DE2054897A1

DE2054897A1 - Spannungsveranderhches Taktgeber system

Info

Publication number: DE2054897A1
Application number: DE19702054897
Authority: DE
Inventors: James R Perryville Spann John C Baltimore Hudson, Md (V St A )
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1969-11-18
Filing date: 1970-11-07
Publication date: 1971-05-27
Also published as: GB1286180A; US3590280A; JPS502337B1; FR2069620A5

Description

DIPL.-ΙΝΘ. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9

.Düsseldorf, 5, Nov. 1970

39,517
7098

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., W St. A,

Spannungsveränderliches Taktgebersystem

. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf digitale mehrphasige Taktgebersysteme, insbesondere für die Abgabe einer Mehrzahl im Verhältnis zueinander synchronisierter Signale, Die Erfindung erstreckt sich dabei weiter auf ferngesteuerte veränderliche Taktgebersysteme mit auf monolithischen Halbleitersubstraten hergestellten integrierten Schaltkreisen, so daß zuverlässig arbeitende, gedrängt aufgebaute Schaltungsanordnungen niedriger Herstellungskosten zur Verfügung stehen. Darüber hinaus bezieht die Erfindung sich auf elektronische Schaltungsanordnungen mit als MOSFET-Transistoren bekannten Halbleiterschaltelementen,

Emittergekoppelte und auf Strombasis arbeitende Logische Schaltkreise sind allgemein beispielsweise aus "The Integrated Circuit Data Book" von Motorola Semiconductor Products, Ine», 1968, S. 10-3 bis 10-5 bekannt. Darüber hinaus zeigen die Seiten 10-16 und 10-17 eine Leitungs-Treiberstufe und ein J-K Flip-Flop, die entsprechend emittergekoppelten und auf Strombasis arbeitenden Logischen Schaltungen aufgebaut sind, die als die MECL-Gruppe unter den monolithischen integrierten Schaltungen bezeichnet werden.

109822/2037

Diese Schaltungen verwenden Transistoren, die im ungesättigten Bereich arbeiten, wobei ein typischer Spannungssprung zwischen einer logischen "O" und einer logischen "1" in der Größenordnung von 0,75 V liegt. Das J-K Flip-Flop ist außerdem in der US-Patentschrift 3,444,395 - P. B. Foster et al - erläutert. Mit dieser Gruppe integrierter Schaltkreise steht eine weitreichende Vielfalt von Grundbausteinen zur Verfügung, aus denen sich ein gewünsch· ter logischer Aufbau zusammenstellen läßt.

Weiter ist der Einsatz von Feldeffektschaltungselementen bzw. -transistoren beispielsweise aus der US-Patentschrift 3,134,912 -A. D. Evans - bekannt. Ebenso zeigt die US-Patentschrift 3,441,748 - R. E. Werner - einen bidirektionalen Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGFET) mit symmetrischem linearen Widerstand und spezifischer Substrat-Spannungssteuerung.

Schließlich ist in der US-Patentschrift 3,448,295 - F. M. Wanlass -ein vierphasiges, mittels eines Paares von Taktgebersignalen betriebenes Taktgebersystem mit Feldeffekt-Schaltelementen beschrieben.

Die bekannten Schaltungsanordnungen werden zwar jeweils den an sie gestellten Anforderungen gerecht, lassen sich jedoch nicht als spannungsveränderliches Taktgebersystem einsetzen, für das sowohl die Impulsbreite als auch die zeitliche Phasenlage einer Mehrzahl von Taktgeberimpulsen veränderlich wäre.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist daher die Schaffung eines solchen Taktgebersystems, und zur Lösung dieser Aufgabe ist ein spannungsveränderliches Taktgebersystem mit Haupt-Taktgeberoszillator^ zur Abgabe eines Taktgeberausgangssignals, das sowohl bezüglich seiner Impulsbreite als auch seiner Phasenlage entsprechend mindestens einer von einer entfernten Quelle aus zugeführten Steuerspannung veränderlich ist, erfindungsgemäß gekennzeichnet durch mindestens einen ersten und einen zweiten monostabilen Multivibrator mit mindestens einem von dem Takt geber ausgangss ignal gespei-? sten Eingang und einem Paar komplementärer Ausgänge, an die ein

1 09822/2037

zur Bestimmung der Umschaltzeit des Multivibrators geeignetes R-C-Rückkopplungsnetzwerk mit einem Kondensator und einem spannungsabhängigen Widerstand angeschlossen ist, das mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt an einem ^flRückgestellt^fl-Anschluß des Multivibra-

und dadurch,

tors liegt, daß über den spannungsabhängigen Widerstand des zweiten Multivibrators unter der Einwirkung einer von der entfernten Quelle abgegebenen Steuerspannung die Schaltzeit des zweiten Multivibrators auf einen größeren Wert als die entsprechende Schaltzeit des ersten Multivibrators einstellbar ist und ekt& je ein Ausgang des ersten und des zweiten Multivibrators an einen ersten bzw. einen zweiten Eingang eines Flip-Flops angeschlossen ist.

Mit einem solchen Taktgebersystem kann eine Mehrzahl von Taktgeber-Ausgangssignalen geliefert werden, deren Impulsbreite und zeitliche Phasenlage entsprechend einer Mehrzahl von einer entfernten Stelle aus zugeführter Steuerspannungen veränderlich ist. Jedes einer Phase zugeordnete Signal wird von einem Schaltkreis mit einem ersten und einem zweiten monostabilen Multivibrator erzeugt, dessen R-C-Rückkopplungsnetzwerk einen Feldeffekt-Transistor enthält, der als spannungsveränderlicher Widerstand betrieben und dabei von gesonderten Steuerspannungen so gesteuert wird, daß der zweite Multivibrator erst nach dem ersten Multivibrator in seinen "Rückgestellt"-Zustand übergeht. Das an die beiden Ausgänge eines Multivibratorpaares angeschlossene Flip-Flop spricht auf die Ausgangssignale der Multivibratoren derart an, daß es durch das Ausgangssignal des ersten Multivibrators in einen ersten Zustand und durch das Ausgangssignal des zweiten Multivibrators in seinen entgegengesetzten, zweiten Schaltzustand überführt wird.

Die Multivibratoren können von als integrierte Schaltelemente ausgebildeten J-K Flip-Flops, einem damit zusammenwirkenden Feldeffekttransistor, insbesondere einem MOS-Feldeffekttransistor» sowie einem für die Bestimmung der Schaltzeit maßgeblichen Rückkopplungskondensator gebildet sein.

Die Erfindung wird nachstehend zusammen mit weiteren Merkmalen

1 0 !3 8 2 2 / 2 Ü 3 7

anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen;

Flg. 1 teilweise in Blockschaltform schematisch ein

Schaltbild eines zweiphasigen Taktgebersystems nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm von die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 veranschaulichenden P Kurvenzügen; und

Fig. 3 graphisch die Abhängigkeit des Drain-Source-Wider-

standes eines in Verbindung mit dem Ausführungebeispiel der Erfindung nach Fig. 1 eingesetzten Feldeffekttransistors von seiner Steuerspannung.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei Phasen eines Mehrphasen-Taktgebersystems, in dem ein Haupt-Taktgeberoszillator 12 einen Impulsformer 10 mit einem Haupt-Taktgeberoszillatorsignal MCP speist. Das MCP-Signal weist eine Reihe digitaler Impulse auf, die in vorgegebenen regelmäßigen Intervallen vorgegebener feststehender Frequenz auftreten. Der Impulsformer 10 formt die Vorder- und die Rückflanken des von dem Oszillator 12 zugeführten Taktgebersignals und sorgt gleichzeitig mittels eines niedrigen Ausgangswiderstandes für eine höhere Belastbarkeit. Diese Schaltung kann eine MECL-Treiberstufe mit einem eingangsseitigen Differentialverstärker und einem daran angekoppelten Emitterfolger aufweisen. Schaltungen dieser Art sind allgemein bekannt, beispielsweise durch das "Integrated Circuit Data Book", S. 10-17, wobei das Eingangssignal einem unter einer Mehrzahl von Eingängen eines Differentialverstärkers zugeführt und das Ausgangssignal von einem von zwei mit dem Differential-Verstärker gekoppelten Emitterfolgern abgenommen wird. Das MCP-Ausgangssignal des Impulsformers 10 enthält ein Eingangssignal, das gleichzeitig eine Mehrzahl von monostabilen Multivibratoren 14, 16, 18 und 20 speist. Alle diese Multivibratoren sind unter-

1Ü9822/2Ü37

einander gleich und enthalten integrierte J-K Flip-Flops FFl, FF2, FF3 und FF4, die durch Kopplung eines Widerstand-/Kapazitats-Lade- und Entladungs-Rückkopplungskreises zwischen den Ausgangsklemmen Q und § als monostabile Multivibratoren geschaltet sind. Beide Eingangsklemmen "7 und K der Flip-Flops FFl ... FF4 sind über eine Leitung 22 gemeinsam mit dem Ausgang des Impulsformers 10 gekoppelt. Die Ausgangsklemmen Q und Q des Flip-Flops FFl sind mit einer Reihenschaltung aus einem Zeit-Kondensator 24 und einem Feldeffekttransistor 26 verbunden, wobei der Verbindungspunkt zwischen Kondensator 24 und Transistor 26 mit der Klemme R (RESET) des Flip-Flops FFl gekoppelt ist. Der Feldeffekttransistor 26 ist mit der Klemme § verbunden, während der Kondensator 24 an die Klemme Q angeschlossen ist. Der Feldeffekttransistor ist vorzugsweise vom MOSFET-Typ (metal oxide silicone field effect transistor) und der Drain-Source Widerstand bildet den Widerstandsteil des R-C-Netzwerkes.

Das integrierte J-K Flip-Flop stellt eine allgemein bekannte Speichereinrichtung dar und ist im einzelnen in "Logical Design of Digital Computers'¹ von Montgomery Phister, Jr,, John Wyley and Sons, Incorporated, 1963, beschrieben. Wie weiter oben erwähnt, ist es auch in der US-Patentschrift 3,444,395 erläutert. Die Schaltungsanordnung weist normalerweise einen oder mehrere J-Eingänge und einen oder mehrere K-Eingänge auf, die bezüglich der "J und K"-Anschlüsse eine UND-Stufenfunktion ausüben. Damit ist gemeint, daß das Flip-Flop einen bestimmten Zustand hat, wenn zwei identische binäre Schaltsignale mit zur Änderung des Zustandes des Flip-Flops ausreichenden Spannungswerten die J- und K-Eingänge gleichzeitig beaufschlagen. Die beiden Ausgänge Q und φ repräsentieren den Zustand der Anordnung bzw. des dazu inversen Wertes. Das Flip-Flop befindet sich im "Gesetzf'-Zustand, wenn der Q-Ausgang den binären Wert "L", der φ-Ausgang dagegen den binären Wert ¹¹O" hat. Für den umgekehrten Fall befindet sich das Flip-Flop im "Rückgesetzt'¹-Zustand. Wenn eine Spannung richtiger Polarität und Größe den R-Anschluß beaufschlagt, schaltet das Flip-Flop in den "Rückgenetzt"-Zustand.

1 ü 9 B 2 2/? υ 3 7

Jedes der J-K Flip-Flops FFl, FF2, FF3 bzw. FF4 enthält die Zeitkondensatoren 24, 28, 32 bzw. 36 sowie Feldeffekttransistoren 26, 30, 34, 38, so daß die monostabilen Multivibratoren 14, 16, 18 und 20 gebildet werden. Die einzelnen Gate-Elektroden der MOSFET-Feldeffekttransistoren 26, 30, 34, 38 sind mit Anschlüssen 15, 17, 19 bzw. 21 zugeführten gesonderten Steuerspannungen V₁,V₂, V₃ bzw. V₄ einer geeigneten Steuerstufe gekoppelt, die beispielsweise von einem Digital-/Analogwandler 40 gebildet sein kann, dessen Eingang mit einem unter der Einwirkung des Oszillators 12 arbeitenden digitalen Computer 42 gekoppelt ist. Jede der den einzelnen Gate-Elektroden zugeführten Spannungen V₁, V₂, V₃ und V₄ ist geeignet, den Drain-Source Widerstand der Feldeffekttransistoren 26, 30, 34 bzw.38 zu steuern. Zusätzlich bilden die Reihenwiderstände 44, 46, 48 und 50 zusammen mit den Kondensatoren 52, 54, 56 und 58 R-C-Filter, die gegebenenfalls auch fehlen können.

60 Weiter ist ein erstes Ausgangs-Flip-Flop mit seinem Eingang J an den Q-Ausgang des Flip-Flops FFl, mit seinem Eingang K dagegen an den Ausgang Q des Flip-Flops FF2 angeschlossen. In gleicher Weise ist ein zweites Ausgangs-Flip-Flop 62 über seinen Eingang J mit dem Ausgang Q des Flip-Flops FF3, über seinen Eingang K mit dem Ausgang Q des Flip-Flops FF4 verbunden. An dem Ausgang Q des ersten Ausgangs-Flip-Flops 60 erscheint ein erstes Phasenausgangssignal QL , das an der Ausgangsklemme 64 ansteht. Das zweite Ausgangs-Flip-Flop gibt an seinem Ausgang Q über die Anschlußklemme 66 das zweite Phasenausgangssignal 0₂ ab.

Die Wirkungsweise des mit Fig.l veranschaulichten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den einzelnen Kurvenzügen des Zeitdiagramms der Fig.2 erläutert. Der Kurvenzug A der Fig. 2 gibt den Verlauf des Eingangssignals der Leitung 22 wieder. Beim Auftreten der ins Positive gehenden Flanke des ersten Impulses des Kurvenzuges A werden die Ausgänge der monostabilen Multivibratoren 14, 16, 18 und 20 in ihren niedrigen Ausgangszustand "gesetzt", wie das mit den Kurvenzügen B, C, E und F gezeigt ist. Die die Ausgangssignale

1098 2 2/2037

der Flip-Flops 60 bzw. 62 bildenden Phasenausgangssignale 0- bzw. QL sind ^ra*-t ^^en Kurvenzügen D bzw. G wiedergegeben. Wenn die Multivibratoren 14, 16, 18 bzw. 20 in ihre niedrigen Ausgangszustände "gesetzt" werden, ändern sich die Signale 0L und 0₂ nicht. Die Triggerung der Multivibratoren läßt die ent sprechenden Kondensatoren 24, 28, 32 und 36 ihr Ladungspotential in Übereinstimmung mit der Änderung der Spannung an den Klemmen Q und Q, die beispielsweise zwischen - 0,7 V und - 1,55 V liegen kann, ändern. Die Q-Ausgänge der vier Multivibratoren 14, 16, 18 und 20 bleiben für eine durch die R-C-Zeitkonstanten entsprechend dem Rückkoppelungskondensator und dem Drain-/Source Widerstand des zugehörigen Feldeffekttransistors bestimmte Zeitdauer in ihrem niedrigen Schaltzustand. Erreicht die an den einzelnen R - Anschlüssen auftretende Spannung beispielsweise - 1,15 V, so ändert der zugehörige Multivibrator seinen Schaltzustand. Wenn der erste Multivibrator 14 von seinem unteren in seinen oberen Schaltzustand übergeht, d.h. "gesetzt" ist, so schalten das erste Ausgangs-Flip-Flop 60 und das Potential an der Klemme Q in ihren niedrigen Zustand um, in dem sie bleiben, bis der Ausgang des zweiten Multivibrators 16 aus seinem unteren Schaltzustand in seinen oberen Schaltzustand übergeht. Die Drain-ZSource-Widerstandswerte der Feldeffekttransistoren 26, 30, 34 bzw. 38 und infolgedessen die R-C-Zeitkonstanten der Multivibratoren 14, 16, 18 und 20 werden durch die entsprechenden Steuerspannungen V₁, V₂, V₃ bzw. V₄ selektiv eingestellt, so daß der erste Multivibrator 14 zuerst "rückstellt" und dann der Reihe nach der zweite, der dritte und der vierte Multivibrator 16, 18 bzw.20 folgen. Die resultierenden Phasenausgangssignale entsprechend den Kurvenzügen D und G treten synchron an den Ausgangsklemmen 64 und 66 auf. Die zeitliche Relation zwischen den Signalen G^₁ und 0₂ entsprechend den Kurvenzügen D und G läßt sich nicht nur hinsichtlich der Impulsbreite, sondern auch bezüglich der zeitlichen Phasenlage durch Einstellung der Gate-/ Source-Spannung des entsprechenden Feldeffekttransistors 26, 30, 34, 38 mit Hilfe der Spannungen ν_χ, V₂, V₃ bzw. V₄ variieren, die von einer entfernten Quelle zugeführt und von dem digitalen Computer 42 selektiv programmierbar sein können.

1Ü3822/2U37

Der Drain-ysource-Widerstand der Feldeffekttransistoren nimmt bei Zunahme der Gate-/Source-Spannung nicht linear ab. Dieses Verhalten ist mit der Kurve der Fig. 3 veranschaulicht, die die Abhängigkeit des Drain-/Source-Widerstandes von der zwischen Gate- und Source Anschluß wirksamen Spannung zeigt. Infolge der hohen Eingangsimpedanz der Feldeffekttransistoren kann die Antriebsquelle, d.h. der Digital-/Analogwandler 40,an einer von den einzelnen Multivibratorstufen entfernten Stelle aufgestellt sein, wobei die R-C-Filterung beispielsweise durch den Widerstand 44 und den Kondensator 52 der ersten Stufe erfolgt.

Wenn die Multivibratoren 14-20 entsprechend einem typischen Fall von Motorola - MC364J-K-HaIbleiterflip^flops und die Feldeffekttransistoren von MEM 511 Transistoren gebildet sind, kann die "Bin"-Zeit der einzelnen Multivibratorstufen wie folgt angegeben werden:

t_e·« 20 nsec +1,4 R. ( C + 5 pF ), worin R. der Drain-/ Source Widerstand in Ohm und C der entsprechende Zeitkondensatorwert in Farad ist.

Im vorstehenden wurde somit ein von einer entfernten Stelle aus steuerbares veränderliches Mehr phasen takt geber--,System beschrieben, bei dem von MOSFET-Feldeffekttransistoren in Verbindung mit integrierten J-K-Flip-Flops Gebrauch gemacht wird. Dieser Aufbau erweist sich für emittergekoppelte, auf Strombasis arbeitende logische Gatter als besonders nützlich, weil der Spannungsausschlag des Ausgangs klein ist ( - 0,75 V bis - 1,55 V ), so daß der Drain-/Source Widerstand des Feldeffekttransistors dadurch nicht beeinflußt wird.

Patentansprüche;

109822/2037

Claims

Paten tan s ρ r ti ehe

Spannungsveränderliches Taktgebersystem mit Haupt-Taktgeberoszillator, zur Abgabe eines Taktgeberausgangssignals, das sowohl bezüglich seiner Impulsbreite als auch seiner Phasenlage entsprechend mindestens einer von einer entfernten Quelle aus zugeführten Steuerspannung veränderlich ist, gekennzeichnet durch mindestens einen ersten und einen zweiten monostabilen Multivibrator (14, 16; 18, 20) mit mindestens einem von dem Taktgeberausgangssignal gespeisten Eingang (J; K) und einem Paar komplementärer Ausgänge (Q; Q") , an die ein zur Bestimmung der Umschaltzeit der MuI-tivibratoren (14, 16; 18, 20) geeignetes R-C-Rückkoppelungsnetzwerk (24, 26; 28,30; 32,34; 36, 38) mit einem Kondensator (24; 28; 30; 36) und einem spannungsabhängigen Widerstand angeschlossen ist, das mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt an einem "Rückgestellf-Anschluß des Multivibrators (14, 16, 18, 20) liegt"ⁿäafi^aäHer^hden spannungsabhängigen Widerstand des zweiten Multivibrators (16; 20) unter der Einwirkung einer von der entfernten Quelle abgegebenen Steuerspannung die Schaltzeit des zweiten Multivibrators (16; 20) auf einen größeren Wert als die ent sprechende Schaltzeit des ersten Multivibrators (14; 18) einstellbar ist und 4&ft je ein Ausgang (Q) des ersten und des zweiten Multivibrators (14, 16) an einen ersten bzw. einen zweiten Eingang (J, K) eines Flip-Flops (FF5) angeschlossen ist.
2. Taktgebersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Multivibratoren (14, 16; 18, 20) jeweils ein J-K-Flip-Flop (FFl, FF2, FF3, FF4) mit den J- und K-Eingangsklemmen, den Q- und ^-Ausgangsklemmen und dem "Rückge stellt'*-Anschluß aufweisen.

1 09822/2037
3. Taktgebersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der spannungsabhängige Widerstand von einem Feldeffekttransistor (26; 30; 34; 38) gebildet 1st.
4. Taktgebersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (24; 28; 32; 36) von einem Festkondensator gebildet ist.
5. Taktgebersystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Feldeffekttransistor (26; 30; 34; 38) von einem MOS-Feldeffekttransistor gebildet ist.
6. Taktgebersystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein zwischen die entfernte Quelle und eine Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors geschaltetes R-C-Filter (44, 52; 46, 54; 48, 56; 50, 58).

KN/cb 3

1 09822/2037

Leerseite