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Schaltungsanordnung zur Pegelwiederherstellung Die Erfindung betrifft
eine Schaltungsanordnung zur Pegelwiederherstellung mit einem ein Verstärkerelement
enthaltenden Verstärker und einem ein Eingangssignal auf die Steuerelektrode: des
Verstärkerelementes koppelnden Tortransistor, der in beiden Richtungen leitfähig
ist und eine zum Leiten zu überwindende Schwellenspannung aufweist, um welche der
Pegel des zum Verstärkerelement übertragenen Signals hinsichtlich eines Bezugspegels
verschoben wird, wenn der Tortransistor als Folger arbeitet, und mit einer der nicht
als Ausgangselektrode geschalteten Hauptelektrode des Verstärkerelementes hinsichtlich
seiner Steuerelektrode eine Vorspannung solcher Polarität und Amplitude zuführenden
Vorspannungsquelle, daß die durch den Tortransistor bedingte Pegelverschiebung kompensiert
wird.
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Bei torgesteuerten Verstärkern kann es vorkommen, daß die Schwellenspannung,
bei welcher das Verstärkerelement zu leiten beginnt, sich von der Schwellenspannung
der Torschaltung, bei welcher diese zu leiten beginnt, unterscheidet. Ist die Schwellenspannung
der Torschaltung größer als die Schwellenspannung des Verstärkerelementes, dann
kann bei einer Durchsteuerung ein Betriebszustand eintreten, bei welchem das Verstärkerelement
infolge von über die Torschaltung nicht mehr abfließenden kapazitiven Restladungen
das VerstErkeSiement nicht mehr sperrbar ist. Um einen solchen Zustand zu vermeiden,
hat man eine Vorspannungsschaltung vorgeschlagen, welche einer der Hauptelektroden
des Verstärkerelementes eine den Unterschied der Schwellenspannungen von Tor- und
Verstärkerelement kompensi de Vorspannung zuführt. Dadurch tritt jedoch eine Pegelverschiebung
im
übertragenen Signal hinsichtlich eines Bezugspegels auf, die in manchen Fällen unerwünscht
ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Pegelverschiebung wieder
rückgängig zu machen. Sie wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit der Ausgangselektrode
des Verstärkerelementes zur Kompensation der durch die Vorspannungsquelle bedingten,
an der Ausgangselektrode auftretenden Pegelverschiebung eine zusätzliche Schaltung
angeschlossen ist, die den Ausgangspegel um einen der Pegelverschiebung gleichen,
aber entgegengesetzt gerichteten Betrages verschiebt. Nähere schaltungsmäßige Ausgestaltungen
dieser zusätzlichen Schaltung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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In Verbindung mit den Zeichnungen soll nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1(A) und 1(B) die schematische
Schaltungsanordnung von Schaltkreisen mit einem Torglied gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2(A) und 2(B) die schematische Schaltungsanordnung von Torgliedkreisen gemäß
der Erfindung; Fig. 3 die schematische Darstellung eines Sohieberegisters gemäß
der Erfindung; Fig. 4 die Darstellung eines Schieberegisters, bei welchem eine Doppelvorapannungsanordnung
gemäß der Erfindung verwendet wird; und Fig. 5 die schematische Darstellung einer
Schaltungsanordnung zur Wiederherstellung eines Signalpegels.
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Zur Erläuterung der Erfindung werden in der Zeichnung einfachheitßhalber
Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode (IGFET-Transistoren) vom Stromerhöhungstyp
verwendet Es
versteht sich jedoch, daß auch andere bekannte Transistortypen
zur Realisierung der Erfindung verwendet werden können, z.B.
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IGFBT-Transistoren vom Stromdrosselungstyp, Bipolartransistoren oder
Sperrschicht-Feldeffekttransistoren. Die nachfolgende einführende Brorterung der
in der Zeichnung dargestellten Transistoren soll die ins einzelne gehende Beschreibung
der Schaltungen erleichtern.
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1) Die verwendeten Bauelemente besitzen eine erste und eine zweite
Elektrode, die als Quelle und Abfluß bezeichnet werden und die sonden eines Stromweges
bestimmen, sowie eine Steuerelektrode. Das an die Steuerelektrode angelegte Potential
bestimmt die Leitfähigkeit des Stromweges. Für den IGFET-Transistor vom p-Typ ist
die Quelle als diejenige der beiden Elektroden definiert, an die das höhere Potential
angelegt wird. Für einen I#FET-Transistor vom n-Typ ist die Quelle als diejenige
Elektrode definiert, an die das niedrigere Potential angelegt wird.
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2) Die verwendeten Bauelemente sind bidirektional, womit gemeint ist,
daß im Stromweg zwischen der ersten und zweiten Elektrode in jeder Richtung ein
Strom fließen kann, wenn an die Steuerelektrode ein Aufsteuerungssignal angelegt
wird.
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3) Damit der Transistor leitet, muß die Steuerelektroden-Quellen-Spannung
VGS in einer solchen Richtung angelegt werden, daß die Steuerelektrode bezüglich
der Quelle in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, und größer sein als ein vorgegebener
Wert der als die Schwellenspsnnung VT definiert ist. Wenn die angelegte Spannung
VGS eine Richtung besitzt, bei der der Transistor in Durchlaßrichtung vorgespannt
wird, aber eine kleinere Amplitude besitzt alB VT, so bleibt der Transistor gesperrt
und im Stromkanal fließt praktisch kein Strom. Es sei bemerkt, daß dies auch für
ein Bipolar-Bauelement gilt, das nur dann leitet, wenn die Basis bezüglich des Emitters
durch ein Signal in Durcglaßrichtung
vorgespannt wird, das größer
ist als die Basis-Emitter-Übergangsspannung Vbe.
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4) Wenn der Transistor als Quellenfolger (oder Emitterfolger) arbeitet,
folgt die Spannung V5 an der Quelle dem an die Steuerelektrode angelegten Signal
VG, aber sie wird bezüglich der Steuerelektrode um eine Spannung verschoben, deren
Amplitude gleich der Schwellenspannung VT des Transistors ist (VS = VG - VT). Diese
Verschiebung um VT stellt ein Hauptproblem bei der Verwendung eines Torgliedes mit
einem einzigen Transistor dar.
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Das durch die Erfindung gelöste Problem wird verständlich, wenn man
Fig. 1 betrachtet, die eine bekannte Anordnung mit einem Torglied zeigt.
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Eine Eingangs- oder Sendesignalquelle 10 erzeugt an ihrer Ausgangsklemme
12 Signale mittels eines Schalters 14, dessen Schaltarm entweder an eine Klemme
16 oder an eine Klemme 18 legt werden kann. Die Klemme 16 liegt direkt an Masse,
während die Klemme 18 mit dem positiven Pol einer Batterie 20 verbunden ist, deren
negativer Pol an Masse liegt. Je nach der Stellung des Schaltarms kann das Signal
am Sendepunkt bzw. der Klemme 12 ein Potential sein, das entweder Massepotential
ist oder einen Spannungswert +V besitzt, wobei +V der Spannungswert der Bat--terie
20 ist. Die an der Sendeklemme 12 erscheinende Spannung soll wahlweise zu einer
Empfangsklemme 24 übertragen werden.
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Eine Last 26, deren Eingangsimpedanz einen (verteilten oder punktförmigen)
Kondensator 28 enthält, ist mit der Empfangsklemme 24 verbunden. Gemäß der Darstellung
enthält die Last 26' beispielsweise eine komplementäre Umkehrstufe 27, die durch
einen n-leitenden Transistor 27a und einen p-leitenden Transistor 27b gebildet ist.
Die Abflußelektroden der Transistoren 27a und 27b sind gemeinsam an einen Ausgangspunkt
30 angeschlossen. Ihre Quellen liegen an Masse bzw. an +V, und ihre Steuerelektroden
sind zusammengeschaltet.
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Ein Torglied besteht aus einem p-leitenden Feldeffekttransistor 32,
dessen durch Elektroden 34 und 36 begrenzter Stromweg zwischen die Sendeklemme 12
und die Empfangsklemme 24 geschaltet ist. Die Steuerelektrode 38 des Feldeffekttransistors
ist mit einer Klemme 40 verbunden, an die ein Steuersignal angelegt wird, dessen
Potentialwert entweder Null Volt oder +V Volt beträgt. Der Transistor 32 ist gesperrt,
wenn seine Steuerelektrodenspannung auf +V Volt liegt, und er ist aufgesteuert bzw.
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leitend, wenn die Steuerspannung an der Steuerelektrode 38 um einen
Betrag, der größer ist als die Schwellenspannung VT des Transistors 32, niedriger
ist als das Potential an der Quellenelektrode.
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Es sei nun angenommen, daß der Kondensator 28 zunächst entladen ist,
daß der Transistor 32 gesperrt ist (VG = 0 Volt), und daß der bewegliche Arm des
Schalters 14 an der Klemme 18 (+Y Volt) liegt. Für die angegebenen Spannungsbedingungen
arbeitet der Transistor 32 in Quellenschaltung, wobei die Elektrode 54 die Quelle
und die Elektrode 36 der Abfluß ist. Da die Quelle auf +V Volt liegt, existiert
zwischen der Quellenelektrode 34 und der Steuerelektrode 38 eine konstante Spannungsdifferenz
von V Volt (VgS = +V), und der Stromweg des Transistors bleibt in dem Zustand niedriger
Impedanz bzw. starker Leitfähigkeit vorgespannt, so lange die Schalter- und SteuerelektrodenspsnnungeM
die genannten Werte beibehalten. Der Kondensator 28 kann sich daher durch den Stromweg
des Transistors 32 voll aufladen, und die Spannung an der Empfangsklemme 24 wird
auf +V Volt ansteigen. Bei dieser Betriebsweise des Torgliedes bzw. Transistors
32 wird somit zur Empfangsklemme 24 die volle Spannung der Sendeklernine 12 übertragen.
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Nun sei angenommen, daß der bewegliche Schaltarm zur Klemme 16 umgelegt
wird, und daß der Tortransistor 32 entweder schon leitend ist oder in den Leitsustand
geschaltet ist. Die Spannung an der Sendeklemme 12 und die Steuerspannung an der
Steuerelektrode 38 sind nun auS l'1assepotential eingestellt, und die
anfängliche
Spannung an der Elektrode 36 beträgt +V Volt, da der Kondensator 28 voll geladen
ist. Nun arbeitet der Transistor 32 im Folgerbetrieb, nämlich als Quellenfolger,
wobei die Elektrode 36 nun die Quelle ist.
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Wenn der Transistor 32 anfänglich in den Leitzustand geschaltet ist,
beträgt die Spannung V24 an der Klemme 24 V Volt, und zwischen der Quellenelektrode
36 und der Steuerelektrode 38 existiert eine Potentialdifferenz von V Volt. Während
sich der Kondensator 28 entlädt, nimmt die Potentialdifferenz zwischen der Quelle
und der Steuerelektrode ab, was zu einem Ansteigen der Impedanz des Stromweges führt.
Wenn der Kondensator 28 soweit entladen ist, daß V24 den Wert der Schwellenspannung
VT des Transistors 32 (VT32) hat, so wird der Transistor 32 gesperrt, und der Kondensator
28 kann sich, von Sperrströmen abgesehen, nicht weiter entladen. Während also der
Eingang an Masse liegt, bleibt der Ausgang auf einem Potential, das gleich der Spannung
VT32 ist.
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Es wurde gezeigt, daß für die eine Leitungsrichtung des Torgliedes
mit einem einzigen Transistor der Ausgang auf den Wert der Eingangsspannung aufgeladen
wird, daß aber für die andere Richtung die Ausgangsspannung um die Schwellenspannung
VT des Tortransistors verschoben ist. Die unvollständige Entladung an der Klemme
24 bewirkt, daß die Transistoren 27a und 27b gleichzeitig leitend sind, wie nachfolgend
erläutert wird.
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Es sei von den folgenden typischen Werten ausgegangen: +V = 10 Volt;
VT32 = VT27b = VT (pnp) = 3 Volt, und VT27a = VT (npn); = 2 Volt. Da der Eingang
nach einem Spannungs sprung von +V an Masse liegt und der Transistor 32 eingeschaltet
ist, ist der Transistor 27a noch durch eine Spannung VGS gleich VT32(3 Volt) in
Durchlaßrichtung vorgespannt und stark leitend, weil seine Schwellenspannung VT
(2 Volt) überschritten ist. Der Transistor 27b ist ebenfalls in Durchlaßrichtung
vorgespannt, da seine Spannung VGS, die gleich 7 Volt ist (+V - 3 Volt) seine Schwellenspann#n##;V#
YT () Volt) übersteigt.
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Die Transistoren 27a und 27b bilden also einen Stromweg niedriger
Impedanz zwischen +V und Masse, was eine hohe Verlustleistung zur Folge hat. Außerdem
ist auch das Ausgangspotential an der Klemme 30 unbestimmt und liegt je nach dem
Leitungspegel und dem Impedanzverhältnis der beiden leitenden Transistoren irgendwo
zwischen +V und Masse, Die Kopplung von Inverterstufen mittels Torgliedern mit einem
einzigen Transistor, wegen ihrer Einfachheit an sich eine ideale Schaltungskombination,
ist somit wegen der VT-Spannungsverschiebung des Tortransistors für viele Anwendungsfälle
nicht geeignet.
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Wenn man den Tortransistor 32 vom p-Typ durch einen n-leitenden Transistor
42 ersetzt, wie in Fig. iB dargestellt ist, hat man ein ähnliches Problem wie das
oben beschriebene, nur daß nun die Smpfangsklemme nicht auf das Potential +V der
Sendespannung aufgeladen werden kann. Wenn der Transistor 42 in den Leitzustand
geschaltet worden ist und die Sendeklemme 12 auf Massepotential liegt, arbeitet
der Transistor in Quellenschaltung, und die Klemme 24 wird auf Nullpotential entladen.
Wenn aber der Transistor 42 in den Leitzustand geschaltet ist und das Potential
an der Sendeklemme 12 gleich der Spannung +V ist, wird die Elektrode 46 des Transistors
42 zur Quelle, und die Naximalspannung an der Klemme 24 (V24MAX) ist gleich der
Spannung V abzüglich der Schwellenspannung des Transistors 42 (VT42), d.h.
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V24MAX = +V - v Wenn in diesem Ball VT42 gleich oder betragsmäßig
größer ist als die Schwellenspannung VT des p-leitenden Transistors 27b, so leiten
die Transistoren 27a und 27b gleichzeitig. Dies bedeutet wieder eine übermäßige
Verlustleistung und einen (hinsichtlich des Potentials) undefinierten Ausgang.
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Fig. 2A zeigt nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem
die Beschränkungen und Nachteile der bekannten Torglieder mit einem einzigen Transistor
vermieden sind.
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Die Schaltungsanordnung enthält ein verstärkendes Bauelement, nämlich
den Transistor 27a, dessen Abfluß über eine Last 58. an +V liegt und dessen Steuerelektrode
durch den Tortransistor 32 mit dem einen Ende des Leitungspfades gekoppelt ist.
Die Eingangssignalquelle 10 und der Tortransistor 32 sind so zusammengeschaltet
und arbeiten so wie in Fig. 1A. Zusätzlich ist aber die Quelle des Transistors 27a
mit einer Selbstvors#annungsschaltung 50 verbunden. Diese Vorspannungsschaltung
50 enthält einen p-leitenden Transistor 52, dessen Quelle 53 mit der Quelle des
Transistors 27a zusammengeschaltet und dessen Steuerelektrode 54 gemeinsam mit seiner
Abflußelektrode 55 an Masse liegt.
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Bei einer derartigen Schaltung ist die Abfluß-Quellen-Spannung VDS
des Transistors 52 höchstens gleich seiner Steuerelektroden-Quellen-Spannung VGS,
die ihrerseits höchstens gleich der Schwellenspannung VT des Transistors ist. Sobald
nämlich das Potential an der Abflußelektrode 53 über VT ansteigt, leitet der Transistor
stärker. Bei der beschriebenen Schaltung liefert der Transistor eine Vorspannung,
deren Amplitude gleich der Schwellenspannung VT des Bauelements ist.
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Die Quellenelektrode des Transistors 27a ist daher bei VT52 Volt über
Massepotential vorgespannt, und zwar in einer solchen Richtung, daß seine Quelle
bezüglich seiner Steuerelektrode in Sperrichtung vorgespannt bzw. positiver gemacht
ist. Da der Transistor 52 vom gleichen Leitfähigkeitstyp ist wie der Transistor
32 und auf die gleiche Weise und im gleichen Herstellungsverfahren gebildet worden
ist, müßte VT52 praktisch gleich VT32 sein.
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Wenn, wie oben beschrieben wurde, das Sendepotential an der Klemme
12 Null Volt beträgt, leitet der Transistor 32 im Folgerbetrieb, und das Potential
an der Klemme 24, welches das Steuerelektrodenpotential des Transistors 27a ist,
nimmt ab (durch Entladung) auf einen Wert, der gleich VT32 oder 3 Volt ist. Die
Spannung an der Quelle des Transistors 27a wird nun auf VT52
oder
3 Volt gehalten. Die Steuerelektroden-Quellen-Spannung VGS des Transistors 27a ist
daher praktisch gleich Null, und der Transistor 27a ist gesperrt.
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Diese Arbeitsweise der Schaltungsanordnung ist äußerst günstig.
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Wenn die Eingangssignalklemme 12 an Masse gelegt wird, wird der Transistor
27a gesperrt, und die Ausgangsspannung der Schaltung an der Klemme 30 steigt auf
ein im voraus bekanntes Potential an, dessen Wert durch die Impedanz der Last 58,
nicht aber durch das Verhalten des Stromweges des Transistors 27a bestimmt ist.
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Wenn also beispielsweise die Last 58 ein Widerstandsglied oder ein
aktives Bauelement wie etwa der Transistor 27b ist, wird die Ausgangsspannung im
wesentlichen gleich +V Volt betragen.
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Wenn andererseits die Eingangsklemme 12 auf +V Volt gelegt wird, und
der Transistor 27a dabei in die Sättigung gesteuert wird, so wird die Ausgangsspannung
an der Klemme 50 auf die Spannung geklemmt, die über der Vorspannungssohaltung 50
entwickelt wir d.h. auf VT52 oder +) Volt festgelegt. In Abhängigkeit von den beiden
Potentialwerten des Eingangssignals +V und Null wechsel also die Ausgangsspannung
zwischen einem niedrigen Wert von VT52 Volt und einem hohen Wert von +V Volt. Wenn
man will, kann die Spannungsverschiebung (VT52) auch eliminiert und der Ausgangssignalhub
dadurch auf die Differenz zwischen +V und Masse erhöht werden, wie dies weiter unter
in Verbindung mit Fig. 3 erläutert werden wird.
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#ig. 2B zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das analog zur
Schaltung nach Big. 2A ist, bei welchem jedoch für den Tor transistor 42 und für
die Schaltung 60 Transistoren vom n-Typ verwendet werden. Wenn das Potential an
der Sendeklemme 12 +V Volt beträgt, arbeitet der Transistor 42 nach seiner Auftastung
im Folgerbetrieb, und Val, das Steuerelektrodenpotential der Tr#i##i##r>ren toren
27a und Z7bl st hochs-tens gleLoll (V - VT42). Bei Signal und @p@@u@ @@@@@@nissen
iut es wüilschenswe»t, @@ @@ @@@@ @@@
Die mit der Quelle des Transistors
27b gekoppelte Vorspannungsschaltung 60 senkt das Quellenpotential des Transistors
27b um die Schwellenspannung VT des Transistors 62 (VT62). Der Transistor 62 ist
n-leitend und liegt mit seiner Steuerelektrode und mit seinem Abfluß an +V, während
seine Quelle mit der Quelle des Transistors 27b verbunden ist. Der Transistor 62
ist wie eine Diode geschaltet, so daß VT62 die Spannung über seinen Abfluß- und
Steuerelektroden ist. Das Quellenpotential V5 des Transistors 27b wird somit gleich
der Stromversorgungssppnnung +V abzüglich dem Spannungsabfall bzw. der Schwellenspannung
VT des Transistors 62 sein, d.h. VS = +V - VT62. Nimmt man an, daß VT42 und VT62
nahezu gleich sind, weil es sich in beiden Fällen um n-leitende Transistoren handelt,
die im gleichen Verfahren gebildet sind, so ist VGS des Transistors 27b praktisch
gleich Null Volt, und er ist eindeutig gesperrt. Wenn also das Sendepotential +V
Volt beträgt, ist der Transistor 27b gesperrt, während der Transistor 27a leitet,
und das Ausgangssignal an der Klemme 30 wechselt auf Null Volt.
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Wenn das Sendepotential an der Klemme 12 Null Volt beträgt, wird der
Transistor 27a gesperrt, während der Transistor 27b leitet und das Ausgangssignal
an der Klemme 30 ein Potential erreicht, das gleich V - VT62 ist.
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Bei den oben erläuterten Schaltungsanordnungen gemäß der Erfin- -dung
wird der Nachteil, beim "Sperrzustand" des Eingangssignals1 einen durch ein Torglied
gesteuerten Verstärker nicht sperren zu können, vermieden. Die Ausgangspotentiale
sind genau definierte Funktionen des Eingangesignale. Zum Neutralisieren der Schwellenspannung
des Torgliedes kann zwar irgendeine beliebige Vorspannungseinrichtung verwendet
werden, doch hat die Verwendung von Transistoren vom gleichen Leitfähigkeitstyp
für das Torglied und für die Vorspannungsfunktion den Vorteil, daß sie sich ähnlich
verhalten. Dies heißt, daß die Transistoren sich im Gleich lauf txetinden, sich
also in k-bhängigkeit von Änderungen der Umsbtmnbcdangunn wie etwa der Umgebungstemperatur
im gleichen
Sinne ändern, so daß der Betrieb der Schaltungsanordnung
durch solche Änderungen relativ unbeeinflußt ist.
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In Fig. 3 ist ein Schieberegister dargestellt, das N-Stufen besitzt,
wobei N eine ganze Zahl größer als 1 ist, und welches eine einzige Vorspannungsschaltung
gemäß der Erfindung aufweist.
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Da alle Stufen des Registers identisch sind, ist nur die Schaltungsanordnung
einer einzigen solchen Stufe 120 gezeigt. Sie enthält einen Tortransistor 32a, dessen
Stromweg zwischen einen Bingangssignalknoten 122 und die Eingangsklemme 24a einer
Inverterstufe 27 geschaltet ist. Ein zweites Torglied mit einem Tortransistor 32b
ist in ähnlicher Weise zwischen die Ausgangsklemme 30 der Inverterstufe 27 und die
Eingangsklemme der nächsten Stufe geschaltet.
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Das Substrat der Transistoren ist durch einen Pfeil angedeutet, der
für die Bauelemente vom p-Typ vom Körper wegzeigt und für n-leitende Bauelemente
zum Körper zeigt.
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Die Quellen der p-leitenden Transistoren 27D und 127b der Inverterstufen
liegen an +V, undwdie Quellen der Transistoren 27a und 127a und allesanderen n-leitenden
Transistoren der Inverterstufen des Registers sind gemeinsam mit einer Vorspannungsklemme
56 zusammengeschaltet, bei der es sich um eine Sammelleitung handelt und deren Potential
durch die Vorspannungsschaltung 50 bestimmt ist. Die Vorspannungsschaltung 50 ist
identisch mit der in Fig. 2A gezeigten Schaltung und besteht aus einem Transistor
52, dessen Quellen-Abflußpfad zwischen die Vorspannungsklemme 56 und Masse geschaltet
ist, dessen Steuerelektrode an Masse liegt und dessen Substrat an +V angeschlossen
ist. Die Quelle des n-leitenden Transistors jeder Inverterstufe wird auf einem Vorspannungspotential
gehalten, das gleich VT52 ist.
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Unter der Annahme, daß VT52 gleich 3 Volt ist, werden die Vorspannungsklemme
56 und die Quelle jedes n-leitenden Transistors; auf 3 Volt gehalten.
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Die Steuerelektroden der Transistoren 32a bzw. 32b sind jeweils mit
einer Quelle für erste bzw. zweite Taktimpulse 6 1 bzw.
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6 2 gekoppelt, wobei 6 1 und 6 2 komplementär sind. Wenn bei-~spielsweise
6 1 V Volt beträgt, beträgt 6 2 O Volt, und umgekehrt. Dadurch wird gewährleistet,
daß zur gleichen Zeit nur eines von zwei benachbarten Torgliedern einer Registerstufe
befähigt (aufgesteuert) wird.
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Beim Betrieb des Schieberegisters sei zuerst angenommen, daß ein Datenimpuls
mit der Amplitude +V an die Klemme 122 angelegt wird. Wenn 6 1 den Wert O Volt hat,
leitet der Transistor 32a, und die Eingangsklemme 24a der Inverterstufe 27 wird
auf +V aufgeladen. Dadurch wird der p-leitende Transistor 27b gesperrt und steuert
den n-leitenden Transistor 27a in die Sättigung, wedurch das Ausgangssignal an der
Klemme 30 praktisch gleich der Spannung über der Vorspannungsschaltung 50 (+VT52)
gemacht wird.
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Da 6 2 V Volt beträgt (6 1 = O Volt), ist der durch den Taktimpuls
in Sperrichtung vorgespannte Transistor 32b gesperrt, und die Inverterstufe 127
verbleibt in ihrem- vorhergehenden Zustand.
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Nun wechselt der Taktimpuls 6 1 auf +V und 6 2 auf 0 Volt. Der Transistor
32a ist gesperrt und der Eingangsknoten 122 ist elektrisch von der Klemme 24a getrennt.
Die Inverterstufe 27 kann jedoch ihren Zustand nicht ändern, da ihre Eingangsimpedanz
extrem hoch ist und die Kapazität 28a auf +V aufgeladen bleibt. Infolgedessen bleibt
die Ausgangsklemme 30 der Inverterstufe 27 auf VT52 Volt festgelegt. Da 6 2 den
Wert von OVolt hat, ist der Transistor 32b aufgetastet und koppelt die Ausgangsspannung
VT52 an der Klemme 30 zur Eingangsklemme 24b der Inverterstufe 127. Der Transistor
127b wird nun in die Sättigung gesteuert, wobei an die Ausgangsklemme 130 die Spannung
+V angelegt wird, während der Transistor 127a gesperrt ist, da die an seine Steuerelektrode
angelegte Spannung (6VT52) praktisch gleich der Spannung VT52 ist, die an seine
Quelle angelegt wird (VGS6O). In ähnlicher Weise wird bei nachfolgenden
Taktimpulsen
der zuerst an die Klemme 122 angelegte Datenimpuls nacheinander durch die folgenden
Registerstufen weitergeschoben.
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Wenn 6 1 wieder nach 0 Volt geht, und unter der Annahme, daß beispielsweise
der Dateneingang ebenfalls auf Massepotential liegt, ist der Transistor 32a aufgetastet
und arbeitet im Folgerbetrieb, um den Kondensator 28a zu entladen, so daß V24a nach
einer gewissen Zeit schließlich gleich VT32a wird. Dies hat zur Folge, daß die Inverterstufe
27 ihren Zustand wechselt.
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Der Transistor 27a ist nun gesperrt, da seine Steuerelektroden-Quellenspannung
VGs praktisch gleich 0 Volt ist, und der Transistor 27b ist leitend und legt an
die Klemme 30 die Spannung +V Volt an. Der Transistor 32b ist gesperrt, und die
Klemme 24b bleibt entladen (bei VT52 Volt), während die Klemme 130 auf +V festgelegt
bleibt. Das +V-Signal an der Klemme 130 wird zur nächstfolgenden Stufe mittels des
ersten Torgliedes der folgen den Stufe (nicht dargestellt) gekoppelt, das durch
6 1 gesteuert wird, und bei abwechselnden Zyklen der Taktimpulse wird es die Stufen
des Schieberegisters hinuntergeschoben.
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Es wurde somit gezeigt, daß es durch die Verwendung eines einzigen
Transistors zur Erzeugung einer Vorspannung möglich ist, verstärkende Stufen mittels
eines Eintransistor-Torgliedes pro Stufe zu koppeln. Die Vorspannungsschaltung macht
die Schaltungsanordnung zuverlässig, gewährleistet eine niedrige Verlustleistung
und beseitigt das Erfordernis, zur zuverlässigen Kopplung der Stufen zwei Tortransistoren
pro Stufe oder andere aufwendige Mittel zu verwenden.
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In Übereinstimmung mit der Erläuterung der Fig. 2B und im Hinblick
auf die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ist leicht einzusehen, daß das Schieberegister
komplementäre Inverterstufen enthalten könnte, die durch Tortransistoren vom n-Typ
gekoppelt sind, in Verbindung mit einer Vorspannungsschaltung, bei welcher der Vorspannungstransistor
ebenfalls n-leitend ist. In
einer solchen Schaltungsanordnung wurde
der Vorspannungstransistor zwischen das positive Potential +V und eine gemeinsame
Quellenleitung, also eine gemeinsame Vorspannungsleitung geschaltet werden, die
an die Quellenelektroden der p-leitenden Transistoren (27b, 127b usw.) der komplementären
Inverterstufen angeschlossen ist.
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Fig. 4 zeigt ein Schieberegister mit einer Doppelvorspannungsanordnung,
bei dem aber nur ein einziger Phasentaktpuls erforderlich ist. Der Stromweg jeder
Inverterstufe ist am einen sunde mit der einen p-leitenden Transistor enthaltenden
Vorspannungsschaltung 50 und am anderen Ende mit einer Vorspanflungsschaltung 60
vom n-Typ verbunden. Die Inverter sind mittels Eintransistor-Torgliedern gekoppelt,
doch ist zu beachten, daß die Tortransistoren einander hinsichtlich des Leitfähigkeitstyps
abwechseln. Wenn also der erste Tortransistor vom ersten Leitfähigkeitstyp ist,
z.B. p-leitend, ist der nächste vom zweiten Leitfähigkeitstyp, also n-leitend, usw.
Die Verwendung von Tortransistoren von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp erlaubt
das Arbeiten mit einem einzigen Taktsignal, um die Daten fortschreitend durch aufeinanderfolgende
Stufen zu schieben. Wenn das Taktsignal V beträgt, leitet der n-leitende Tortransistor,
während der p-leitende Tortransistor gesperrt ist, und wenn das Taktsignal O Volt
beträgt, ist der p-Tortransistor leitend und der n-Tortransistor gesperrt. Durch
die Verwendung von p- und n-Transistoren für die Torglieder sind zwei Vorspannungssohaltungen
notwendig geworden, die eine (60) zum Kompens#eren der Schwellenspannung VT der
n-leitenden Transistoren und die andere (50) zum Kompensieren der Schwellenspannung
der p-Transistoren.
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Wenn man also pro verstärkender Stufe ein Torglied mit einem einzigen
Transistor bei wechselndem Leitfähigkeitstvp der Tortransistoren und zum Vorspannen
der verstärkenden Stufen zwei Vorspannungsglieder vom ersten bzw. zweiten Leitfähigkeitstyp
verwendet, genügt ein einziges Taktsignal, die Daten durch ein
Schieberegister
hindurchzuschieben.
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Die Erfindung wurde zwar an Schaltungsanordnungen erläutert, in denen
die Vorspannungsschaltungen einen Transistor vom gleichen Beitfahigkè~itstyp wie
der Tortransistor enthalten. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Erfindung
auch mit irgendeiner anderen Vorspannungsschaltung realisiert werden kann, die beispielsweise
Zenerdioden oder Widerstands-Spannungsteiler enthalten kann, um eine praktisch konstante
Vorspannung zu liefern.
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Allerdings gewährleistet die Verwendung von Transistoren von gleicher
Art und vom gleichen Leitfähigkeitstyp für die Vorspannungsschaltung und das Torglied
ein sehr gutes GleichlauS-und Temperaturverhalten, wie schon erwähnt wurde.
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lvig. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Wiederherstellen einer
Potentialhöhe, nämlich zum Wiederherstellen der vollen Signalamplitude für das "geschrumpfte"
Signal am Ausgang der vorgespannten Inverterstufen. Zum Zweck der Erläuterung wird
die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5 in Verbindung mit dem anhand von Fig. 3 beschriebenen
Register verwendet. Die Signalamplitude wird dadurch auf die volle Spannung der
Versorgungsquelle wieder hergestellt, daß der 3 Volt-Pegel auf Massepotential hinuntergeschoben
wird. Man beachte, daß bei der Schaltung nach Fig. 3 der 10 Volt-Pegel durch den
gesamten Sehaltungsbetrieb hindurch aufrechterhalten wird.
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Die letzte Stufe des Schieberegisters in Fig. 3 ist durch eine komplementäre
Inverterstufe wiedergegeben, welche Transistoren Qna und Qnb enthält, deren Steuerelektroden
an einem Verbindungspunkt, nämlich der Ausgangsklemme 130 zusammengeschaltet sind.
Dieser Verbindungspunkt ist direkt mit der Quelle 106s des p-leitenden Transistors
106^gekoppelt, dessen Abfluß 106d mit der Steuerelektrode des n-leitenden Transistors
104a verbunden ist. Der Transistor 106 ist ein Torgliedtransistor, der in Steuerelektrodenschaltung
arbeitet, da seine Steuerelektrode an Masse liegt. Die Transistoren 104a und 104b
arbeiten als
komplementäre Inverterstufe, obwohl ihre Steuerelektroden
nicht zusammengeschaltet sind. Die Steuerelektrode des Transistors 104a ist mit
dem einen Ende des Stromweges eines n-leitenden Transistors 108 verbunden, der in
Reihe mit dem Stromweg eines n-leitenden Transistors 110 geschaltet ist. Die Steuerelektrode
des Transistors 110 ist mit einem Ausgangspunkt 112 verbunden, welcher der gemeinsame
Verbindungspunkt der beiden hbflußelektroden der Transistoren 104a und 104b ist,
und die Steuerelektrode des Transistors 108 ist mit der Verbindungsklemme 24b gekoppelt.
Der Stromweg des Transistors 104b ist zwischen den Ausgangspunkt 112 und +V geschaltet
und dient dazu, den Ausgangspunkt auf +V zu klemmen, wenn an seine Steuerelektrode
ein negatives (abfallendes) Signal angelegt wird. Der Stromweg des Transistors 104a
ist zwischen den Ausgangspunkt 112 und Masse geschaltet und dient dazu, den Ausgang
an Massepotential zu klemmen, wenn an seine Steuerelektrode ein positives Signal
angelegt wird.
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Wenn das Potential an der Klemme 24b auf den niedrigen Wert abfällt
(VT52 = 3 Volt), geht das Potential am Ausgang 130 auf +V, d.h. der Ausgang der
n-ten Stufe liegt auf ~,hohem"Potential, und der Transistor 104b ist gesperrt, da
seine Steuer- und Quellenelektroden auf dem gleichen Potential (+V) liegen und seine
Steuerelektroden-Quellenspannung VGS = 0 ist. Die Transistoren Qnb, 106, 108 und
110 bilden einen Spannungsteiler, der der Steuerelektrode des Transistors 104a genügend
Steuerstrom liefert, um diesen Transistor zu sättigen. Der Transistor 106, dessen
Steuerelektrode an Masse liegt, erhält an seiner Quelle 106s die Spannung +V und
bildet daher einen Weg niedriger Impe-Snz Ci#ne zwischen der Steuerelektrode des
Transistors 104a und der Ausgangsklemme 130. Der Transistor 108, dessen Steuerelektrode
auf dem Potential der Schwellenspannung VT52 liegt, und der Transistor 110, dessen
Steuerelektrode mit dem Ausgangspunkt 112 gekoppelt ist, sind anfänglich bestrebt,
etwas von dem Signal nach Masse abzuleiten, doch wird der Transistor 108 niemals
sehr stark angesteuert, und wenn das Potential am Ausgangspunkt 112 absinkt, beginnt
der Trcsnsistsr 110 zu sperren, wodurch
der Transistor 104a stärker
aufgesteuert wird und den Transistor 110 weiter sperrt. Während also die Transistoren
Qnb und 106 zwischen der Steuerelektrode des Transistors 104a und +V einen Stromweg
niedriger Impedanz bilden, stellen die Transistoren 108 und 110 zwischen der Steuerelektrode
des Transistors 104a und Masse einen Stromweg hoher Impedanz dar.
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Das hohe Signal an der Klemme 130 wird somit in ein Signal am Ausgangspunkt
112 transformiert, welches fest auf Massepotential geklemmt ist. Dieses Signal ist
somit zur Anateuerung, jeder normalen Last geeignet.
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Wenn das Potential an der Klemme 24b den hohen Wert (+V) anniinmt,
geht die Ausgangsklemme 130 der n-ten Stufe nach niedrig (VT52), was zur VereinEchung
als 3 Volt angenommen sei. Der Transistor 104b ist in Durchlaßrichtung vorgespannt
und wird in den Sättigungsbereich gesteuert, wodurch der Ausgang am Punkt 112 beginnt,
auf +V anzusteigen. Unter diesen Umständen wird der Transistor 104a schnell gesperrt.
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Wenn das Potential an der Klemme 150 zuerst auf den "niedrigen" Wert
fällt (3 Volt), kann die Steuerelektrode des Transistors 104a auf +V Volt aufgeladen
werden. Es ist ZU beachten, daß nun.
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an die Elektrode 106d die Spannung +V Volt und an die Elektrode 106s
des Transistors 106 die Spannung +) Volt angelegt werden. -Die Elektrode 106d wird
nun zur Quelle des mit seiner Steuerelektrode an Masse gelegten Transistors 106,
welcher nun als Quellenfolger arbeitet und in einer Richtung leitet, bei der das
Potential an der Steuerelektrode des Transistors 104a auf das +3 Volt-Potential
der Klemme 130 entladen wird. Wenn das Potential an der Stei erelektrode des Transistors
104a den Wert VT des Transistors 106 erreicht, wird let#terer praktisch gesperrt
und trennt den Transistor 104a von der Vorspannungsschaltung, so daß die Transistoren
108 und 110 die Steuerelektrode des Transistors 104a an Masse klemmen können.
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Während der Transistor 106 dazu dient, die Ladung auf der
Steuerelektrode
des Transistors 104a anfänglich zu entladen, ist zu beachten, daß also die Transistoren
108 und 110 dazu dienen, die Steuerelektrode des Transistors 104a auf Masse festzulegen.
Da das Potential an der Klemme 24b +V beträgt, wird der Transistor 108 sehr stark
aufgesteuert, und sobald das Potential am Ausgangspunkt 112 anzusteigen beginnt,
wird nun auch der Transistor 110 stärker aufgesteuert, so daß die Stromwege der
Transistoren 108 und 110 zwischen der Steuerelektrode des Transistors 104a und Nasse
einen Weg immer niedrigerer werdender Impedanz bilden. Das "niedrige" Signal an
der Klemme 130 wird somit in ein Signal am Ausgangspunkt 112 verwandelt, welches
fest auf +V geklemmt und somit in hohem Maße zum Ansteuern jeder normalen Last geeignet
ist.
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Bei Verwendung von fünf Transistoren werden die Signale, die sich
mit einem reduzierten Potentialwert fortgepflanzt hatten, auf die volle Amplitude
der Versorgungsquelle wieder hergestellt und sind gut geeignet, zur Ansteuerung
einer äußeren Last.
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Es wurde gezeigt, daß Systeme unter Verwendung einer Vorspannungsanordnung
in Verbindung mit einem Eintransistor-Torglied ausführbar sind, und daß das Ausgangssignal
solcher Systeme auf die volle Amplitude der Leistungsversorgung wiederhergestellt
werden kann.