DE2065294C3 - Binärstufe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Binärstufe mit zwei bistabilen Schaltern, die je ein Paar mit ihren Emittern zusammengeschaltete und mit ihren Basen und Kollektoren über Kreuz gekoppelte Transistoren enthalten, deren Kreuzkopplungspunkte Eingangs- und Ausgangsanschlüssen bilden.

Derartige Binärstufen eignen sich insbesondere zur Ausbildung in integrierter Technik und zur Anwendung für Frequenzzähler, wie sie unter anderem in der deutschen Patentanmeldung P 20 63 525.0 vom 23. Dezember 1970 erörtert sind. Zähler dieser Art lassen sich beispielsweise als Frequenzteiler in Multiplexsignaldekodern zur Erzeugung von Bezugsschwingungen verwenden, die in seitlicher Beziehung zum Bezugsoszillator, jedoch mit einer Subharmischen zur Oszillatorfrequenz stehen. Derartige Bezugsschwingungen werden für die Übermittlung der Synchronisierinformation an die Synchrondetektoren und andere Schaltungsteile des Multiplexdekoders benötigt. Ein derartiger Mukiplexdekoder ist in der vorerwähnten deutschen Patentanmeldung beschrieben.

Aus der DT-OS 19 55 942 ist ein binärer Frequenzteiler bekannt, dessen Kippstufentransistoren durch jeweils ein Transistorpaar gebildet werden, das aus zwei kollektor- und basisseitig zusammengeschalteten Emzeltransistoren besteht. Die Emitter .-Her vier dieser Transistoren sind zusammen an ein Bezugspotential gescha'tet. Die Kollektoren jedes Transistorpaars sind über Kreuz an die Basis eines Transistors des anderen Tranbistorpaars geschaltet. Die Basis des jeweiligen anderen Transistors ist mit den Emittern eines weiteren derartigen Transistorpaares verbunden, dessen Kollektoren mit den zusammengeschalteten Kollektoren desselben Transistorpaares der Kippstufe verbunden sind. Vom Kollektorwiderstand jedes Kippstufentransi· storpaares ist eine einen pn-Übergang enthallende Verbindung auf die Basis eines der Transistoren des zugehörigen zusätzlichen Transistorpaares geführt, die Basis des anderen Transistors dieses zusätzlichen Paares ist mit der die Kreuzkopplungsverbindung zu den Kollektoren des anderen Binärtransistorpaares aufweisenden Basis des einen Binärtransistorpaares verbunden. Die Basis des anderen Binärtransistorpaares ist mit den Emittern des zugehörigen weiteren Transistorpaares verbunden, und dieser Verbindungspunkt ist über einen Kondensator mit einer Impulseingangsklemme verbunden. Auf diese Weise werden also die Eingangsimpulse über zwei Kondensatoren jeweils den Basen eines Transistors der beiden Binärstufentransistorpaare zugeführt, wobei je nach Kippzustand der Binärstufe die unmittelbare Ansteuerung eines der beiden Transistorpaare bewirkt wird, so daß ein Kippvorgang eingeleitet wird und die Binärstufe umschaltet. Die bekannte Schaltung benötigt zur Gleichspannungsentkopplung der beiden Ansteuerbasen der betreffenden Transistoren der beiden Binärstufentransistorpaare wegen der gemeinsamen Ansteuerleitung Kondensatoren, die beispielsweise für eine Ausbildung der Schaltung in integrierter Form unerwünscht sind. Ohne eine solche kapazitive Entkopplung wäre die Schaltung nicht in der gewünschten Weise funktionsfähig. Außerdem müssen die beiden Kondensatoren noch möglichst gut in ihren Kapazitätswerten übereinstimmen, woraus weitere Erschwernisse resultieren.

Aus der US-PS 33 22 974 ist ein Multivibrator mit einem Paar Inverierstufen und Torschaltungen bekannt. Zum Betrieb erfordert diese Schaltung jedoch nicht nur triggernde Eingangsimpulse, sondern außerdem zwei Taktimpulsfolgen, mit Hilfe deren die Torschaltungen gesteuert werden, für die außerdem die Forderung nach

niedrigen Leckströmen besteht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe einer besonders zweckmäßigen und sich für Iniegrier- barkeit eignenden Binärstufe (im folgenden auch Zählstufe genannt) für Frequenzzähler der Art, wie sie in der vorerwähnten deutschen Patentanmeldung P 20 63 525 erläutert sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung sei im folgenden ein Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung erläutert, welche eine bistabile Zählstufe mit den typischen !ogischen Koopelschaltungen für die Verwendung in einem Frequenzteiler darstellt.

Die Figur zeigt einen Zählermodul in Form einer Zählstufe mit den Eingangs- und Ausgangsschallungen. Sämtliche Komponenten dieser Stufe lassen sich in integrierter Form auf einem einzigen Plättchen ausbilden.

Im Frequenzteiler oder in der Zählereinheit bilden Tranaistoren 201 und 203 zusammen mit Kollektorwiderständen 205 und 207 eine bistabile Kipp- oder Flipflopschallung, indem der Kollektor des Transistors 203 an die Basis des Transistors 201, der Kollektor des ^Transistors 201 an die Basis des Transistors 203. die zusammengeschalteten Emitter der Transistoren 201 und 203 an eine Vorspannquelle ( + 3V«£, d.h. das Dreifache des Basis-Emitterspannungsabfalls eines leitenden npn-Transistors auf dem Schaltun^splättchen 22) und die zusammengeschalteten Kollektorwiderstunde 205 und 207 an eine Betriebsspannungsquelle (ζ. Β + 6,2 V) angeschlossen sind. Die angegebenen Betriehsund Vorspannungen für die Zählereinheit sind auf einen Bezugspegel, der im vorliegenden Fall Masse ist. bezogen.

Transistoren 209 und 211 bilden zusammen mit Kollektorarbeitswiderständen 213 und 215 einen /weiten bistabilen Schalter, der in gleicher Weise "> ic der erste geschaltet ist, außer daß die Emitter der Transistoren 209 und 211 gemeinsam an einen Triggerkreis angeschlossen sind, der seinerseits mit einer Triggerimpulsquelle verbunden ist. Die Triggerimpulsquelle ist andererseits über einen an die Basis eines Schalttransistors 219 geführten Widerstand 217 mit der Triggerschaltung verbunden. Der Emitter des Transistors 219 liegt an einem Bezugspotential wie Masse, sein Kollektor liegt über einen Strombegrenzungswider stand 221 am Verbindungspunkt der Emitter der beiden Transistoren 209 und 211.

Im Schalter mit den Transistoren 201 und 203 liegt zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistors 203 die Reihenschaltung zweier Tastdioden 223 und 225, die im gleichen Sinne wie die Kollektor-Basisdiode des Transistors 203 gekoppelt sind, sowie zwischen Basis und Kollektor des Transistors 201 die Reihenschaltung zweier im gleichen Sinne gepolter Tastdioden 227 und 229. Der Verbindungspunkt der Dioden 223 und 225 ist direkt mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kollektor des Transistors 211 und der Basis des Transistors 209 verbunden. Der Verbindungspunkt de Dioden 227 und 229 ist direkt mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kollektor des Transistors 209 und der Basis des Transistors 211 verbunden. Ein Anklammerungstransistor 231 ist mit seiner Basis an den Verbindungspunkt der Emitter der Transistoren 201 und 203, mit seinem Kollektor an B+ und mit seinem Emitter an den Verbindungspunkt der Emitter der Transistoren 209 und 211 angeschlossen.

Im Betrieb wird jedesmal, wenn der Basis des Transistors 219 ein Triggerimpuls zugeführt ist, entweder der eine oder der andere der beiden Transistoren 209 und 211 sowie ein entsprechender der Transistoren 201 und 203 in den leitenden Zustand geschaltet, so daß der Schalter mit den Transistoren 201 und 203 seinen Zustand ändert Die Transistoren 209 und 211 im Kommutierungssciialter schallen dann beide in den gesperrten Zustand zurück, um den nächsten Triggerimpuls zu erwarten. Bei Auftreten des nächsten Triggerimpulses schaltet derjenige der Transistoren 209, 211, der während des vorausgegangenen Triggerimpulses gesperrt geblieben ist, in den leitenden Zustand, so daß der Zustand des Schalters 201, 203 abermals geändert wird.

Es sei angenommen, daß der Transistor 203 leitend und der Transistor 201 nichtleitend sind. Bei der in der Zeichnung veranschaulichten Vorspannung liegt an der Basis des lebenden Transistors 203 eine Spannung von + 4 Vaf (z. B. ungefähr τ 2.8 V) und liegt die gleiche Spannung am Kollektor des nichtleitenden Transistors 201. Zugleich liegt am Kollektor des leitenden Transistors 203 sowie an der Basis des nichtleitenden Transistors 201 eine Spannung von ungefähr + 3 \'bl plus der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung des Transistors 203 (z.B. insgesamt +2,2V). Man sieht daher, daß die Ausgangsspannungen an den Kollektoren der Transistoren 201 und 203 zwischen ungefähr + 3Ya/ und +4Ve/. wechselt (die verhältnismäßig geringe Kolk-kt .τ Emiuer-Sätiigungsspannung von ungefähr Ο.^] V „ . j im folgenden der Einfachheit halber vernachlasiigt). Im Kommutierungsschalter 209, 211 ist bei abwesendem Triggerimpuls am Transistor 219 weder der Transistor 209 noch der Transistor 211 leitend. Da der Kollektor des Transistors 201 eine Spannung von +4 Vßt führt und der Kollektorwiderstand 213 des Transistors 209 über die Diode 227 zwischen diese Spannung und die Betriebsspannungsquelle ( + 6,2 V), die größer als 5 Vö£ ist, gekoppelt ist. wird die Diode 227 in den leitenden Zustand durchlaßgespannt, so daß die Basis des Transistors 211 eine Spannung von +5Vߣ führt. Aus ähnlichen Gründen führt die Basis des Transistors 209 wegen ihrer Verbindung mit der Basis des Transistors 201 über die Diode 225 eine Spannung von +4 Vst. Wenn der Transistor 219 durch einen positiven Triggerimpuls eingeschaltet (in den Sättigungszustand gesteuert) wird, wird der Kollektorstrom des Transistors 219 in den Transistor 211 gesteuert, da die Spannung an der Basis des Transistors 211 positiver (um +Vßt-höher) ist als die Spannung an der Basis des Transistors 209. Der Transistor 211 wird daher in den Sättigungszustand gesteuert, so daß seine Kollektorspannung auf einen Wert abzufallen bestrebt ist, der -m wesentlichen gleich der Summe der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannungen der Transistoren 211 und 219 ist. Jedoch leitet der Anklammerungstransistor 231 weiter, so daß seine Emitterspannung auf ungefähr +2 Wbe bleibt. Der Kollektor des Transistors 211 hat daher im wesentlichen auch die Spannung + 2 Vbe, die vom Kollektor des Transistors 211 auf den Verbindungspunkt der Dioden 225 und 223 gekoppelt wird. Die Basis des Transistors 203, die, seit dieser Transistor leitend ist, eine Spannung von +4 Vet geführt hat, fällt jetzt in ihrer Spannung auf die Summe der obengenannten Kollektorspannung des Transistors 211 ( + 2Vßir) und der Spannung an der Diode 223 (Ve/r) ab. Da der Emitter des Transistors 203 eine Spannung von +3 Vsf führt, hört der Transistor

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203 auf zu leiten. Bei ansteigender Kollektorspannung des Transistors 203 wird der Transistor 201 in den leitenden Zustand gesteuert, und das Umschalten des Schalters 201,203 ist damit beendet.

Beim Auftreten des nächsten Triggerimpulses leitet der Transistor 209, so daß der Schalter 201, 203 wieder seinen Zustand ändert. Zwei Emitterfolgertransistoren 233, 243, die mit ihren Kollektoren an eine Betriebsspannung von +6,2 V angeschlossen sind, sind mit ihren Basen an die Basen der Transistoren 203 bzw. 201 angeschaltet. An den Emittern der Transistoren 233,243 werden Logikspannungspegel von +2 Vßcund +3 Vsf erzeugt.

Der Emitter des Transistors 233 liegt außerdem über einen Spannungsteiler aus Widerständen 235 und 237, die mit ihrem Mittelpunkt an die Basis eines weiteren Emitterfolgertransistors 230 angeschlossen sind, an Masse. Ein Widerstand 241 koppelt den Emitterausgang des Emitterfolgertransistors 239 mit Masse. Der Spannungsteiler verringert die Logikspannungspegel um den Faktor ³A, und jeder der Emitterfolgertransistoren 233 und 239 erzeugt einen Spannungsabfall von 1 Ve£im durchlaufenden Signal. Die am Widerstand 241 erzeugten Logikspannungen betragen dann für die beiden Logikzustände +^]/aVbe und +72VeC über Nullspannung.

Diese Logikspannungspegel eignen sich besonders für Schaltertransistoren, deren Emitter im wesentlichen Null- oder Massepotential führen.

Eine ähnliche Umsetzung erfolgt durch die Reihenschaltung zweier Widerstände 247 und 249. die eine Spannungsteiler-Emitterlast für den Emitterfolgertransistor 243 bilden. Der Mittelpunkt der Widerstände 247 und 249 ist an den Basiseingang eines Transistors 245 angeschlossen. Der in Emitterfolgerschaltung ausgelegte Transistor 245 ist mit seinem Kollektor an die Betriebsspannung von +6,2 V und mit seinem Emitter über einen Widerstand 251, an dem Logikausgangsspannungen abgenommen werden können, an Masse angeschlossen.

Betrachtet man die Arbeitsweise der in der Figur dargestellten Zählstufe, so sieht man. daß der Zähler als Frequenzteiler verwendet werden kann. Eine Verschaltung zweiter oder mehrerer solcher Zähler erfolgt vorteilhafterweise mit Hilfe von Schaltungselementen, die logische UND- und ODER-Funktionen erfüllen. Soll beispielsweise der Zähler nach der Figur durch entweder das dargestellte, der Basis des Transistors 219 zugeführte Triggersignal oder aber ein zweites Triggersignal (beispielsweise das Ausgangssignal eines zweiten Zählers) gesteuert oder getriggert werden, so läßt sich eine solche logische ODER-Funktion mit Hilfe eines zusätzlichen Transistors erfüllen, der mit seiner Basis an einen Ausgang des zweiten Zählers und mit seinem Kollektor und seinem Emitter direkt an die entsprechenden Elektroden des Transistors 219 angeschlossen ist. Eine solche ODER-Funktion ergibt sich bei Anwendung der Positivlogik (d.h. eine logische »1« ist durch eine größere Spannung als eine logische »0« definiert). Eine logische UND-Funktion unter Anwendung von Positivlogik läßt sich im vorliegenden Fall zweckmäßigerweise dadurch erfüllen, daß man in

ίο bekannter Weise eine ODER-Funktion in Negativlogik unter Verwendung der Komplemente der Daten vorsieht und dann die Ausgangsgröße des ODER-Gliedes umkehrt.

Bei dem dargestellten Zähler werden komplementierte logische Ausgangsgrößen von Zählerausgangstransistoren wie dem Transistor 239 abgenommen, und die Emitter sämtlicher Ausgangstransistoren für eine bestimmte negative ODER-Verknüpfung sind an einen einzigen Widerstand wie den Widerstand 241 angekoppelt. Eine geeignete Inverterstufe wird durch einen in der gezeigten Weise geschalteten Transistor 235 gebildet.

Wenn im Betrieb irgendeine der komplementierten logischen Ausgangsgrößen am Widerstand, z. B. dem Widerstand 241, eine logische »1« (I¹A Vsf) ist, wird über den Widerstand 255 eine »1« auf die Basis des Transistors 253 geschickt, so daß dieser leitet. Der Triggereingang zum Transistor 219 wird gesperrt, und der Schalter 201, 203 ändert bei Auftreten eines Triggerimpulses seinen Zustand nicht. Wenn dagegen die Eingangsgröße des Transistors 253 eine logische »0« (Vse/2), wie oben beschrieben) ist, gelangt der Triggerimpuls zum Transistor 219, so daß der Schalter 201,203 umschaltet.

Mehrere Ausgangsgrößen können ohne weiteres von beiden Seiten des Schalters 201, 203 abgenommen werden, indem man parallel zum Transistor 239 zusätzliche Transistoren, beispielsweise einen Transistor 257, schaltet, die an ein Verknüpfungsglied von der Art des Transistors 253 anschaltbar sind.

In Abwandlung des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels der Zählstufe lassen sich zahlreiche Änderungen im Rahmen der Erfindung durchführen Beispielsweise kann bei anderen Bctriebspotentialer zur Erreichung anderer Anschlußspannungspegel die Anzahl der Dioden 223,225, 227, 229 geändert werden Weiterhin können andere Eingangs- und Ausgangsschalungen vorgesehen werden, wenn die Zählstufe füi andere Frequenzzählzwecke eingesetzt werden soll Statt in integrierter Form läßt sich die Schaltung selbstverständlich auch mit diskreten Bauelementer aufbauen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Binärstufe mit zwei bistabilen Schaltern, die je ein Paar mit ihren Emittern zusammengeschaltete und mit ihren Basen und Kollektoren über Kreuz gekoppelte Transistoren enthalten, deren Kreuzkopplungspunkte Eingangs- und Ausgangsanschlüsse bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den ersten Kreuzkopplungspunkt des to ersten Schalters (209, 211) und die beiden Kreuzkopplungspunkte des zweiten Schalters (201, 203) erste Gleichrichter (227, 229) und zwischen den zweiten Kreuzkopplungspunkt des ersten Schalters (209, 211} und die Kreuzkopplungspui'kte des zweiten Schalters (201, 203) zweite Gleichrichter (223, 225) geschaltet sind, daß ferner ein Triggeranschluß (T) zur Zuführung eines Taktsignals an die Emitter der Transistoren (209, 211) des ersten Schalters angeschlossen ist und daß mit den Emittern der Transistoren (201, 203) des zweiten Schalters zur Anhebung des Potentials von dessen Kreuzkopplungspunkten eine Vorspannungsquelle (+ 3 Vßf) verbunden ist.

2. Binärstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter Dioden sind.

3. Binärstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsschaltung einen Halbleiterübergang enthält, welcher zwischen die Emitter der Transistoren (201, 203) des zweiten Schalters und die Emitter der Transistoren (209,211) des ersten Schalters geschaltet ist und derart gepolt ist, daß er in Flußrichtung des Emitterstroms des zweiten Schalters (209,211) stromdurchlässig ist.

4. Binärstufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktsignalquelle Signale mit zwei Pegeln liefert, deren erster a) der Übertragung der Eingangssignale zum ersten Schalter, b) zum Umschalten beider Transistoren (209, 211) des ersten Schalters in den nichtleitenden Zustand und c) zur Entkopplung des zweiten Schalters (201, 203) vom ersten Schalter (209, 211) dient und deren zweiter zur Signalübertragung vom ersten Schalter (209, 211) und Signalspeicherung im zweiten Schalter (201, 203) und zur Steuerung eines der Transistoren jedes Schalters in den leitenden Zustand dient.

5. Binärstufe nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Betriebsspannungsanschlüsse (+ 6,2 V, Masse) und durch eine Impedanzanordnung (205, 207, 213, 215), welche mindestens zwischen einen der Betriebsspannungsanschlüsse ( + 6,2 V) und je einen der Kreuzkopplungspunkte geschaltet ist.

6. Binärstufe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Kreuzkopplungspunkten des zweiten Schalters (201,203) Schaltungsanordnungen (233, 243) verbunden sind, welche auf Grund der Signale an den Kreuzkopplungspunkten an Ausgangsanschlüssen Signale entstehen lassen, die auf den Pegel des einen oder anderen der Betriebsspan- ^₀ nungsanschlüsse geklemmt sind.