DE2128920A1 - Electronic switch for logic circuits - Google Patents
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Description
Dr. Herbert Seh ο UDr. Herbert Seh ο U
Anmerdcr: N.V. PMLiPS' GwOElLAMPENFABMEIStt Va/RV. Note: NV PMLiPS ' GwOElLLAMPENFABMEIStt Va / RV.
Akte: PHU- I 3 File: PHU- I 3
Anmeldung vonu t) Registration of u t)
Elektronischer Schalter für logische Schaltungen,Electronic switch for logic circuits,
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Schalter für logische Schaltungen mit einem ersten und einem zweiten Transistor, wobei der Kollektor des ersten Transistors mit der Basis des zweiten Transistors gekoppelt ist, die Emitter miteinander gekoppelt sind und ein Triggersignal an die Basis des ersten Transistors angelegt wird. In logischen Schaltungen muss das Ausgangssignal in Abhängigkeit von den Werten einer Anzahl von EingangsSignalen einen von zwei möglichen diskreten Werten annehmen, welche Werte im bimären Kode eine 0 oder 1 repräsentieren. Um dieses Verhalten zu erzielen, wird in vielen logischen Schaltungen ein Differenzverstärker verwendet, wobei eine der Eingangsklemmen den Verbindungspunkt der Eingänge der logischen Schaltung darstellt und an die zweite Eingangsklemme eine konstante Spannung angelegt wird« Je nach der an die Eingangsklemme des Differenzverstärker ange-The invention relates to an electronic switch for logic circuits with a first and a second transistor, wherein the collector of the first transistor is coupled to the base of the second transistor, the emitters are coupled to one another, and a trigger signal is applied to the base of the first transistor. In logic circuits, the output signal must depend on the Values of a number of input signals one of two possible discrete Assume values which values represent a 0 or 1 in the bimeric code. To achieve this behavior, many logical steps are taken Circuits uses a differential amplifier, one of the input terminals representing the connection point of the inputs of the logic circuit and a constant voltage is applied to the second input terminal «Depending on the voltage applied to the input terminal of the differential amplifier
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legten Spannung ist eine der beiden Stufen dieses Verstärkers leitend. Der Nachteil derartiger Schaltungen besteht in der Notwendigkeit einer konstanten Bezugsspannung an der zweiten Eingangsklemme des Differenzvers tSrkers.When the voltage is applied, one of the two stages of this amplifier is conductive. The disadvantage of such circuits is the need for a constant reference voltage at the second input terminal of the differential verse tSrkers.
Die Notwendigkeit dieser Bezugsspannung lässt sich dadurch vermeidenf dass statt eines Differenzverstärker eine Schwellenschaltung verwendet wirdf die schon längst unter der Bezeichnung "Schmitt"-Schaltung oder "Schmitt-Kippschaltung" bekannt ist. Bei dieser Schaltung der eingangs erwähnten Art geht das Ausgangssignal, wenn das Eingangssignal den Ansprechwert der Schaltung tiberschreitet, ait einer nur von der Schaltung abhängigen Geschwindigkeit von einem binaren Wert in den anderen über. Infolge der Kopplung zwischen dem Kollektor des ersten Transistors und der Basis des zweiten Transistors wird der Schaltzustand dieses zweiten Transistors unmittelbar durch dem des ereien Transistors bestimmt, so dass eiE Bezugsspannung überflüssig ist. Der Auspreohwert wird dabei durch die Bemessung der Schaltung bestimmt* Ein Hachrüsil der Anwendung einer Schmitt-Kippschaltung in einer logischen Schaltung besteht darin, dass die Ansprechwerte für die beiden Richtungen der Signaläßderungen bei dieserThe necessity of this reference voltage can be avoided by f that instead of a differential amplifier, a threshold circuit is used for the already known under the name "Schmitt" circuit or "Schmitt-trigger circuit". In this circuit of the type mentioned at the beginning, when the input signal exceeds the response value of the circuit, the output signal changes from one binary value to the other at a rate that is only dependent on the circuit. As a result of the coupling between the collector of the first transistor and the base of the second transistor, the switching state of this second transistor is determined directly by that of the other transistor, so that a reference voltage is superfluous. The Auspreohwert is determined by the dimensioning of the circuit
" Schaltung ungleich sind, εο dass eine Hystereseerscheinung auftritt."The circuit are not the same, εο that a hysteresis phenomenon occurs.
Für logische Schaltungen ist diese Hystereseerscheinung unerwünscht^ weil dadurch die Empfindlichkeit für Störsignale vergrössert wird. Der StSrspannungsabstend wird durch diese Hystereseerscheinung nämlich verringert.This hysteresis phenomenon is undesirable for logic circuits ^ because this increases the sensitivity to interfering signals will. The StSrspannungsabstend is due to this hysteresis phenomenon namely reduced.
Die Erfindimg h.at den 2%?eck, einen elektronischen Schalter für logische Schaltungen su schaffen., bei dem die Hystereseerscheinung leichter unterdrückt werden kann, der einen grossen Störspannungsabstand aufweisen kann und bei dem dem Ausgang erhebliche Ströme zur SteuerungThe invention h.at the 2%? Eck to create an electronic switch for logic circuits, in which the hysteresis phenomenon can be suppressed more easily, which can have a large signal-to-noise ratio and in which the output has considerable currents for control
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folgender Stufen entnommen werden können.can be taken from the following stages.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in den Kollektorkreis des ersten Transistors ein erster Spannungsteiler aufgenommen ist, dessen Anzapfungspunkt mit der Basis eines dritten als EmitterfolgerThe invention is characterized in that in the collector circuit of the first transistor, a first voltage divider is added, the tap point of which with the base of a third as an emitter follower
geschalteten Transistors verbunden ist, und dass in den Emitterkreis dieses dritten Transistors ein zweiter Spannungsteiler aufgenommen ist, dessen Anzapfungspunkt mit der Basis des zweiten Transistors verbunden istswitched transistor is connected, and that in the emitter circuit a second voltage divider is added to this third transistor, the tap point of which is connected to the base of the second transistor
Die Kombination der Spannungsteiler und des Emitterfolgers in der Verbindungsleitung zwischen dem Kollektor des ersten und der Basis des zweiten Transistors ergibt eine grosse Freiheit in bezug auf die Einstellung der Schaltkennlinie. Wie in der Figurbeschreibung näher auseinander gesetzt werden wird, kann durch eine richtige Einstellung der Spannungsteiler erreicht werden, dass der Ansprechwert des Schalters for die beiden Richtungen der Signaländerung derselbe ist, d.h. dass die Schaltkennlinie keine Hystereseerscheinung aufweist, wahrend dennoch eine genügende Freiheit in bezug auf die GrSsse des Ansprechwertes übrig bleibt.The combination of the voltage divider and the emitter follower in the connection line between the collector of the first and the base of the second transistor results in great freedom with regard to the setting the switching characteristic. As will be set out in more detail in the description of the figures, correct setting of the Voltage divider can be achieved that the response value of the switch for the two directions of signal change are the same, i.e. that the Switching characteristic shows no hysteresis phenomenon, while nevertheless there is sufficient freedom with regard to the size of the pickup value remain.
Eine positive Rückkopplung lässt sich dadurch erzielen, dass in die gemeinsame Emitterleitung des ersten und des zweiten Transistors ein Widerstand aufgenommen wird. Stattdessen kann aber auch eine Stromquelle oder die Reihenschaltung einer Anzahl von Dioden aufgenommen werden.Positive feedback can be achieved in that into the common emitter line of the first and second transistor a resistance is added. Instead, however, a current source or the series connection of a number of diodes can also be included will.
Um eine schnellere Wirkung der Schaltung zu erzielen, kann der erste Spannungsteiler von einernVorwärtsrichtung betriebenen Diode überbrückt werden, die dann als eine die Uebersteuerung des ersten Transistors verhindernde Diode wirkt.In order to achieve a faster operation of the circuit, the first voltage divider by an n-powered forward direction diode can be bridged, which then acts as a overdriving of the first transistor preventing diode.
Das Ausgangssignal kann dem Kollektor des ersten Transis-The output signal can be sent to the collector of the first transistor
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tors entnommen werden, an welchem Punkt die Schaltung gut belastet werden kann»tors can be taken from the point at which the circuit will be well loaded can"
Ein komplementäres Ausgangssignal kann dem Kollektor des zweiten Transistors entnommen werden» zu welchem Zweck in den Kollektorkreis dieseB Transistors eine Impedanz aufgenommen werden muss. Um die Schaltgeschwindigkeit der Schaltung zu vergrössern* kann diese Impedanz ihrerseits von einer in der Vorwärtsrichtung betriebenen Diode überbrückt werden.A complementary output signal can be sent to the collector of the second transistor, for what purpose an impedance must be added to the collector circuit of this transistor. To the Increasing the switching speed of the circuit * can increase this impedance in turn bridged by a diode operated in the forward direction will.
Um eine logische Schaltung zu erhalten» kann eine Anzahl von Transistoren zu dem ersten Transistor parallel angeordnet und.können J die Basen dieser Transistoren, einschliesslich der Basis des ersten Transistors» als Eingangsklemmen der logischen Schaltung verwendet werden. Bas Ausgangssignal kann dabei dem Emitter eines Transistors entnommen werden, dessen Basis mit dem Kollektor des dritten Transistors verbunden ist, dessen Kollektor mit einer der Klemmen der Speisequelle und dessen Emitter über eine Impedanz mit der anderen Klemme der Speisequelle verbunden ist."In order to obtain a logic circuit can be arranged parallel und.können J, the bases of these transistors are used, including the base of the first transistor" as the input terminals of the logic circuit a number of transistors to the first transistor. The output signal can be taken from the emitter of a transistor whose base is connected to the collector of the third transistor, whose collector is connected to one of the terminals of the supply source and whose emitter is connected via an impedance to the other terminal of the supply source.
Auch kann die Basis des ersten Transistors mit dem gemeinsamen Emitter einer Anzahl parallel geschalteter Transistoren verbunden werden, deren gemeinsamer Kollektor mit einer der Klemmen der Speisequelle verbunden ist und deren Basen die Eingangssignale der logischen Schaltung zugeführt werden. Dabei muss die Basis des ersten Transistors über einen Widerstand mit einer Klemme der Speisequelle oder mit dem Emitter dieses ersten Transistors verbunden sein. Dieser Aufbau der Schaltung ergibt Vorteile bei der Integration, wie aus der FigurbeSchreibung hervor geht. The base of the first transistor can also be connected to the common emitter of a number of parallel-connected transistors whose common collector is connected to one of the terminals of the supply source and whose bases are supplied with the input signals of the logic circuit. The base of the first transistor must be connected via a resistor to a terminal of the supply source or to the emitter of this first transistor. This structure of the circuit results in advantages in terms of integration, as can be seen from the description of the figures .
Siftige Aueftthrungsforaen der Erfindung sind in den Zeich- Soft implementation fora of the invention are in the drawing
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nungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:and are described in more detail below. Show it:
Piguren 1 und 2 zwei Ausführungsformen einer logischen Schaltung mit einem elektronischen Sehalter gemäss der Erfindung,Piguren 1 and 2 two embodiments of a logic circuit with an electronic switch according to the invention,
Fig. 3 die Kennlinie der Schaltung nach der Erfindung im Vergleich zu der einer Schmitt-Kippschaltung, undFig. 3 shows the characteristic of the circuit according to the invention in Compared to that of a Schmitt flip-flop circuit, and
Figuren 4-7 eine integrierte Ausführung der Schaltung nach Fig. 2,FIGS. 4-7 an integrated version of the circuit according to FIG. 2,
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer logischenFig. 1 shows a first embodiment of a logical
Schaltung mit einem elektronischen Schalter nach der Erfindung. Die Schaltung enthält drei parallel .geschaltete Eingangstransistoren T., T_ und T,, deren Basen die Eingangssignale V. zugeführt werden können. Es ist aber einleuchtend, dass die Anzahl von Eingangstransistoren ohne weiteres vergrössert werden kann. Der gemeinsame Kollektor dieser Eingangstransistoren ist über einen ersten Spannungsteiler S1 mit den Teilwiderständen R1 und R9 an die Erdungsklemme angeschlossen. Der Anzapfungspunkt dieses Spannungsteilers S ist mit der Basis eines als Emitterfolger geschalteten Transistors T verbunden, dessen Emitter seinerseits über einen zweiten Spannungsteiler S? mit den Teilwiderständen R, und R. an den gemeinsamen Emitter der Eingangstransistoren angeschlossen ist. Der Anzapfungspunkt dieses zweiten Spannungsteilers S„ ist mit der Basis eines Transistors T. verbunden, dessen Kollektor mit der Erdungsklemme und dessen Emitter mit dem gemeinsamen Emitter der Eingangstransistoren verbunden ist.Circuit with an electronic switch according to the invention. The circuit contains three input transistors T., T_ and T, connected in parallel, whose bases can be supplied with input signals V. It is evident, however, that the number of input transistors can easily be increased. The common collector of these input transistors is connected to the ground terminal via a first voltage divider S 1 with the partial resistors R 1 and R 9. The tapping point of this voltage divider S is connected to the base of a transistor T connected as an emitter follower, the emitter of which in turn has a second voltage divider S ? with the partial resistors R, and R. is connected to the common emitter of the input transistors. The tapping point of this second voltage divider S ″ is connected to the base of a transistor T. whose collector is connected to the ground terminal and whose emitter is connected to the common emitter of the input transistors.
Der elektronische Schalter kann hier also annahmeweise aus jedem der Eingangstransistoren (T1,T?,T ), den Spannungsteilern S1 und S„ und den Transistoren T. und T1- aufgebaut sein. Der Schaltzustand des Transistors T wird durch den Schaltzustand der Eingangstransistoren bestimmt, und zwar durch die Kopplung des gemeinsamen Kollektors dieser TransistorenThe electronic switch can therefore be constructed from each of the input transistors (T 1 , T ?, T), the voltage dividers S 1 and S ″ and the transistors T and T 1 . The switching state of the transistor T is determined by the switching state of the input transistors, namely by the coupling of the common collector of these transistors
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mit der Basis von T über den Spannungsteiler S , den Transistor T und den Spannungsteiler S-. Dieser Aufbau der Kopplung ermöglicht es, durch eine richtige Einstellung der Spannungsteiler S und S_ eine hysteresefreie Schaltkennlinie zu erzielen, während ausserdem eine genügende Freiheit besteht, die Schaltspannung auf einen verlangten Wert einzustellen, wie durch eine Berechnung an Hand der Fig. 2 nachgewiesen werden wird.with the base of T via the voltage divider S, the transistor T and the voltage divider S-. This structure of the coupling makes it possible through a correct setting of the voltage dividers S and S_ a hysteresis-free To achieve the switching characteristic, while there is also sufficient freedom to set the switching voltage to a required value, as will be demonstrated by a calculation on the basis of FIG.
TJm die Schaltgeschwindigkeit zu vergrössern, kann der erste Spannungsteiler S. von einer Diode T„ überbrückt werden, die verhindert, dass die Eingangstransistoren in den Sättigungszustand geraten. Der gemeinsame Emitterwiderstand R_ der Transistoren T , T , T und T trägt zu einer schnellen Umschaltwirkung bei. Dieser Widerstand kann aber auch durch eine Stromquelle oder durch die Reihenschaltung einer Anzahl von Dioden ersetzt werden, obwohl die Anwendung eines Widerstandes mit Rücksicht auf die Temperaturstabilität Vorteile aufweist. Das Ausgangssignal V kann dem Emitter eines als Emitterfolger geschalteten Transistors Tg entnommen werden, dessen Basis mit dem gemeinsamen Kollektor der Eingangstransistoren verbunden ist. Diese Entnahme des Ausgangssignals über einen Emitterfolger ist bei dieser Schaltung erforderlich, damit der Ausgang wieder mit den Eingängen folgender logischen Schaltungen verbunden werden kann. Ein komplementäres Ausgangssignal kann über einen Emitterfolger dem Kollektor von T entnommen werden, zu welchem Zweck in den Kollektorkreis dieses Transistors eine Impedanz aufgenommen werden sill, die zur Vergrösserung der Schaltgeschwindigkeit ihrerseits von einer Diode überbrückt werden kann.To increase the switching speed, the first voltage divider S. can be bridged by a diode T ", which prevents that the input transistors get into the saturation state. The common one Emitter resistance R_ of the transistors T, T, T and T carries contributes to a quick switching effect. But this resistance can also be replaced by a power source or by the series connection of a number of diodes, although the use of a resistor is considered with consideration has advantages on temperature stability. The output signal V can be connected to the emitter of a transistor Tg connected as an emitter follower whose base is connected to the common collector of the input transistors. This extraction of the output signal via a Emitter follower is required in this circuit so that the output can be connected again to the inputs of the following logic circuits can. A complementary output signal can be provided via an emitter follower taken from the collector of T, for what purpose in the collector circuit This transistor has an impedance to be recorded, which in turn is bridged by a diode to increase the switching speed can be.
Die beschriebene Schaltung kann auf übliche Weise in einem Halbleiterkörper integriert werden. Vorteilhaft kann bei Integration aber eine Abwandlung dieser Schaltung verwendet werden (siehe Fig. 2).The circuit described can be integrated in a semiconductor body in the usual way. Can be advantageous with integration but a modification of this circuit can be used (see Fig. 2).
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Diese Schaltung enthält gleichfalls drei parallel geschaltete Eingangstransistoren T11, T12, T15, deren gemeinsamer Kollektor nun unmittelbar mit der Erdungsklemme verbunden ist. Der gemeinsame Emitter dieser Eingangstransistoren ist mit der Basis des Transistors T.. und über einenThis circuit also contains three input transistors T 11 , T 12 , T 15 connected in parallel, the common collector of which is now directly connected to the ground terminal. The common emitter of these input transistors T. connected to the base of the transistor. and about one
Widerstand R11 mit der negativen Klemme (-V) der Speisequelle verbunden. Der Transistor T4. bildet einen Teil des elektronischen Schalters nach der Erfindung, der ferner die Transistoren T , T , und die Spannungsteiler S. und S15 enthält. Statt der Anwendung einer zu dem Spannungsteiler S11 parallel geschalteten Diode ist der Transistor T1- mit einem zusätzlichen Emitter versehen, der mit dem Kollektor von T , verbunden ist. Auf diese Weise wird praktisch der gleiche Effekt erzielt, weil in der Praxis der Teilwiderstand R1- von S11 erheblich kleiner als der Teilwiderstand R1, ist.Resistor R 11 connected to the negative terminal (-V) of the supply source. The transistor T 4 . forms part of the electronic switch according to the invention, which further comprises the transistors T, T, and the voltage dividing p and S 15th Instead of using a diode connected in parallel to the voltage divider S 11 , the transistor T 1 - is provided with an additional emitter which is connected to the collector of T 1. In this way, practically the same effect is achieved, because in practice the partial resistance R 1 - of S 11 is considerably smaller than the partial resistance R 1 .
Das Ausgangssignal V kann bei der Schaltung nach Fig. 2The output signal V can in the circuit according to FIG
unmittelbar dem Kollektor von T . entnommen werden, während das komplementäre Ausgangssignal unmittelbar dem Kollektor des Transistors T1^ entnommen werden kann, zu welchem Zweck naturgemäss in den Kollektorkreis dieses Transistors wieder eine Impedanz aufgenommen werden soll.directly to the collector of T. can be taken, while the complementary output signal can be taken directly from the collector of the transistor T 1 ^, for which purpose, of course, an impedance is to be taken up again in the collector circuit of this transistor.
Durch eine passende Wahl der Einstellung der Spannungsteiler S und S1? kann wieder eine hystereeefreie Schaltkennlinie erzielt werden, wie an Hand einer vereinfachten Berechnung der Ansprechwerte der Schaltung näher erläutert wird.By a suitable choice of the setting of the voltage dividers S and S 1? a hysteresis-free switching characteristic can be achieved again, as will be explained in more detail using a simplified calculation of the response values of the circuit.
Dabei sei angenommen, dass die verwendeten Transistoren alle identisch sind. Pur den Spannungsteiler S11 werden Teilwiderstände R2 und R_ und für den Spannungsteiler S12 Teilwiderstände R14 und R^ angewandt.· It is assumed that the transistors used are all identical. Partial resistances R 2 and R_ are used for the voltage divider S 11 and partial resistances R 14 and R ^ are used for the voltage divider S 12.
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-8- PHN. 4915.-8- PHN. 4915
2T2892Q2T2892Q
signal V. zugeführt wird, kann die folgende Gleichung gefunden werden:signal V. is fed, the following equation can be found:
V4-V, - V, = - VD -V, -V13 -V, , i be- be- R1 p be„ R be,,,V 4 -V, - V, = - V D -V, -V 13 -V,, i be be R 1 p be "R be ,,,
T11 T14 12 T15 14 T16 T 11 T 14 12 T 15 14 T 16
wobei Vp die Spannung Über dem Widerstand R19 und V-. die Spannung It12 \d K14 where Vp is the voltage across resistor R 19 and V-. the tension It 12 \ d K 14
über dem Widerstand R.. darstellt.represents across the resistor R ...
Bei der Bestimmung des Ansprechwertes bei zunehmendem Eingangssignal wird davon ausgegangen, dass T . sich noch gerade im gesperrten Zustand befindet (Basis-Emitter-Spannung V „„), während sich der Transistor T1-- im leitenden Zustand befindet (Basis-Emitter-Spannung k V __ + /JT, ). Für den Ansprechwert bei zunehmendem Eingangssignal wird dann gefunden:When determining the response value for an increasing input signal, it is assumed that T. is still just in the blocked state (base-emitter voltage V ""), while the transistor T 1 - is in the conductive state (base-emitter voltage k V __ + / JT,). The following is then found for the response value for an increasing input signal:
/ Vof f - ^/ V of f - ^
Rj ι
Voff Vt ^1 + ;·Rj ι
V off V t ^ 1 +; ·
R15 R15 R 15 R 15
Dabei sei angenommen, dass die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren T und T1- bei diesem tJebergang einander gleich sind.It is assumed that the base-emitter voltages of the transistors T and T 1 are equal to one another at this transition.
Pur die Bestimmung des Ansprechwertes bei abnehmendem Eingangssignal wird davon ausgegangen, dass T,.,- noch gesperrt istPurely for determining the response value with a decreasing input signal it is assumed that T,., - is still blocked
(V, = V „«) und dass T.. sich im leitenden Zustand befindet be„ off 14(V, = V "") and that T .. is in the conductive state be "off 14
»be„
T16 »Be"
T 16
V
14 V
14th
Ferner sei angenommen, dass die Spannung zwischen der Basis von T1 j. und seinem zusätzlichen Emitter V „_ beträgt. Für den Ansprechwert wird dann gefunden»It is also assumed that the voltage between the base of T 1 j. and its additional emitter V "_. The response value is then found »
R RR R
v'=v +Αν- v - ν - νv '= v + Αν- v - ν - ν
Vi off a Vt ^- off R4- off off V i off a V t ^ - off R 4 - off off
R15 15R 15 15
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-9- PHN. 4913.-9- PHN. 4913
Dabei sei wieder angenommen, dass V, « V, ist.It is again assumed that V, «V, is.
te„ be„,te "be",
11 15 Um eine hysteresefreie Kennlinie zu erhalten, muss gelten,11 15 In order to obtain a hysteresis-free characteristic, the following must apply
A 1A 1
i " Yii " Y i
Vi - Vi ^Voff 2& - Δ Vt <* _ E13 R15 V i - V i ^ V off 2 & - Δ V t <* _ E 13 R 15
Aus dieser Gleichung geht deutlich hervor, dass durch passende Wahl der Teilwiderstände eine hysteresefreie Schaltkennlinie erhalten werden kann. Weiter ist es ersichtlich, dass eine genügende Freiheit in bezug auf die ' Wahl der Grosse des Ansprechwertes übrig bleibt. Durch passende Wahl des Ansprechwertes kann erreicht werden, dass der St6"rspannungsabstand gleich der Hälfte des mindestzulässigen Spannungshubes des Eingangssignals ist. Dies ist in Fig. 3 veranschaulicht, in der die Schaltkennlinie einer Schmitt-Kippschaltung (gestricheltes Linie) über der der Schaltung nach der Erfindung (volle Linie) aufgetragen ist. Dabei ist das Eingangssignal als Abszisse und das Ausgangssignal als Ordinate aufgetragen. Wenn ein minimaler Spannungshub V vorausgesetzt wird und der An- From this equation it is clear that with a suitable choice of the Partial resistors a hysteresis-free switching characteristic can be obtained. It can also be seen that sufficient freedom with regard to the ' The choice of the size of the pickup value remains. A suitable choice of the response value can ensure that the St6 "rvoltage distance is the same half of the minimum permissible voltage swing of the input signal. This is illustrated in Fig. 3, in which the switching characteristic of a Schmitt flip-flop (dashed line) over that of the Circuit according to the invention (full line) is applied. The input signal is plotted as the abscissa and the output signal as the ordinate. If a minimum voltage swing V is assumed and the connection
sprechwert bei \ V liegt, geht aus der Figur hervor, dass der StSrspannungsabstand für die Sohaltung nach der Erfindung gleichfalls £ V betrSgt Es sei dabei bemerkt, dass es bei Integration einer Schaltung manchmal erwünscht ist, statt einer Anzahl parallel geschalteter Eingangstransistoren eine Anzahl parallel geschalteter Ausgangstransistoren zusammen mit dem Schalter zu integrieren. Diese Transistoren haben dann eine gemeinsame Basis und einen gemeinsamen Kollektor, der mit dem Kollektor des Transistors T., verbunden ist. Mit diesem Baustein lässt sich dann ein gleiches logisches System wie mit der gezeigten Schaltung aufbauen, wobei nun gleichsam die Eingangstransistoren für die folgenden Bausteine mit den vorangehenden Bausteinen integriert sind.Speaking value is \ V, it can be seen from the figure that the interference voltage spacing for the so-keeping according to the invention is also £ V Integrate output transistors together with the switch. These transistors then have a common base and a common collector, which is connected to the collector of the transistor T. This module can then be used to build the same logical system as the circuit shown, with the input transistors for the following modules now being integrated with the preceding modules.
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-10- PHN. 4913·-10- PHN. 4913
Wie bereits erwähnt wurde, weist die Bauart der Schaltung nach Fig. 2 bei Integration Vorteile auf. Diese Vorteile sind an erster Stelle darauf zurückzuführen, dass die Kollektoren sämtlicher Transistoren bis auf einen unmittelbar mit der Erdungsklemme verbunden sind. Weiter lässt sich der zusätzliche Emitter des Transistors T.c leichter als eine zusätzliche Diode integrieren.As already mentioned, the design of the circuit according to FIG. 2 has advantages in terms of integration. These advantages are primarily due to the fact that the collectors of all but one of the transistors are directly connected to the earth terminal. Furthermore, the additional emitter of the transistor T. c can be integrated more easily than an additional diode.
Der Vorteil der Schaltung besteht darin, dass bei dieser Schaltung ein Integrationsverfahren verwendet werden kann, bei dem nur eine besonders kleine Halbleiteroberfläche benötigt wird. Eine derartige integrierte Ausführung wird nachstehend an Hand der Figuren 4-7 be-" schrieben.The advantage of the circuit is that in this circuit an integration method can be used in which only a particularly small semiconductor surface is required. Such an integrated design is described below with reference to FIGS. 4-7. wrote.
Es sei bemerkt, dass das hier verwendete Integrationsverfahren an sich den Gegenstand der niederländischen Patentanmeldung ITr. 09 089 bildet.It should be noted that the integration method used here in itself the subject of the Dutch patent application ITr. 09 089 forms.
Fig, 4 zeigt eine Topologie oder ein "Layout" einer besonderen integrierten Ausführung der Schaltung nach Fig. 2. Dabei sind in diesen Figuren die unterschiedlichen Schaltungselemente mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig« 2 bezeichnet.Fig. 4 shows a topology or "layout" of a particular one Integrated design of the circuit according to FIG. 2. The different circuit elements with the the same reference numerals as in FIG.
Die Halbleiteranordnung enthält einen Halbleiterkörper 70,The semiconductor arrangement contains a semiconductor body 70,
h der ein niederohmiges Substrat 1Λ aufweist, auf dem eine epitaktische Schicht 72 vom gleichen Leitfähigkeitstyp und mit einem höheren spezifischen Widerstand angebracht ist.(Fig. 5)· Das Substrat 71 und die epitaktische Schicht 72 bilden zusammen die Kollektorzone des Transistors T11, die an ein Bezugspotential, z.B. an Erde, gelegt werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist mit dieser Kollektorzone auch die positive Klemme der Speisespannungsquelle verbunden, so dass das Substrat das positivste Potential führt, das in der Schaltung auftritt,h which has a low-resistance substrate 1Λ , on which an epitaxial layer 72 of the same conductivity type and with a higher specific resistance is applied. (Fig. 5) · The substrate 71 and the epitaxial layer 72 together form the collector zone of the transistor T 11 , the can be connected to a reference potential, e.g. to earth. In the present exemplary embodiment, the positive terminal of the supply voltage source is also connected to this collector zone, so that the substrate carries the most positive potential that occurs in the circuit,
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-11- PHN. 4913.-11- PHN. 4913
Die Eingangstransistoren T11 - T weisen je eine Basiszone 73 und eine Emitterzone 74 auf. TJeber auf der Isolierschicht 75 liegende Metallbahnen 76, die in einer Oeffnung in der Isolierschicht mit den Basiszonen 75 verbunden sind, können Eingangssignale den Transistoren T11, T12 und T zugeführt werden.The input transistors T 11 -T each have a base zone 73 and an emitter zone 74. Input signals can be fed to the transistors T 11 , T 12 and T via metal tracks 76 lying on the insulating layer 75 and connected to the base zones 75 in an opening in the insulating layer.
Eine Metallbahn 77 verbindet die drei Emitterzonen 74 mit der Basiszone 78, 79 des isolierten Transistors T .. Diese Basiszone hat einen zwiechenliegenden Teil 78» der im Halbleiterkörper eine Emitterzone 80 umgibt, während diese Basiszone weiter einen schalenförmigen isolierenden Teil 79 aufweist, der mit der gemeinsamen Kollektorzone 71t72 einen den Transistor T umgebenden isolierenden pn-Uebergang 81 bildet. Die Kollektorzone 82 des Transistors T , die mit einer Kontaktzone 83 versehen ist, ist im Halbleiterkörper völlig von der Basiszone 78,79 umgeben. Der zwischenliegende Teil 78 der Basiszone hängt an der Halbleiteroberfläche 84 mit dem isolierenden Teil 79 zusammen, wobei der zwischenliegende Teil 78 sich in einer zu der Oberfläche 84 parallelen Richtung bis in die Nähe des isolierenden Teiles 79 erstreckt und sich dort an den Teil 79 anschließet. Dadurch bildet der zwischenliegende Teil 78 einen an die Halbleiteroberfläche 84 grenzenden Ansatz oder Ausläufer des isolierenden Teiles 79, welcher Ausläufer über die Kollektorzone 82 hinausragt. A metal track 77 also connects the three emitter zones 74 of the base zone 78, 79 of the isolated transistor T .. This base zone has an intermediate part 78 which forms an emitter zone in the semiconductor body 80 surrounds, while this base zone further has a bowl-shaped insulating part 79, which with the common collector zone 71t72 one the transistor T surrounding the insulating pn junction 81 forms. the The collector zone 82 of the transistor T, which is provided with a contact zone 83, is completely surrounded by the base zone 78, 79 in the semiconductor body. The intermediate part 78 of the base zone is connected to the semiconductor surface 84 with the insulating part 79, the intermediate Part 78 extends in a direction parallel to the surface 84 up to the vicinity of the insulating part 79 and there on the Part 79 follows. As a result, the intermediate part 78 forms one the extension or extension of the insulating part 79 adjoining the semiconductor surface 84, which extension protrudes beyond the collector zone 82.
Der isolierende Teil 79 ist an der Halbleiteroberfläche ringförmig gestaltet oder weist wenigstens eine geschlossene Geometrie auf. Dieser Ring kann zur Kontaktierung der Basiszone 78,79 verwendet werden. An einer geeignet gewählten Stelle kann die Isolierschicht 75 über dem isolierenden Teil 79 mit einer Oeffnung 85 versehen werden, über die die Leiterbahn 77 mit der Basiszone 78,79 verbunden ist.The insulating part 79 is designed in the shape of a ring on the semiconductor surface or has at least a closed geometry on. This ring can be used to contact the base zone 78, 79. At a suitably chosen location, the insulating layer 75 be provided with an opening 85 above the insulating part 79, via which the conductor track 77 is connected to the base zone 78, 79.
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-12- PHN. 4915.-12- PHN. 4915
Wie aus dem Schaltbild (Fig. 2) hervor geht, ist der Widerstand R.. mit der Basis des Transistors T verbunden. Diese Tatsache wird dazu benutzt, eine Leiterbahn und den Raum für die zugehörigen Kontaktöffnungen in der Isolierschicht einzusparen. Die zweite Zone 78,79 des Transistors T weist an der Oberfläche 84 einen örtlich aus dem isolierenden Teil 79 hervorragenden Teil 86 auf, der an die gemeinsame Kollektorzone 71 »72 grenzt und sich in einer Richtung q^uer zu der Halbleiteroberfläche 89 über einen kleineren Abstand als der schalenförmige isolierende Teil 79 in dem Halbleiterkörper erstreckt. Dieser hervorragendeAs can be seen from the circuit diagram (Fig. 2), the resistance is R .. connected to the base of the transistor T. This fact is used to create a conductor track and the space for the associated Saving contact openings in the insulating layer. The second zone 78, 79 of the transistor T has a locally isolated surface 84 from the insulating Part 79 outstanding part 86 on which is attached to the common collector zone 71 »72 borders and extends in a direction perpendicular to the semiconductor surface 89 over a smaller distance than the cup-shaped insulating Part 79 extends in the semiconductor body. This excellent
. Teil 86 kann z.B. zugleich mit dem zwischenliegenden Teil 78 angebracht werden. Der innerhalb des schalenförmigen Teiles 79 liegende zwischenliegende Teil 78 bildet den eigentlichen wirksamen Teil der Basiszone des Transistors T , d.h. einen Teil, in dem im Betriebszustand der Ladungstransport, der an der eigentlichen Transistorwirkung der Struktur beteiligt ist, wenigstens im wesentlichen erfolgt. Der Viderstand R . wird wenigstens grösstenteils durch den aus dem schalenförmigen Teil 79 hervorragenden Teil 86 gebildet.. Der isolierende Teil 79 dient also nicht nur als Isolierung des Transistors, sondern auch als niederohmiger Anschluss des aktiven Teiles der Basiszone und als niederohmige Verbindung. For example, part 86 can be attached at the same time as intermediate part 78 will. The intermediate lying within the shell-shaped part 79 Part 78 forms the actual effective part of the base zone of the Transistor T, i.e. a part in which, in the operating state, the charge transport, which participates in the actual transistor effect of the structure is, at least substantially. The resistor R. is at least largely due to the protruding from the shell-shaped part 79 Part 86 is formed .. The insulating part 79 thus not only serves as an insulation for the transistor, but also as a low-resistance connection of the active part of the base zone and as a low-resistance connection
ψ zwischen dem aktiven Teil und dem Widerstand R11* ψ between the active part and the resistor R 11 *
Der Widerstand R . ist weiter mit der negativen Klemme der Speisespannungsquelle verbunden. Zu diesem Zweck ist die Zone 86 über eine Oeffnung in der Isolierschicht 75 mit der Metallschicht 87 verbunden.The resistance R. is also connected to the negative terminal of the supply voltage source. For this purpose, the zone is 86 m via an opening in the insulating layer 75 is connected it the metal layer 87th
Der Widerstand R.^ wird durch die Zone 88 gebildet und ist über eine Oeffnung in der Isolierschicht mit einer Metallbahn 89 verbunden, die zu der Emitterzone 80 des Transistors T . und zu der Emitterzone 90 des Transistors T^ führt. Der Widerstand R1C- wird durch dieThe resistor R. ^ is formed by the zone 88 and is connected via an opening in the insulating layer to a metal track 89 which leads to the emitter zone 80 of the transistor T. and leads to the emitter zone 90 of the transistor T ^. The resistance R 1C - is determined by the
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-13- PHN. 4913.-13- PHN. 4913
Zone 91 gebildet, die auf einer Seite mit der Zone 88 und auf der anderen Seite mit der Basiszone 92 des Transistors T1,- zusammenhängt. Der Widerstand R.. wird durch eine mit der Basiszone 92 zusammenhängende Zone 93 gebildet. Durch Anwendung einer Metallschicht 94f die in der Oeffnung 95 in der Isolierschicht neben der Emitterzone 90 und der Oeffnung 96 gegenüber auf der Halbleiteroberfläche liegt, ist der Widerstandswert des Widerstandes R. . genauer definiert. Ueber die Oeffnung 96 und die Metallbahn 97 ist der Widerstand R mit einem ersten der beiden Emitter 98 des Kehremittertransistors T^ verbunden. Die beiden Emitterzonen 98 sind im Halbleiterkörper von einer Basiszone 99 umgeben. Mit dieser Basiszone 99 hängen Zonen 100 und 101 zusammen, die die Widerstände R12 bzw. R._ bilden Auch bei diesen Widerständen werden die Widerstandswerte durch eine auf der Halbleiteroberfläche liegende Metallschicht 102 genauer definiert. Eine Metallbahn IO3, die den zweiten Emitter 98 des Transistors T ,. mit der Kollektorzone 82 des Transistors T und mit dem Widerstand R., verbindet, bildet den elektrischen Ausgang der Torschaltung. Der Widerstand R1 9 ist über eine Oeffnung IO4 in der Isolierschicht mit einer Metallschicht 105 verbunden, die mit Hilfe einer Kontaktzone IO6 an die gemeinsame Kollektorzone 71»72 angeschlossen ist.Zone 91 is formed, which on one side with the zone 88 and on the other side with the base zone 92 of the transistor T 1 , - is related. The resistor R .. is formed by a zone 93 connected to the base zone 92. By using a metal layer 94f which lies in the opening 95 in the insulating layer next to the emitter zone 90 and the opening 96 opposite on the semiconductor surface, the resistance value of the resistor R. more precisely defined. Via the opening 96 and the metal track 97, the resistor R is connected to a first of the two emitters 98 of the reverse emitter transistor T ^. The two emitter zones 98 are surrounded by a base zone 99 in the semiconductor body. Zones 100 and 101 are connected to this base zone 99 and form the resistors R 12 and R._ With these resistors too, the resistance values are more precisely defined by a metal layer 102 lying on the semiconductor surface. A metal track IO3, the second emitter 98 of the transistor T,. connects with the collector zone 82 of the transistor T and with the resistor R., forms the electrical output of the gate circuit. The resistor R 1 9 is connected via an opening IO4 in the insulating layer with a metal layer 105, which is connected by means of a contact zone IO6 to the common collector region 71 »72nd
Die Transistoren T - T^ sind weiter mit je einem vergrabenen niederohmigen Teil IO7 zur Herabsetzung des Kollektorreihenwiderstandes versehen, welche niederohmigen Teile 107 sich an und in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Substrat 71 und der epitaktischen Schicht 72 erstrecken.The transistors T - T ^ are further buried with one each low-resistance part IO7 to reduce the collector series resistance provided which low-resistance parts 107 are on and in the Proximity of the interface between the substrate 71 and the epitaxial Layer 72 extend.
Der Transistor T. beansprucht viel weniger Raum als ein auf übliche Weise in einer isolierten Insel angebrachter Transistor. Diese Raumersparung ist darauf zurückzuführen, dass der aktive Teil 78 der BasisThe transistor T. takes up much less space than a transistor mounted in an isolated island in the usual way. These Space saving is due to the fact that the active part 78 of the base
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-14- PHN. 4913.-14- PHN. 4913
zone an der Isolierzone 79 anliegt. Bei den üblichen Strukturen müssen dagegen die Basiszone und die Isolierzonen in einem gewissen Abstand voneinander liegen, wobei dieser Abstand ausserdem wegen der zu berücksichtigenden Toleranzen im Zusammenhang mit der gegenseitigen Orientierung der unterschiedlichen Diffusionsmasken und den etwa bei dieser Orientierung auftretenden Abweichungen verhältnismässig gross sein muss.zone is applied to the insulating zone 79. With the usual structures must on the other hand, the base zone and the isolation zones are at a certain distance from one another this distance is also due to the factors to be taken into account Tolerances in connection with the mutual orientation of the different diffusion masks and, for example, with this orientation occurring deviations must be relatively large.
Eine weitere Raumersparung wird dadurch erhalten, dass für die Transistoren mit einem gemeinsamen Kollektor keine isolierte Insel benötigt wird. Ausserdem sind diese Transistoren infolgedessen auch in geringerem Masse an ihre Stelle gebunden, wodurch das Metallisierungsmuster für die Verbindungen einfacher sein kann. Die Stellen dieser Transistoren können einfach an das Metallisierungsmuster angepasst werden.A further space saving is obtained in that for the transistors with a common collector do not require an isolated island. In addition, these transistors are also in bonded in place to a lesser extent, which may make the metallization pattern for the interconnections simpler. The places of these transistors can easily be adapted to the metallization pattern.
Weiter ist es wichtig, dass das Substrat eine Erdungsfläche, d.h. eine Fläche mit Bezugspotential, für die Schaltung bildet, wodurch die elektrische Wirkung der Schaltung günstig beeinflusst wird.It is also important that the substrate has a grounding surface, i.e. an area with reference potential, for the circuit, whereby the electrical effect of the circuit is favorably influenced.
Die beschriebene Torschaltung weist ein besonders einfaches Metallisierungsmuster mit kurzen Verbindungsbahnen auf. Eine beträchtliche Anzahl von Verbindungen wird ohne Metallbahnen hergestellt, während die Schaltungselemente weiter derart angeordnet werden können, dass auch dank der verhältnismässig grossen Freiheit in bezug auf die Kontaktierung der Basis des selbstisolierenden Transistors-, für die übrigen inneren Verbindungen kurze Leiterbahnen genügend sind.The gate circuit described has a particularly simple metallization pattern with short connecting tracks. A considerable one Number of connections is made without metal tracks, while the circuit elements can be further arranged so that too thanks to the relatively large freedom in terms of contacting the base of the self-isolating transistor, for the rest internal connections short conductor tracks are sufficient.
Die beschriebene Halbleiteranordnung kann mit Hilfe der in der Halbleitertechnik üblichen Verfahren, oder auch auf die der bereits erwähnten niederländischen Patentanmeldung. Nr. 70 09 089 beschriebene Weise hergestellt werden.The semiconductor arrangement described can be made with the aid of the methods customary in semiconductor technology, or also those of the methods already described mentioned Dutch patent application. No. 70 09 089 Way to be made.
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