DE2027991B2

DE2027991B2 - Mehrstufige bistabile kippschaltung

Info

Publication number: DE2027991B2
Application number: DE19702027991
Authority: DE
Inventors: John Aldo Wappingers Falls N.Y. Palmieri (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-06-16
Filing date: 1970-06-06
Publication date: 1978-01-05
Also published as: CA935886A; US3610959A; FR2052339A5; JPS4934253B1; GB1303084A; DE2027991C3; DE2027991A1

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrstufige bistabile Kippschaltung mit aus über Kreuz rückgekoppelten NICHT-UND-Gliedern gebildeten Stufen, bei welcher zugeführte logische Signale in einer Eingangsstufe gespeichert und aufgrund eines Steuersignals in eine Ausgangsstufe übertragen werden, die ihrerseits unter dem Einfluß von Steuersignalen von den Eingangssignalen abhängige Ausgangssignale abgibt.

Bei der Durchführung von logischen Operationen, z. B. in einem digitalen Rechner, werden bistabile Kippschaltungen verwendet, die aus über Kreuz rückgekoppelten NICHT-UND-Gliedern (NAND-Gliedern) aufgebaut sein können. Derartige Schaltungen sind auch in mehrstufiger Ausbildung mit jeweils über Kreuz rückgekoppelten NICHT-UND-Gliedern bekannt. Bei diesen Schaltungen werden die zu einem bestimmten Zeitpunkt vorliegenden Eingangswerte

zunächst zwischengespeichert, um dann zu einem anderen geeigneten Zeitpunkt unter dem Einfluß eines Takt- oder Steuersignals an den Ausgang abgegeben zu werden. Eine Variante dieser mehrstufigen Kippschaltungen ist die »Master-Slave«-Konfiguration, wie sie z. B. aus der Firmenschrift »MECL Integrated Circuit Flip-Flop«, AN-266 von Motorola, Oktober 1966, Fig. 8, bekannt ist.

Schaltungen dieser Art sind in großen Mengen in den monolithischen integrierten Schaltungen enthalten, aus denen digitale Rechner aufgebaut sind. Bei diesen schaltungen ist man deshalb in außerordentlichem Maße bestrebt, die Anzahl der Schaltungskomponenten, die zur Ausführung einer bestimmten logischen Funktion erforderlich sind, zu reduzieren. Eine solche Verringerung der Bauelemente bewirkt eine Reduzierung der verbrauchten Energie und der damit verbundenen Probleme zur Abführung der entwickelten Wärme. Eine integrierte Schaltung kann bei gegebener Dichte der Schaltungselemente nut mit einer bestimmten Verlustleistung belastet werden. Gelingt es, die Gesamtzahl der Komponenten für eine bestimmte logische Funktion zu reduzieren, so kann eine größere Anzahl von Schaltungen auf dem die integrierte Schaltung aufnehmenden Halbleiterplättchen untergebracht werden. Dadurch werden die Kosten für diese Schaltungen erheblich gesenkt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Anzahl der Baulemente bei einer logischen Schaltung der eingangs genannten Art zu reduzieren und damit eine Schaltung mit verringerter Verlustleistung zu schaffen. Gleichzeitig soll eine Kostenreduzierung bei der Herstellung dieser Schaltung in monolithischer integrierter Technik erreicht werden. Schließlich soll auch erreicht werden, daß die in der Schaltung auftretende Verzögerungszeit verkürzt wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Schaltung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß den beiden über Kreuz rückgekoppelten NICHT-UND-Gliedern der Eingangsstufe jeweils ein ODER-Glied zugeordnet ist, das einen vom Ausgang der Stufe rückgekoppelten ersten Eingang und einen den jeweiligen Signaleingang bildenden, zweiten Eingang aufweist, und dessen Ausgang mit dem Ausgang des zugeordneten NICHT-UND-Gliedes in einem Knotenpunkt zusammengeführt ist, der den jeweiligen Signaleingang für die Ausgangsstufe bildet, und daß die NICHT-UND-Glieder einen gemeinsamen Eingang für ein Steuersignal aufweisen, durch welches die Übertragung der unmittelbar vor dem Auftreten des Steuersignals vorhandenen Schaltzustände auf die zweite Stufe steuerbar ist.

Vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Schaltung sind in den Merkmalen der Unteransprüche enthalten.

Die Erfindung wird anhand von durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 in einem schematischen Blockdiagramm eine bekannte Schaltung zur Ausführung der genannten logischen Funktionen,

Fig.2 ebenfalls in einem schematischen Blockdiagramm, ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung,

Fig. 3 ein ausführliches Schaltbild mit den einzelnen Bauelementen der in Fig. 2 dargestellten Schaltung, und

Fig. 4 in einem schematischen Blockdiagramm ein

weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung.

Die in Fig. 1 dargestellte und im folgenden erläuterte, bekannte Kippschaltung soll dazu dienen, die Unterschiede gegenüber den in den Fi_t~_;. 2, 3 und 4 -, dargestellten erfindungsgemäßen Schaltungen herauszuheben.

Bei der in Fig. 1 dargestellten, bekannten Schaltung werden die paarweisen, logischen Eingangssignale A. B und ein Steuersignal C den Eingängen 20, 22 und 24 zugeführt. An den Ausgängen 26 und 28 liegen die logischen Ausgangssignale A_AUsa und B_Ausa- Die Schaltung selbst ist aus den mit 30 bezeichneten NICHT-UND-Gliedern aufgebaut, die als Stromübernahmeschalter ausgebildet sind. Das Einstellsignal wird, ι wie üblich, dem EIN-Eingang 32 und das Rückstellsignal dem AUS-Eingang 34 zugeführt. Im Rückstellzustand der Kippschaltung befindet sich das Ausgangssignal A.-uisc am Anschluß 26 auf dem oberen Pegel oder im positiven Zustand und das Ausgangssign?¹ Bausg am Anschluß 28 auf dem unteren Pegel oder im negativen Zustand. Umgekehrt ist die Kippschaltung im EIN-Zustand, wenn das Ausgangssignal A_Ausc am Anschluß 26 im negativen Zustand oder auf dem unteren Pegel und das Ausgangssignal Bausg am Anschluß 28 im positiven Zustand oder auf dem oberen Pegel ist. Die in F i g. 1 dargestellte, bekannte Schaltung weist drei Stufen auf: Die Eingangsstufe 36, die Zwischenstufe 38 und die Ausgangssufe 40. Die Stufe 36 ist mit der Stufe 38 und die Stufe 38 ist mit der Stufe 40 jeweils durch κι Emitter-Folge-Schaltungen verbunden, die mit 42 bezeichnet sind. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die bekannte Schaltung drei Stufen mit einer Verzögerung und sechs Emitter-Folge-Schaltungen benötigt, um an den Ausgängen 26 und 28 die geforderte logische Funktion zu erhalten.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsmäßen Kippschaltung sind lediglich die beiden, eine Verzögerung bewirkenden Stufen 44 und 46 erforderlich. Ebenso bedeutsam ist es, daß nur vier 4» Emitter-Folge-Schaltungen 42 notwendig sind. In F i g. 2 und den folgenden Figuren sind einander entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.

Bei den in den Fig. 2 und 3 dargestellten, direkt gekoppelten Kippschaltungen werden dieselben, als -r> Stromübernahmeschalter ausgebildeten NICHT-UND-Glieder wie in Fig. 1 verwendet. Hinzu kommen ebenfalls als Stromübernahmeschalter ausgebildete ODER-Glieder. Die logischen Eingangssignale A, B werden an die Eingänge 52 und 54 angelegt. Dem Eingang 56 wird das Eingangssteuersignal C zugeführt. Die Eingänge sind mit der ersten Stufe 44 verbunden. Diese Stufe enthält in ihrem oberen Teil die Stromübernahmeschalter 58 und 60 und in ihrem unteren Teil die Stromübernahmeschalter 62 und 64. Die NICHT-UND-Glieder 60 und 62 sind an ihrem Ausgang durch ein Dreieck gekennzeichnet, das bei den ODER-Gliedern 58 und 64 fehlt. Die Stromübernahmeschalter 68 und 60 sind im Knotenpunkt 66 und die Stromübernahmeschalter 62 und 64 sind im Knoten- ω punkt 68 zusammengeschaltet. Die zweite Stufe 46 besteht aus zwei über Kreuz rückgekoppelten NICHT-UND-Schaltern 70 und 71, deren Verbindungsleitungen mit 72 und 74 bezeichnet sind. Dem NICHT-UND-Glied 70 wird über die Leitung 78 ein Rückstellsignal und dem NICHT-UND-Glied 71 wird über die Leitung 80 ein Einstellsignal zugeführt. Die logischen Ausgangssignale A.Misc, und Bavsc werden von den Anschlüssen 84 bzw. 86 abgenommen. Die mit 42 bezeichneten Emitter-Folge-Schalteungen verbinden die erste Stufe 44 mit der zweiten Stufe 46 sowie die Ausgänge der zweiten Stufe 46 mit den Anschlüssen 84 und 86.

Die Schaltung ist im einzelnen in F i g. 3 dargestellt. Da die hierin vorkommenden NICHT-UND-Glieder und ODER-Glieder einander entsprechen, wird lediglich ein einzelnes NICHT-UND-Glied und ein einzelnes ODER-Glied beschrieben. Die übrigen Schaltungen unterscheiden sich hiervon lediglich durch die Anzahl der Eingangsschalttransistoren. Das ODER-Glied 58 ist als Stromübernahmeschalter ausgebildet mit dem Schalttranistoren 90 und 92, die an ihren Basisanschlüssen 94 und 96 logische Signale erhalten. Die Emitteranschlüsse 100 und 102 dieser Transistoren sind mit der gemeinsamen Emitterausgangsleitung 104 verbunden, die dem Bezugs- oder Übertragungstransistor 105 führt. Die Kollektoren 106 und 108 sind mit der Kollektorausgangsschaltung 110 verbunden, die beim ODER-Glied an Masse liegt.

Das NICHT-UND-Glied 60 enthält die Schalttransistoren 116 und 118, deren Emitter 120 und 122 mit der gemeinsamen Emittrausgangsleitung 124 verbunden sind. Die Leitung 124 führt zum Übertragungstransistor 128, dessen Basisanschluß mit der Bezugsspannung Vr beaufschlagt ist und dessen Kollektoranschluß geerdet ist. Die Kollektoren der Transistoren 116 und 118 sind mit der gemeinsamen Kollektorleitung 132 verbunden. Die Kollektorleitung 132 des NICHT-UND-Gliedes 60 und die Kollektorleitung des Transistors 105 des ODER-Gliedes 58 sind im Knotenpunkt 6b zusammengeführt.

Der Knotenpunkt 66 ist ferner mit einer Begrenzerschaltung verbunden, die aus dem Transistor 138 und den Vorspannungswiderständen 140 und 142 besteht. Diese Schaltung hält die Transistoren 116 und 118 außerhalb der Sättigung. Wenn ein Eingangssignal an einem oder mehreren der Basiseingängen der Transistoren 116 oder 118 auf den oberen Pegel umschaltet, oder wenn die Basiseingänge der Transistoren 90 und 92 in den unteren Pegel umschalten, beginnt durch die Widerstände 140 und 142 Strom zu fließen, so daß am Knotenpunkt 66 ein Abfallen des Potentials auftritt. Dieses Potential am Knotenpunkt 66 kann jedoch nicht unter den Wert an den Basisanschlüssen der Schalttransistoren absinken, da schließlich der Spannungsabfall am Widerstand 142 die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 138 in Vorwärtsrichtung schaltet. Der Transistor 138 ist soweit vorgespannt, daß er in einen Bereich gelangt, in welchem sein Emitter für den Knotenpunkt 66 einen extrem niederen Widerstand darstellt. Auf diese Weise wird das Potential am Knotenpunkt 66 dran gehindert, unter einen bestimmten Wert abzusinken.

Die Stromübernahmeschalter 58 und 60 arbeiten in bekannter Weise derart, daß der Strom, der durch die von den Widerständen 107 bzw. 143 und den damit verbundenen Spannungsqueilen V gebildeten Stromquellen geliefert wird, entweder durch den Übertragungstransistor 105 oder durch die Schalttransistoren 90, 92 bzw. durch den Übertragungstransistor 128 oder durch die Schalttransistoren 116,118 geleitet wird.

Die zweite Stufe der Kippschaltung, die durch die über Kreuz rückgekoppelten NICHT-UND-Glieder 70 und /1 gebildet wird, ist über zwei Emitter-Folge-Schaltungen 42 mit den Knotenpunkten 66 und 68 der ersten Stufe verbunden.

Die in F i g. 4 dargestellte Schaltung ist aus denselben Elementen wie die Schaltung der F i ε. 2 aufgebaut mit

Ausnahme der Anordnung der Leitungen für die Einstell- und Rückstellsignale. Ihre Wirkungsweise entspricht der in Fig.2 dargestellten Schaltung. In Fig.4 sind die Rückstell-Leitung 160 und die Einstell-Leitung 162 ebenso wie in den F i g. 2 und 3 mit der ·-> zweiten Stufe 164 verbunden. Ferner ist eine Verbindung zur Eingangsstufe 165 vorhanden. Im einzelnen ist die Rückstell-Leitung 160 mit den Stromübernahmeschaltern 58' und 62' und die Einstell-Leitung 162 mit den Stromübernahmeschaltern 60' und 64' verbunden. In Fig.4 sind der Fig.2 entsprechende Elemente mit denselben Nummern bezeichnet.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der Schaltung beschrieben. Die in Fig.2 dargestellte Kippschaltung erzeugt Ausgangssignale auf den Leitungen 84 und 86 nur dann, wenn infolge eines Eingangssteuerimpulses C am Anschluß 56 ein negativer Übergang auftritt.

Das Ausgangssignal Aausg auf der Leitung 84 nimmt sodann einen dem Eingangssignal A auf der Leitung 52 entsprechenden Zustand an. Ebenso nimmt das Ausgangssignal Bausg auf der Leitung 86 einen dem Eingangssignal B auf der Leitung 54 entsprechenden Zustand an. Die Zustände der Ausgangssignale entsprechen denjenigen Zuständen der Eingangssignale, die unmittelbar vor dem negativen Übergang des Signals C 2^r> auf der Leitung 56 auf den Eingangsleitungen existieren. In diesem Ausführungsbeispiel ist es notwendig, daß die Signalpegel der A und B zueinander orthogonal sind. Das heißt, daß sich ein logischer Eingangspegel gegenüber dem anderen logischen Eingangspegel im jo entgegengesetzten Zustand befindet. Durch diese geforderte Orthogonalität der Eingangssignale wird jedoch die Anwendungsmöglichkeit der Schaltung nicht merkbar eingeschränkt, da bei einer Verwendung dieser Schalter in einem Schieberegister oder in einer r-> taktgebenden Ringschaltung die Signale A und Simmer zueinander invers sind. Bei Verwendung in einem Zähler ist die Ausgangsleitung 86 mit der Eingangsleitung 52 und die Ausgangsleitung 84 mit der Eingangsleitung 54 der nächsten Kippschaltung verbunden, wodurch die Orthogonalität zwischen den Signalen A und B sichergestellt ist. Bei dieser Betriebsweise ändern die Signale auf den Leitungen 84 und 86 bei jedem negativen Übergang am Eingang 56 ihren Zustand.

Die Rückstell- und Einstell-Leitungen 78 und 80 werden normalerweise im negativen oder positiven Zustand gehalten. Wenn der Eingang 56 auf dem oberen Pegel oder im logischen L-Zustand ist, bewirkt ein logischer L-Einstellimpuls, daß das /4/tiysc-Ausgangssignal auf der Leitung 84 auf dem unteren Pegel ist, und daß so das S,u«c-Ausgangssignal auf der Leitung 86 auf dem oberen Pegel ist. Ein logischer L-Rückstellimpuls schaltet das S^usc-Ausgangssignal auf den tiefen Pegel und das /4/ius/i-Au5gangssignal auf den oberen Pegel um. Wenn das Eingangssteuersignal C auf dem oberen Pegel ist, befindet sich die Schaltung im Sperrbetrieb. Während dieses Sperrbetriebes haben Änderungen an den Eingängen 52 und 54 keine Auswirkung auf die Zustände der Ausgangssignale Aausc oder Bavsc, auf den Leitungen 84 und 86. Der logische Ausdruck für das t>o Eingangssignal, das von der Stufe 44 dem NICHT-UND-Clied 70 der zweiten Stufe zugeführt wird ist gegeben durch die Gleichung:

F=(A₊F)- (OTT).

Das F-Signal wird der zweiten Stufe 70 über die Leitung 170 zugeführt. Das logische Signal, das dem NICHT-UND-GIied 71 über die Leitung 172 von der ersten Stufe zugeführt wird ist gegeben durch die Gleichung:

E-(B + E)- (C + F).

Der Boolesche Ausdruck für die Ausgangssignale als Funktion von R, S, F, E, Aausc: und Bausg ist gegeben durch die Gleichungen:

A„ = S + E + B_ound B₁, = R + F + Ao

Darin bedeuten R= Rückstellsignal, S= Einstellsignal, Au=Aausg, Bo — Bausg-

Die verschiedenen Signalpegel der an den Eingängen der zweiten Stufe liegenden E- und F-Signale in Abhängigkeit von den verschiedenen Zuständen der A-, B-, C-Signale sind in der folgenden Tabelle dargestellt.

Tabelle der logischen Werte

Vorhergehender EF-Wert
00 01 10 11

A	B	C	Resultierender	01	EF-Wert	00
0	0	0	00	00	10	00
0	0	1	00	01	00	00
0	1	0	10	00	10	00
0	1	1	00	01	00	00
1	1	0	11	00	10	00
1	1 "	1	00	01	00	00
1	0	0	01	00	10	00
1	0	1	00	00

Bei der in Fig.4 dargestellten Schaltung sind die Verbindungen gegenüber der in F i g. 2 dargestellten Schaltung etwa modifiziert, derart, daß die Rückstell- und Einstell-Leitungen logisch so verknüpft sind, daß das Eingangssignal am NICHT-UND-Glied 60' oder 62' positiv oder auf dem oberen Pegel ist während der Zeit, in welcher das C-Eingangssignal auf der Leitung 56' auf den unteren Pegel geschaltet ist. Dadurch werden die in der Tabelle aufgeführten Zuständen, bei denen unter Vernachlässigung der Orthogonalität beide Eingangssignale A und S auf dem oberen Pegel sind, eliminiert. Im Rückstellzustand der dargestellten Kippschaltung befindet sich das /4,4usG-Ausgangssignal auf der Leitung 84' im positiven und das Bausg-Ausgangssignal auf der Leitung 86' im negativen Zustand. Umgekehrt befindet sich die Kippschaltung im EIN-Zustand, wenn das auf der Leitung 84' negativ und das auf der Leitung 86' positiv ist. Da die logischen Verknüpfungen dieser Kippschaltung symmetrisch sind, wird nur die Rückstellfunktion beschrieben. Die Einstellfunktion hat dieselbe Logik mit dem einzigen Unterschied, daß die Ausgangssignale auf den Leitungen 84' und 86' im entgegengesetzten Zustand sind. Für das richtige Arbeiten der Schaltung ist es erforderlich, daß die Rückstell- und Einstellsignale aul den Leitungen 160 und 162 niemals gleichzeitig auftreten.

Das Rückstellsignal, das sich normalerweise im negativen Zustand befindet, wird sowohl der erster Stufe 165 als auch der zweiten Stufe 164 zugeführt. Im negativen Zustand hat das Rückstellsignal keinen Einfluß auf die Schaltung, so daß die Zustände dei Ausgänge allein durch die Zustände der Eingangsleitungen 52', 56', 54' und 162 bestimmt ist. Durch diese Verbindung mit der ersten und zweiten Stufe wird sichergestellt, daß das Eingangssignal, das an der

Gliedern 58' und 62' über die Leitung 160 angelegt wird, während des Rückstellzustandes stets positiv ist. Mit anderen Worten wird durch diese Verbindung sichergestellt, daß ein positives Rückstellsignal die Zustände an den Ausgangsleitungen 84' und 86' der Kippschaltung in jedem Falle beeinflußt. Damit ist bei allen Kombinationen von Eingangszuständen der A-, B- und C-Signale

das Rückstellsignal der steuernde Faktor. Die A C-Signal haben keinen Einfluß auf die Kippscha das Rückstellsignal entfernt ist und die
Steuerung der Kippschaltung wieder aufge wird unter Steuerung des Zustandes der Signal« Leitungen 52', 54' und 56'.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrstufige bistabile Kippschaltung mit aus über Kreuz rückgekoppelten NICHT-UN D-Gliedern gebildeten Stufen, bei welcher zugeführte logische Signale in einer Eingangsstufe gespeichert und aufgrund eines Steuersignals in eine Ausgangsstufe übertragen werden, die ihrerseits unter dem Einfluß von Steuersignalen von den Eingangssignalen abhängige Ausgangssignale abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden über Kreuz rückgekoppelten NICHT-UND-Gliedern (60, 62) der Eingangsstufe (44) jeweils ein ODER-Glied (58, 64) zugeordnet ist, das einen vom Ausgang der Stufe rückgekoppelten ersten Eingang und einen den jeweiligen Signaleingang (A, B) bildenden, zweiten Eingang (52, 54) aufweist, und dessen Ausgang mit dem Ausgang des zugeordeneten NICHT-UND-Gliedes in einem Knotenpunkt (66,68) zusammengeführt ist, der den jeweiligen Signaleingang (E, F) für die Ausgangsstufe (46) bildet, und daß die NICHT-UND-Glieder (60, 62) einen gemeinsamen Eingang (56) für ein Steuersignal (C) aufweisen, durch welches die Übertragung der unmittelbar vor dem Aufreten des Steuersignals (C) vorhandenen Schaltzustände auf die zweite Stufe steuerbar ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Schaltung bildenden NICHT-UND-Glieder (60,62,70,71) und ODER-Glieder (58, 64) als Stromübernahmeschalter ausgebildet sind, deren über ihre Basisanschlüsse ansteuerbare Schalttransistoren (90, 92 bzw. 116, 118) eine gemeinsame Kollektorleitung (110 bzw. 132) und eine mit einer konstanten Stromquelle (107, B bzw. 143, V) verbundene, gemeinsame Emitterleitung (104 bzw. 124) aufweisen.

3. Schaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterausgangsleitungen (104) der als ODER-Glieder ausgebildeten Stromübernahmeschalter (58,64) und d'is Kollektorausgangsleitungen (132) der jeweils zugeordneten, als NICHT-UND-Glieder ausgebildeten Stroinübernahmeschalter (60, 62) in Knotenpunkten (66, 68) zusammengeführt sind, die über Verstärker (42) mit den Signaleingängen (E, F) der zweiten Stufe (46) verbunden sind.