftfahrzeuges zum Betrieb einer elektronischen Autouhr, 30- bis SO-V-

Betriebsspannung elektronischer Orgeln.

Der Hersteller von integrierten bistabilen Flip-Flop-Schaltungen nach der Erfindung ist also in der Lage, ein universell verwendbares Bauelement anbieten zu können, das auf Grund der großen zu erwartenden Stückzahlen auch in preislicher Hinsicht günstig disponiert werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

20181SO^ Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrier- Patentansprüche: ' bare bistabile Ffip-Hop^chaltong mit zwei Sebalt- transistoren, deren Emitter am Schaitungsnullpunkt

1. Monolithisch integrierbare bistabile Flip- Hegen, deren Basen und Kollektoren jeweils über Flop-Sehaitung mit zwei Schalttransistoren, ins- S Kreuz miteinander verbunden sind und deren Kolbesondere für Frequenzteiler, deren Emitter am lektoreo Ober je einen Widerstand an Betriebsspan-Schaltungsnullpunkt liegen, deren Basen und nung angeschlossen sind

Kollektoren jeweils über Kreuz miteinander ver- Eine solche Flip-Flop-Schaltung ist in Fig. 1 dar-

bunden sind und deren Kollektoren Ober je einen gestellt, wobei die beiden Schalttransistoren mit Γ1

Widerstand an Betriebsspannung angeschlossen 10 und Γ2 und die* beiden Widerstände mit R1 und R 2

sind, dadurch gekennzeichnet, daß die bezeichnet sind. Es sei darauf hingewiesen, daß in

beiden Widerstände (Rl, £2) durch die Serien- Fig. 1 lediglich die für die beiden Schaltzustände

schattung eines einzigen an Betriebsspannung notwendigen Bauelemente gezeichnet sind, d. h., die

liegenden Arbeitswiderstandes (Ä) und eines zum Ansteuern dieser Flip-Flop-Schaltung nötigen

komplementären Zusatztransistors (Γ3) derart ss Bauelemente sind nicht dargestellt, da eine solche

ersetzt sind, daß der Emitter des Zusatztransistors Flip-Flop-SchaUung mit einer ganzen Reihe ver-

mit dem Arbeitswiderstand, der Kollektor des schiedenartiger Ansteuerschaltungen betrieben werden

Zusatztrati%,stors mit dem Kollektor des einen kann.