DE2023290C - Monolithisch integrierbare Flipflop-Schaltung - Google Patents

Description

% Die Erfindung betrifft eine monolithisch intcgrierbarc bistabile Flipflop-Scluiltung, bestehend aus einer *Haup₍l-Flipflop-Stufe und einer Hilfs«Flipllop-S:ul'e, die je zwei Transistoren enthalten, deren Busen und *, Kollektoren über Kreuz verschallet sind und deren S \\ Kollektoren Über je einen Arbeltswiderstand an Be- ' tricbksspanung liegen, wobei die Emitter der Transistoren der Huupt-Flipflop-Stufe am Schultungsnullpuiikl angeschlossen sind.

Üblicherweise sind die Haupt- und Hilfs-Flipllop- jo Stufen solcher Flipflop-Schaltungen unter- und miteinunder über ohmsche Widerstünde verbunden (vgl. deutsche Auslegeschrift I 270 102. Soll eine solche bistiibilc Flipflop-Schallung monolithisch integriert wer-. den so sind die zahlreichen in der Schallung enthaltenen ohmschcn Widerstünde bei der Integrierung in der Weise hinderlich, daß sie auf Grund ihres hohen Widerstundswertes eine beträchtliche KristalUlüche beanspruchen. Sollen solche bistabile Flipllop-Schallungcn außerdem im Hinblick auf möglichst geringe ao Stromabnahme, wie dies von manchen Anwendungsl'ällen gefordert wird, ausgelegt werden, so läßt sich diese Forderung bei vorgegebener Betriebsspannung nur dadurch verwirklichen, daß die Kollektorwiderstände der Haupt- und Hilfs-Flipflop-Stufen mög- as liehst hochohmig gemacht werden. Der Widerstandsund somit Flächcnbcdarf steigt dabei noch weiter an. Man ist daher bestrebt, bei monolithischer Integrierung der eingangs erwähnten bistabilen Flipflop-Schallung die Anzahl der benötigten ohmschen Widerstände erheblich /u verringern.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die eingangs näher gekennzeichnete bistabile Flipflop-Schaltung so auszubilden, daß deren Widerstandsbedarf wesentlich verringert ist. Dies wird erfindungsgcmäß dadurch erreicht, daß die Basen und Kollektoren der über Kreuz verschalteten Transistoren der Haupt-Flipflop-Stufc und der Hilfs-Flip-Πορ-Stufc in an sich bekannter Weise direkt und galvanisch miteinander verbunden sind, daß die Transistoren jeder Hälfte der Haupt-Flipflop-Stufe mit den Transistoren der entsprechenden Hälfte der Hilfs-Flipflop-Stufe über je einen Koppeltransistor derart miteinander verbunden sind, daß dessen Kollektor am Kollektor des zugehörigen Haupt-Flipflop-Transistors und dessen Basis an der Basis des zugehörigen Hilfs-Flipflop-Transistors angeschlossen ist, daß die Emitter der Hilfs-Fiipflop-Transistoren und die Emitter der Koppeltransisloren mile^:n-.indcr verbunden sind und daß die Steuerimpulse den miteinander verbundenen Emittern der Koppsltransistoren und Hilfs-Flipflop-Transistoren zugeführt sind.

Die erfindungsgemäße monolithisch intccricrbare bistabile Flipflop-Schaltung wird nun an Hand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung;

Fig. 2 zeigt drei in der crlindungsgemaßen Schaltung meßbare Spannungsvcrläufe.

Die in Fig. I gezeigte bistabile Flipfltip-Schaltung besteht aus den Transistoren 7'1 und 72, die die Haupt-Flipflop-Stufe bilden, den Transistoren 7'3 und 7'4, die die Hilfs-Flipflop-Stufc bilden, und den Koppeltransistoren 7'5 und 76, die Haupt- und Hilfs-Flipllop-SUife miteinander verbinden. Die KoI-lcktort.'ii der Transistoren von Haupt- und Hilfs-Flipi: sind über die Arbeitswiderstände Rl, R2, Λ 3, /<4 mit der Betriebsspannung U_n verbunden. Es sei hervorgehoben, daß zwar Üblicherweise diese vier Widerstünde denselben Wldersiandswert haben können. Es ist jedoch für ein optimales Arbeiten, insbesondere bei geringen Strömen und Spannungen, vorteilhaft, wenn sich der Widerstandswert der Arbeitswlderslilnde Rl und Rl der Haupl-Flipflop-Stufe vom Widerstandswert der Arbeilswidersülnde Λ 3 und /?4 der Hilfs-Flipflop-Stufe unterscheiden. Vorzugsweise sind die Widerstandswerte der Haupt-Flipflop-Sttife kleiner als die Widerstandswerte der Hilfs-Flipflop-Stufe.

Die Basen und Kollektoren der Haupt-Flipflop-Transistoren 71 und 72 sind nach einem Merkmal der Erfindung über Kreuz gnlvanisch direkt miteinander verbunden, so daß die in diesen Verbindungen üblicherweise vorhandenen ohmschen Widerstände entfallen. Ebenso sind die Basen und Kollektoren der Hilfs-Flipflop-Transistoren 73 und 74 über Kreuz galvanisch direkt miteinander verbunden. Die Emitter der Haupt-Flipflop-Transistoren 71 und 72 sind miteinander verbunden und liegen am Schaltungsnullpunkt. Die Emitter der Hilfs-Flipflop-Transistoren 73 und 74 sind ebenfalls miteinander verbunden und liegen am Steucreingang E.

Der Kollektor des Koppeltransistors 75 ist am Kollektor des Haupt-Flipflop-Transistors 71 angeschlossen, während seine Basis-Emittcrstrccke der Basis-Emitterstreeke des Ililfs-Flipflop-Transistors 73 parallel geschallet ist. In gleicher Weise ist der Koppeltransistor 76 mit dem Haupt-Fliprlop-Transistor72 und dem Hilfs-Flipflop-Transistor 74 verschaltet. Somit sind die Emitter der Hilfs-Flipflop-Transisioren Γ3 und 74 und der Koppeltransistoren 75 und 76 miteinander verbunden. Diesem gemeinsamen Verbindungspunkt werden nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die EiiiRangsimpulse zugeführt, d. h., dieser gemeinsame Verbindungspunkt ist identisch mit dem Steuereinang E. Die Ausgangsimpulse können an einem der beiden Kollektoren der Haupt-Flipflop-Transistoren 71 und 72 abgenommen werden; im Beispiel der Fig. 1 ist der Impulsausgang A gezeigt, der am Kollektor des Haupt-Flip-Πορ-Transistors 72 liegt.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgcmiißen bistabilen Flipflop-Schaltung, die nun im folgenden unter Heranziehung der Kurvenbilder der F i g. 2 erfolgen soll, sei angenommen, daß sich die Schaltung in demjenigen Schaltzustand befinde, bei dem der Haupt-Flipflop-Transistor 71 durchgesteuert und demzufolge der Haupt-Flipflop-Transistor 72 gesperrt ist. Das am Steuereingang E anliegende rcchteckförmige Eingangssignal habe den mit U₁: bezeichneten Spannungsvcrlauf und beispielsweise eine Amplitude von etwa 0,7 V. Für die Zwecke der Erläuterung wird vereinfacht angenommen, daß die Flußspannungen sämtlicher pn-Übergänge der Transistoren 0,6 V und die Sättigungsspannung der durchgestcuertcn Transistoren bei den in Betracht zu ziehenden Kollektorströmen 0,1V betraut.

Unter diesen Voraussetzungen beträgt die Spannung am Kollektor des durchgesteuerten Haupt-Flipllop-Transistors 71, die identisch ist. mit der Spannung I/_f; am Punkt C, 0,1V, wohingegen die Spannung am Kollektor des gesperrten Haupt-Flip-Ilop-Transistors Tl 0,6 V beträgt. Da, wie schon gesagt, die Eingangsspannung rund 0,7 V beträgt, He- >

gun ttm gemeinsamen Basisanschluß von Hilfs-Fllp-Ilop-Translstür 73 und Koppeltrunslstor 7'5 etwa 0,7 V, die sich aus dor SUttigungsspannung des Haupt-Flipflop-Translstors TI von 0,1V und der Kollektor-Basis-FUißspannting des Koppfltninsistors TS von 0,6 V zusammensetzt, Dadurch ist der Hilfs-Flipflop-Tninsisinr /'3 zwanglUullg gesperrt, da an seinem Emitter 0,7 V und an seiner Basis ebenfalls nur 0,7 V anliegen. Auf Grund der kreuzweisen Verkopplung der Hllfs-FIipflup-Translsioren is.t somit der Hilis-Flipilop-Transistor 7'4 durchgestcuert und damit auch der ihm mit seiner Biisis-Emitterstreeke pai ausgeschaltete Koppeltransislor 76.

Auf Grund der Tatsache, daß die Bnsis-Kolleklor-Strecke der Koppultransislorcn zeitweise in Flugrichtung, also die Transistoren invers betrieben werden, ist es vorteilhaft, wenn man hierfür Exemplare oder monolithische Transistorstrukturen mil kleiner inverser Stromverstärkung einsetzt, damit bei inversem Betrieb möglichst wanig Strom zum Emitter fließt.

Gelangt nun die Rückflanke de:; Eingangssignals zur Wirkung, d. h. verringert sich die Amplitude des Eingangssignal von 0,7 V auf 0 V₁ so bleibt der Schaltzustand der Hilfs-Fliptiop-Stufe zunächst erhallen, d. h., die Transistoren 7'3 und 7'S bleiben weiter gesperrt und die Transistoren 7'4 und 7'6 clurchgesteuert.

Da der Koppeltransistor 76 durchgesteuert ist, schließt er die Kollektor-Lmitter-Strecke des bisher gesperrten Haupt-Flipflop-Transislors 7'2 praktisch kurz. Damit kippt jedoch die Haupt-FlipHop-Slufc von ihrem bisherigen stabilen Zustand in den anderen stabilen Zustand um, bei dem der Haupt-Flipllop-Transislor 72 durehgesteuert und der Haupt-Flip-Ilop-Transistor T\ gesperrt ist. Die Spannung LJ_(: am Kollektor C des Transistors Tl steigt daher an, was der ersten im Verlauf des Kurvenzuges U_(: gezeichneten Anstiegsflanke entspricht. Der Kollektor des Haupt-Flipflop-Transistors Tl hat nun eine Spannung von 0,1 V, ebenso der Kollektor des Koppeltransistors T 6.

. Steigt das Eingangssignal nun wiederum an, d. h. beginnt also der zweite Eingangsimpuls, so wird die Kollektor-Basisdiode des Koppeltransistors 76 leitend und hält somit die Basis des Hilfs-Flipflop-Transistors Γ4 auf 0,7 V (= Eingangssignal -f- KoI-lektor-Basis-Flußspannung von Transistor T6). Dadurch wird aber der Hilfs-Flipflop-Transistor T4 gesperrt, was wegen der kreuzweisen Verkopplung dazu führt, daß der Hilfs-Flipflop-Transislor 73 durchsteuert und somit auch der Koppeh.-ansistor TS durchgesleuert wird. Somit ist aber die gesamte bistabile Flipflop-Schaltung vom ursprünglichen Schaltzustand in den anderen Schaltzustand übergegangen. Beim nächsten beginnenden Einganysimpuls läuft, ausgehend vom jetzt durehgesteuerlen Haupt-Flipllop-Transistor 72, ein dem eben beschriebenen entsprechender Halbzyklus ab.

Der in Fig. 2 gezeigte Kurvenverlauf U_n läßt den Umschallzyklus und seine eben beschriebenen einzelnen Phasen erkennen. Der Kurvcnverlauf U_n gibt die Spannung am Punkt D wieder, der identisch mit dem Kollektor des Hilfs-Flipflop-Transistors 73 und der Basis des Hilfs-Flipliop-Transistors 74 ist. Die Kurvenabschnittc 1 bis 4 entsprechen den im folgenden angegebenen Spannungen, die jeweils vom Schaltungsnullpunkt aus gemessen sind.

Kurvcnabschniul: Eingangsspunnung t/«(~ 0,7V) H- Basis-Emitter-Flußspannung des Transistors T4, insgesamt also 1,3 V,
Kurvenabschnitt 2: Eingangsspannung ίλ; (= OV)

,5 -I- Basis-Emitter-Flußspannung des Transistors ?'4, insgesamt also 0,6 V,

Kurvenabschnllt 3: Kollektorbasis-Flußspannung von Transistor T6 t SUttigungsspannung von Transistor T2, insgesamt also 0,7 V,

ίο Kurvenabschnitt 4: Eingangsspannung U_l{ (= OV) I SUttigungsspannung von Transistor T3. insgesamt also 0,1 V.

Es sei darauf hingewiesen, daß die hier zur Erklärung der Wirkungsweise angenommenen Spannungs-

werte, insbesondere die Amplitude der Eingangsspannung in Grenzen auch höher oder niedriger liegen können, ohne daß dadurch die Betriebssicherheit der Schaltung leidet. Als Grenzen haben sich ± 50¹Vo der Amplitude des Ausgungssignals der Flipfiop-

ao Schaltung als vorteilhaft erwiesen.

Ist der Widerstandswert der einzelnen Arbeitswiderstände in bestimmten Anwendungsfällen für die Inlegrierung immer noch zu groß, so können diese Widerstände nach einer Weiterbildung der Erfindung auch durch von Transistoren gebildete Konstantstromquellen ersetzt werden. Hierbei ist es möglich, enlsprechend der oben geschilderten Ausbildung mit unterschiedlichen Widerstandswerten der Arbeitswiderstände die Konstantslromquellen mit unter- schiedlich eingestelltem Strom zu betreiben.

Die erfindungsgemäße Flipllop-Schaltung ist mit sehr geringen Strömen in der Größenordnung einiger JiA und bei niedriger Betriebsspannung von etwa 1 V aufwäits einsetzbar. So wurde eine erfindungsgemäß aufgebaute Flipflop-Schaltung mit Arbeitswiderständen in der Größenordnung von einigen MOhm [R 1 und R2 ■--■= 2,2 MOhm, R3 und R4 - 3,9 MOhm) bei 1,3 V betrieben. Die gesamte Schaltung nimmt hierbei einen Dauerstrom von etwa 2 μΑ auf. Auf Grund dieser Eigenschaften ist die erfindungsgemäße Flipflop-Schaltung besonders dazu geeignet, als Grundglied einer binären Frequenzteilerkette, beispielsweise für quarzgesteuerte Uhren verwendet zu werden. Hierbei kann die gesamte Frequenzteilerkette aus einzelnen erfindungsgemäßen Flipflop-Schallungen zusammengesetzt sein. Andererseits ist es jedoch auch möglich, nur einen Teil der Grundglieder der Frequenzteilerkette mit der erfindungsgemäßen Flipflop-Schaltung zu bestücken, während die restlichen Grundglieder eine andere Grundschaltung besitzen, so daß die Art der verwendeten Grundschaltung der Eingangspulsfrequenz der jeweiligen Frequenzteilerstufe optimal angepaßt werden kann.

Die bei der Hintereinanderschaltung der erfindungsgemäßen FlipHop-Schaltungen zu einer Frcquenzteilerkette auftretende gegenseitige Belastung führt trotz symmetrische Dimensionierung zu einer geringen Unsymmetrie. Diese kann jedoch vorteilhaft durch entsprechende gegensinnige Bemessung der Arbeitswiderstände kompensiert werden.

Die crfindimgsgemiilk Flipllop-Schaltung hat sich besonders bei monolithischer Integrierung einer Frequenzteilerkette in einem Siliciumkristall bewährt. Mit der Flipflop-Schallung nach der Erfindung ist es möglich, beispielsweise eine vierzehnstufige Frequenzteilerkette in einem einzigen Siliciumkristall von wenigen Quadratmillimetern Größe unterzubringen, so daß eine solche Frequcnzteilerkettc auch

im Gehäuse von Armbanduhren leicht untergebracht werden kann.

Die erfindungsgemäße Flipflop-Schaltung kann aber nicht nur für Uhrenfrequenzteiler verwendet werden, sondern es ist auch möglich, sie zum Beispiel 5 für Frequenzteiler von elektronischen Orgeln zu verwenden, und sie kann selbstverständlich auch als Grundbaustein von Zählern, Schieberegistern, Zuordnern und Speichern dienen, die in elektronischen Rechenautomaten Verwendung finden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß keine Kondensatoren benötigt werden, die bei monolithischer Integrierung ebenfalls große Kristallflächen beanspruchen.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Monolithisch integrierbare Flipflop-Schaltung, bestehend aus einer Haupt-Flipflop-Stufe und einer Hilfs-Flipflop-Stufe, die jeweils zwei Transistoren enthalten, deren Basen und Kollektoren über Kreuz verschaltet sind und deren Kollektoren über je einen Arbeitswiderstand an Betriebsspannung liegen, wobei der Emitter der Transistoren der Haupt-Flipflop-Stufe am Schaltungsnullpunkt angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen und Kollektoren der über Kreuz, verschalteten Transistoren der Haupt-Flipflop-Stufe (Tl, T2) und der Hilfs-Flipflop-Stufe (73, T4) in an sich bekannter Weise jeweils direkt und galvanisch miteinander verbunden sind, daß die Transistoren (Γ1; T 2) jeder Hälfte der Haupt-Flipflop-Stufe mit den Transistoren (73; Γ4) der entsprechenden Hälfte der Hilfs-Flipfiop-Stufe über je einen Koppeltransistor (75; 76) derart miteinander verbunden sind, daß deren Kollektor am Kollektor des zugehörigen Haupt-Flipflop-Transistors (Tl; Tl) und deren Basis an der Basis des zugehörigen Hilfs-FIipflop-Transistors (73; 74) angeschlossen ist, daß der Emitter der Hilfs-Flipflop-Transistoren (T 3, 74) und die Emitter der Koppeltransistoren (75, 76) miteinander verbunden sind, und daß die Steuerimpulse als Eingangssignale den miteinander verbundenen Emittern der Koppeltransistoren und Hilfs-Flipflop-Transistoren zugeführt sind.

2. Flipflop-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Koppeltransistoren (Γ5, T 6) niedrige inverse Stromverstärkung aufweisen.

3. Flipflop-Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert der Arbeitswiderstände (Rl, R 2) der Haupt-FHpflop-Transistoren von dem der Arbeitswiderstände (R3, R4) der Hilfs-Flipflop-Transistoren abweicht.

4. Flipflop-Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert der Arbeitswiderstände (R3, R4) der Haupt-Flipflop-Stufe kleiner ist als der Widerstandswert der Arbeitswiderstände (Al, R2) der Hilfs-Flipfiop-Stufe.

5. Flipfiop-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitswiderstände durch von Transistoren gebildete Konstantslromqucllcn ersetzt sind.

6. Flipfiop-Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche konstante Ströme eingestellt sind.

7. Verfahren zum Betrieb der Flipflop-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Eingangssignals um weniger als +50% von der Amplitude des erzeugten Ausgangssignals der Flipfiop-Schaltung abweicht.

8. Verwendung der Flipfiop-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Grundglied einer Frequenzteilerkette, wobei als Eingangssignal der einzelnen Flipflop-Schaltungen das Ausgangssignal der vorhergehenden Flipflop-Schaltung dient.

9. Verwendung der Flipflop-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als mindestens eine Stufe einer Frcquenzteilerkette mit Stufen unterschiedlicher Grundschaltung.

10. Frequenzteilerkette nach Anspruch S oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Flipflop-Schaltungen in einem gemeinsamen SiIiciumkristall monolithisch integriert sind.

11. Flipflop-Schaltung nach einem der An sprüche 1 bis 7 zur Verwendung in einer Frequenzteilerkette nach einem der Ansprüche ί bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Belastung mit der nachfolgenden Flipflop Schaltung hervorgerufenen Unsymmetrie durcl gegensinnig unterschiedliche Bemessung der Arbeitswiderstände oder der Ströme der Konstantstromquellen kompensiert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

2404