DE2131019A1 - Zweirichtungs-Schaltverstaerker - Google Patents

Description

• Zweirichtungs-Schaltverstärker Die Erfindung betrifft einen Zweirichtungs-Schaltverstärker, der zwischen zwei' Abschnitte einer verschiedene Datenquellen und -Senken miteinander verbindenden bi-direktionalen Signal-Ubertragungsleiturig fUr binäre Signale (Datenleitung) einfUgbar und symmetrisch aufgebaut ist und der zwei- jeweils gle'ichzeitig eine Eingangsklemme fUr die eine Übertragungsrichtung und eine Ausgangsklemme fUr die andere Ubertragungsrichtung bildende Datenklemmen besitzt.
• Ein solcher Schaltverstärker findet vorzugsweise als Trennverstärker Anwendung beim Datenaustausch Uber Datensammelleitungen zwischen einzelnen Baugruppen eines datenverarbeitenden Gerätes (z.B. Rechner) oder zwischen verschiedenen Geraten, wobei der Datenverkehr in'beiden Richtungen stattfindet. An solchen Stellen der Datenleitung, an denen ohne besondere Maßnahmen eine die Belastbarkeit (fan out) anliegender Ausgange von Datenquellen Ubertreffende Anzahl von Eingängen (Datensenken) mit der Datenleitung verbunden wäre, wird eine Anpassung an die zulässige Belastung (Entkopplung) durch Einfügen eines Zweirichtungs-Schaltverstarkers zwischen die betreffenden Datenleitung,sabschnitte erreicht.
• Ein bekannter Zweirichtungs-Schaltverstärker dieser Art hat außer den Datenklemmen eine zusätzliche Steuerungsklemme, an welchc ein binäres Verst-'rkungsrichtungssignal anzulegen ist, um den Schaltverstärker für eine gerade benötigte Ubertragungsrichtung zu aktivieren. Die Erzeugung eines solcher Richtungssignales erfordert zusatzlichen Aufwand, ebenso dessen Verarbeitung in der Verstärkerschaltung.
• Demgegenüber sind aus dem Gebiet der Telefonie kontinuierliche Zweirichtungsverstärker in Tonfrequenzanlagen bekannt, die ohne Steuerungsklemmen zur Bestimmung der Übertragungsrichtung auskommen und in der Lage sind, gleichzeitig in beiden Richtungen zu übertragen. Dabei muß allerdings eine unerwünschte Rückkopplung durch Einspeisung der Signale über aufwendige, abgeglichene-Brüekenschaltungen gering gehalten werden. (Entsprechend würde in der digitalen Schaltungstechnik eine reine Antiparallelschaltung zweier Umkehrverstarker eine Rückkopplung ergeben, welche die Funktion einer bistabilen Kippstufe erzwingt).
• Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Zweirichtungs-Schaltverstärker zu ermöglichen, welcher die genannten Nachteile der bekannten binären Anordnung (zusätzliches Richtungssignal) vermeidet, ohne dafür die Nachteile kontinuierlicher Zweirichtungsverstärker (Analogtechnik und abgleichbare Brückenschaltungen) in Kauf zu nehmen.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 offenbarten Mitteln gelöst.
• Dadurch läßt sich der Zweirichtungs-Schaltverstärker mit logischen Bausteinen derselben Technik aufbauen, wie sie die Datenquellen und -Senken an der Datenleitung aufweisen, in die e eingefügt ist, so daß keine Umsetzung in andere "logische Pegel" erforderlich ist, Dies ermöglicht eine sehr einfache Realisierung bezUglich Bauelementeaufwand und Stromversorgung. Damit kann eine Datensammelleitung auf einfache Weise auch dort erweitert werden, wo die Belastbarkeit der an ihr liegenden Ausgänge bereits ausgenutzt ist.
• Eine zweckmäßige Ausbildung der Erfindung ergibt sich mit -den Mitteln des Anspruches 2.
• Eine Weiterbildung der Erfindung, die sieh durch besondere Funktionssicherhelt und Störsicherheit auszeichnet, ergibt sieh mit uen in Anspruch 5 offenbarten Mitteln. Mit den Mitteln des Anspruches ll lassen sich eventueil durch die Verzögerungsglieder verflachte Impulsanstiegsflanken versteilern. Gemaß einer anderen Weiterbildung der Erfindung nach den Ansprüchen 6 und 7 aufgebaute Zweirichtungs-Schaltverstarker sind ebenfalls sehr funktionssicher und unempflich gegen Störungen.
• Einfache Ausbildungen der weitergebildeten Erfindung ergeben sich mit den Mitteln der Ansprüche 5,8 und 9, wobei die des letzteren sich für eine Ausführu'ng der gesamten Schaltung als monolithische integrierte Schaltung eignen.
• Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand dreier Ausführungsbeispiele von Zweirichtungs-Schaltverstärkern schematisch dargestellt. Hierbei zeigt Fig. 1 ein logisches Schaltbild des ersten Ausführungsbeispiels, Fig. 2 ein logisches Schaltbild des zweiten Ausführungsbeispiels, Fig. 3 ein logisches Schaltbild des dritten Ausführungsbeispiels mit Verzögerungsgliedern in Querzweigen, Fig. 4 ein logisches Schaltbild des vierten Ausführungsbeispiels mit Verzögerungsgliedern in Längszweigen, Fig. 5 ein näher aufgeschlüsseltes Blockschaltbild einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4.
• Der Zweirichtungs-Schaltverstärker des ersten Ausführungsbeispiel's verbindet über Datenklemmen 1,2 zwei Abschnitte 3,4 einer Datenleitung miteinander. Die jeweils gleichzeitig eine Eingangsklemme für die eine Übertragungsrichtung und eine Ausgangsklemme für die andere Ubertragungsrichtung bildenden Datenklemmen 1 bzw. 2 sind durch zwei identisch aufgebaute, antiparallel zueinander geschaltete Langszweige (Indizes a bzw. b) verbunden, von denen jeder aus der Reihenschaltung eines NAND-Gatters (negierte UND-Schaltung) 5 und eines Umkehrverstärkers 6 besteht. Dabei hat ein erster Eingang des NAND-Gatters 5 mit der einen und der Ausgang des Umkehrverstarkers 6 mit der anderen Datenklemme Kontakt. Der Umkehrverstärker 6 weist eine Belastbarkeit (fan out) auf, die mindestens der Anzahl der Datensenken entspricht, die an den mit der zugehörigen Datenklemme verbundenen Datenleitungsabschnitt angeschaltet sind. Ein zweiter Eingang des NAND-Gatters 5 (5a) ist über eine Querverbindung 7 (7a) direkt mit dem Eingang des Umkehrverstärkers 6 (Cb) des anderen Längszweiges verbunden, an dem auch der Ausgang von dessen NAND-Gatter 5 (5b) liegt. Die logischen Bausteine sind durch integrierte Schaltkreise in einer Technik realisiert, bei der im Falle zu einem Knoten zusammengefaßter Bausteinausgänge ein 1-Signal (Vorzugssignal) auftritt, wenn auch nur einer dieser Bausteinausgänge ein 1-Signal liefert ("wired or"-Technik).
• Liegen an beiden Datenleitungsabschnitten 5 und 4 bereits von außen 1-Signale an, so ist der Schaltzustand der Bausteine des Zweirichtungs-Verstärkers ohne Belang, da die vorhandenen 1-Signale kein 0-Signal an einer Datenklemme aufkommen lassen würden.
• Liegt an beiden Abschnitten 5,4 der Datenleitung - also an beiden Datenklemmen 1 und 2 - ein O-Signal, so ändert der Zweirichtungsverstärker nichts an einem solchen "O-Zustard": An den Ausgängen der NAND-Gatter 5a,5b erscheinen dann 1-Signale, die durch die Umkehrverstärker 6a,6b wieder als Q-Signale an die Datenklemmen 1,2 gegeben werden.
• Sobald jedoch an einer der Datenklemmen ein l-Signal (Vorzugssignal) anlegt, so wird dies an die andere Daterllelemme weitergeleitet, so daß auch dort ein 1-Signal erscheint.
• Z.B. möge nach einem Nullsignal an beiden Datenklemmen 1 und 2 nun am Datenleitungsabschnitt 5 ein 1-Signal angelegt werden. Unter der Annahme, daß am zweiten Eingang (Querverbindung 7b) des NAND-Gatters 5b ein 1-Signal anliegt, was mindestens zunächst wegen des bisherigen O-Signals an Datenklemme 2 auch der Fall sein wird, erscheint an dessen Ausgang (Querverbindung 7a) ein O-Signal, welches zu einem l-Signal am Umkehrverstarker 6b, also wie gewünscht an der Datenklemme 2, führt. Dieses ergibt als erstes Eingangssignal zusammen mit dem O-Signal am zweiten Eingang (Querverbindung 7a) des NAND-Gatters 5a ein l-Signal am Ausgang des NAND-Gatters 5a. Das dort (Querverbindung 7b) anfänglich so vorhandene Signal stellt sich also tatsächlich ein. Der Umkehrverstärker 6a kehrt dieses l-Signal zu einem 0-Signal um, das sich jedoch gegen das an Datenklemme 1 anliegende l-Signal nicht durchsetzt. Würde statt dessen auch am Ausgang des Umkehrverstarkers 6a ein l-Signal liegen, so würde der Verstärker die unerwUnschte Funktion einer bistabilen Kippstufe annehmen, ebenso wie die reine Antiparallelschaltung zweier Umkehrverstärker. Das ist hier jedoch nicht der Fall.
• Der Zweirichtungs-Schaltverstarker hat also ein l-Signal von Datenklemme 1 an die Datenklemme 2 und damit den Datenleitungsabschnitt 4 weitergeleitet, so daß nun an beiden Datenklemmen ein 1-Signal liegt. (Der Datenfluß von Datenklemme 2 nach 1 funktioniert wegen der Symmetrie der Schaltung in analoger Weise).
• Dieser Zustand bleibt solange aufrechterhalten, bis auf beiden Datenleitungsabschnitten ),4 über alle damit verbundenen Datenquellen O-Signale anliegen. Dann rollt auch der Zweirichtungsverstärker zwangsweise in den beschriebenen "O-Zustand" zurück.
• Das zweite Ausführungsbeispiel (Fig. 2) unterscheidet sich vom ersten nur durch die Art der Realisierung der NAND-Schaltungen 5a,b: Diese sind beim zweiten Ausführungsbeispiel aus zwei Umkehrstufen 25a und 2,'a (bzw. 25b und 27b) aufgebaut, deren Eingänge die beiden NAND-Gatter-EingSnge bilden und deren Ausgänge zu einem Knoten zusammengeschaltetsnd , der den NAND-Gatter-Ausgang bildet. Die sonst einander entsprechenden Bausteine beider (und der folgenden) Ausf£ihrungsbeispiele sind mit gleichen Endziffern bezeichnet. Bei zweistelligen Bezeichnungen gibt die jeweils erste Ziffer (1 bis 4) an, um welches der Ausführungsbeispiele es sich handelt.
• Wird bei den beiden ersten Ausführungsbeispielen von Klemme 1 ein 1-Signal auf Datenklemme 2 und damit auf den Datenleitungsabschnitt 4 übertragen, an dem sonst kein weiteres 1-Signal liegen möge, so kann es bei einem anschließenden uebergang auf das O-Signal an Datenklemme 1 infolge kapazitiver Belastung des Datenleitungsabschnittes 4 vorkommen, daß am ersten Eingang des NAND-Gatters 5a noch ein l-Signal liegt, während am Ausgang des NAND-Gatters 5b bereits ein 1-Signal erscheint (um anschließend am Ausgang des Umkehrverstärkers 6b ein O-Signal hervorzurufen). Solange sich die beiden 1-Signale an den Eingängen des NAND-Gatters 5a überschneiden, erscheint an dessen Ausgang ein O-Signal, also kurzzeitig ein l-Signal am Ausgang des Umkehrverstarkers, welches als Störimpuls sowohl in den Datenleitungsabschnitt 5 als auch in das NAND-Gatter 5b zurückgespeist wird. Dieser bei umgekehrter Signalrichtung entsprechend auftretende Effekt wird in den folgenden Ausführungsbeispielen vermieden.
• Hierzu unterscheidet sich das dritte Ausführungsbeispiel von den beiden ersten dadurch, daß jeder Querzweig ein Verzögerungsglied 57a bzw. 57b enthält, das nur Impulsvorderflanken verzögert, die beim Übergang von O-Stgnal auf das l-Signal entstehen.
• Dessen Verzögerungszeit ist so gewählt, daß die obengenannte Überschneidung der 1-Signale an NAND-Gatter 35a gerade verschwindet. Das in der Zeichnung nur als Block dargestellte VerzögerunGsglied 57 enthält. einen Kondensator, dessen eine Klemme an der dem 1-Signal entsprechenden Spannung (um OV) liegt und dessen andere Klemme sowohl mit der Verbindungsleitung zweier in Reihe geschalteter Umkehrverstärker als auch mit einem Arbeitswiderstand Kontakt hat, an welchem seinerseits eine dem anderen Signal entsprechende Spannung angelegt ist.
• Damit gesichert ist, daß nicht auch Impulsflanken verzögert werden, die beim Übergang vom 1-Signal auf das O-Signal (Erscheinen einer 1 an Datenklemme 31) entstehen, hat das NAND-Gatter 35a einen dritten Eingang, der (ebenso wie der Eingang des Verzögerungsgliedes 37a) mit dem Eingang des Umkehrverstärkers 36b des anderen Längszweiges querverbunden ist (gestrichelt gezeiclmete Leitung). Entsprechendes gilt für das NAND-Gatter 37b.
• Eine (durch die gestrichelt gezeichnete Leitung verhinderte) Verzögerung der Übergänge vom 1-Signal auf das 0-Signal in den Querzweigen würde bedeuten, da3 ein an Datenklemme 31 nach einem 0-Signal neu angeliefertes 1-Signal über das NAND-Gatter 35b und den Umkehrverstärker 56b schon ein 1-Signal an den ersten Eingang des NAND-Gatters 35a liefern würde, während dieses wegen der Verzögerung 37a auch noch an dessen zweitem Eingang liegt. Die Folge wäre ein zumindest kurzzeitiges O-Signal am Ausgang des NAND-Gatters 35a, welches am Eingang des Umkehrverstärkers 56a zu einem 1- Signal führen würde, welches als Rückkopplungssignal die Funktion einer bistabilen Kippstufe erzwingen könnte. Eine weitere Sicherheit gegen eine solche unerwünschte 1-0-Verzögerung im Querzweig ist die natürliche Verzögerung des Umkehrverstärkers 36b, welche z.B. durch ein - nicht gezeichnetes - weiteres Verzögerungsglied zwischen Datenklemme 32 und dem zweiten Eingang der UN3-Schaltung 55a (entsprechend 51 und 55b) erhöht werden kann. Doch besteht der besondere Vorteil dieses dritten Ausführungsbeispiels darin, daß es störsicher arbeitet und besonders funktionssicher ist auch ohne Verzögerung im Signalweg.
• Das vierte Ausführungsbeispiel weist eine sehr hohe Funktionssicherheit und Störsicherheit auf bei noch einfacherem Aufbau. Es unterscheidet sich von den beiden ersten Ausführungsbeispielen hauptsachlich dadurch, daß in jedem Langszweig zwischen den Ausgang des NAND-Gatters 45 und den Eingang des Umkehrversterkers 46 ein Verzögerungsglied 48 eingefügt ist, welches Impulsvorderflanken um eine Zeitdifferenz A t mehr verzögert als Impulsrückflanken (Fig. 4). Wählt man at größer als die Dauer von Störimpulsen jeder oben beschriebenen Art, so werden letztere durch das Verzögerungsglied 48 wie von einem Integrierglied vollständig unterdrückt, so daß kein Aufwand zur Verhinderung ihrer Entstehung nötig ist. Die geringe Verzögerung (»t bei ausschließflicher Impulsvorderflankenverzögerung) der Übertragung einer Datensignaländerung ist in den meisten Anwendungsfällen ohne Belang, sie kann sogar u.U. zur Unterdrückung von durch Übersprechen hervorgerufenen Störimpulsen erwünscht sein.
• Bei einer Abwandlung des vierten Ausführungsbeispiels, die in Fig. 5 etwas näher dargestellt ist, sind die NAND-Gatter gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel aufgebaut und zu dem im Längszweig liegenden, als integrierendes RC-Glied ausgebildeten Verzögerungsglied 58a (bzw. 5b) ist ein Schmitt-Trigger 59a (bzw. 59b) in Reihe geschaltet.
• Das Verzögerungsglied 58 enthält einen Kondensator, dessen eine Klemme an der dem l-Signal (Vorzugssignal) entsprechenden Spannung OV liegt. Die andere Klemme dieses'Kondensators ist mit dem als herausgeführter Kollektoranschluß ausgebildeten Ausgang des Umkehrverstärkers 55a verbunden, der auch den Ausgang des entsprechenden NAND-Gatters bildet und an dem ein Arbeitswiderstand 50 angeschlossen ist, an dessen anderer Klemme eine den pegel des O-Signales bestimmende Vorspannung UB liegt. Auch die Ausgänge der anderen logischen Bausteine bestehen aus herausgeführten Kollektoranschlüssen und sind ober Arbeitswiderstände 50 mit der Vorspannung verbunden. Der Haptbaustein des Schmitt-Triggers (59a bzw. 59b) kehrt sein Eingangssignal um; ihm ist ein Umkehrverstärker nachgeschaltet, damit insgesamt keine Signalumkehrung auftritt.
• Das Verzögerungsglied 58 ist als Integrierglied mit zwei Zeitkonstanten (je nach 0-1 oder 1-0-Signalübergang) wirksam, von denen die eine nahezu 0 ist (Arbeitswiderstand bei leitendem Umkehrverstärkerausgang unwirksam) und von denen die andere (sperrender Umkehrverstärkerausgang, Art beitswiderstand wirksam) so dimensioniert ist, daß die eventuell bei den verschiedenen Signalübergängen aufgrund unterschiedlicher Laufzeiten der einzelnen logischen Bau-Steine auftretenden signal 0"-Störimpulse geglättet werden.
• Eine durch den Kondensator bedingte verlängerte Signalanstiegszeit wird durch den Schmitt-Trigger 59 wieder verkürzt.
• Die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Verstärker kannen auch in einer symmetrischen Zweidraht-$Datenleitung eingesetzt werden, wenn den Längszweigen entsprechende Kopplungsstufen mit symmetrischen Ein- bzw. Ausgängen vor-bzw. nachgeschaltet werden.

Claims (10)

Schutzansprüche

1. Zweirichtungs-Schaltverstärker, der zwischen zwei Abschnitte einer verschiedene Datenquellen und -Senken miteinander verbindenden bi-direktionalen Signalübertragungsleitung für, binäre Signale (Datenleitung) einfügbar und symmetrisch aufgebaut ist und der zwei jeweils gleichaeitig eine Eingangsklemme ür die eine Übertragungsrichtung und eine Ausgangsklemme für die andere Übertragungsrichtung bildende Datenklemmen besitzt, d a d u r c h g e k e n n z e i o h n e t, daß er bei gleichzeitigem Anliegen unterschiedlicher Signale (0-bzw. 1-.Signal) an den beiden Datenklemmen (1,2) ein Vorzugssignal (z.B. 1-Signal) an die jeweils andere Klemme weiterleitet und aus folgender Schaltung logischer Bausteine oder einem logischen Äquivalent hierzu gebildet ist; die beiden Datenlklemmen (1,2) sind durch zwei identisch aufgebaute, antiparallel auseinander geschaltete Längszweige (Indizes a bzw. b) verbunden, von denen jeder aus der Reihenschaltung eines NAND-Gatters (negierte UND-Schaltung) (5) und eines Umkehrverstärkers (6) besteht, wobei ein erster Eingang des NAND-Gatters (5) mit der einen und der Aus gang des U.-mkehrverstärkers (6) mit der anderen Dateklemme Kontakt hat und ein zweiter Eingang des NAND-Gatters (5) Uber einen Querzweig direkt mit dem Fingang des Umkehrverstärkers des anderen Längszweiges verbunden ist, an. dem auch der Ausgang von dessen NAND-Gatter liegt. (Fig. 1) 2.. Verstärker nach Anspruch 1, d a d u r o h g e k e n nz e e i c h n e t, daß die NAND-Gatter (5) jeweils aus zwei Umkehrstufen (25 bzw. 27) mit gemeinsamen Ausgang bestehen, deren Eingänge die beiden NAND-Gatter-Eingänge bilden, (Fig.

2)

3. Verstärke nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in jedem Langszweig zwischen den Ausgang des NAND-Gatters (45) und den Eingang des Umkehrversterkers (46) ein Verzögerungsglied (48)'eingefUgt ist, welches Impulsvorderflanken mehr verzögert als -Rückflanken. (Fig. 4)

4. Verstärker nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß in den Längszweig zwischen das Verzögerungsglied (58) und den mit dem zweiten Eingang des anderen NAND-Gatters verbundenen Eingang des reihengeschalteten Umkehrverstärkers (56) ein Schmitt-Trigger (59) ohne Signalumkehrung (oder ein signalumkehrender Schmitt-Trigger mit nachgeschalteter Umkehrstufe) eingefügt ist. (Fig. 5) 5. Verstärker nach Anspruch 5 oder 4, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß das Verzögerungsglied (58) einen Kondensator enthält, der einerseits an einer Klemme, die eine dem Vorzugssignal entsprechende Spannung (z.B.

OV) führt, und andererseits an einem Arbeitswiderstand liegt, der die dem anderen Signal entsprechende Spannung führt. (Fig.

5)

6. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß jeder Querzweig ein Verzögerungsglied (37) enthält, das nur diejenigen Impulsvorderflanken verzögert, die beim Übergang auf das Vorzugssignal (1-Signal) entstehen. (Fig. 3)

7. Verstärker nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß d.as NAND-Gatter (35) einen dritten Eingang hat, der mit dem Eingang des an seinem zweiten Eingang liegenden Verzögerungsgliedes verbunden ist. (Fig. 3)

8. Verstarker nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß das Verzögerungsglied ()7) einen Kondensator enthält, der einerseits an einer Klemme, die eine dem Vorzugssignal entsprechende Spannung (z.B.

OV) führt, und andererseits an der Verbindungsleitung zweier in Reihe geschalteter Umkehrverstärker und eines Arbeitswiderstandes liegt, welcher die dem anderen Signal entsprechende Spannung führt.

9.-Verstarker nach Anspruch 5 oder 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Verzögerungsglied eine nicht invertierende, gegebenenfalls mehrgliedrige, beispielsweise aus Umkehrverstarkern bestehende logische Schaltung ist.

10. Verstarker nach einem der vorigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die logischen Bausteine in der Technik der sogenannten verdrahteten ODER-Schaltung 1twired or" realisiert sind.