DE2139312C3 - Temperaturkompensierter ECL-Schalt-kreis - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen temperaturkompensierten ECL-Schaltkreis nach dem Überbegriff des Patentanspruchs 1.

Für den Aufbau schneller logischer Schaltungen sind die sogenannten ECL-Schaltkreise (ECL=emittergekoppelte Logik) wegen ihrer geringen Laufzeit gut geeignet. Ihre Grundschaltung besteht aus einem Differenzverstärker mit zwei Transistoren, deren Emitter miteinander verbunden sind und die gemeinsam mit annähernd konstantem Strom gespeist werden. Die Basis des einen Transistors bildet den Steuereingang, die Basis des anderen Transistors wird an ein festes Hilfspotential angelegt, das wenigstens annähernd dem arithmetischen Mittel aus dem hohen und dem tiefen Steuerpotential gleich ist. Zur Bildung von ODER- bzw. ODER/NICHT-Funktionen werden der Kollektor-Emitter-Strecke des gesteuerten Transistors vom npn-Leitungstyp die Kollektor-Emitter-Strecken weiterer, ebenfalls an der Basis gesteuerter Transistoren vom gleichen Leitungstyp parallelgeschaltet Mit derartigen Gatterschaltkreisen lassen sich bekanntlich auch UND-Verknüpfungen durchführen, wenn an die Eingänge der gesteuerten Transistoren die invertierten Signale angelegt werden (siehe z. B. Computer Design Dez. 1962, S. 26 bis 30).

Die bekannten ECL-Schaltkreise in monolithischer Aufbautechnik haben statische Übertragungskennlinien, die auf Grund der Toleranzen und der Temperaturabhängigkeit der Bauelementedaten beträchtliche Streuungen aufweisen. Wegen dieser Eigenschaften ist eine an sich sehr erwünschte Signalhubverringerung zur Verbesserung des Laufzeitverlustleistungsproduktes problematisch. Die statische Störsicherheit wird nämlich dabei so klein, daß ein sicheres Arbeiten über einen größeren Temperaturbereich nicht möglich ist. Dieses störende Verhalten der ECL-Schaltkreise wird hauptsächlich durch den Temperaturgang und die Streuung der Basis-Emitterspannungen der Transistoren der Ausgangsemitterf olger verursacht

Durch das Datenblatt der Serie 9b00 der Firma Fairehild, Ausgabe 1970, ist ein temperaturkompensierter ECL-Schaltkreis bekannt, bei dem die Kompensation dadurch geschieht, daß die den Differenzverstärker speisende Stromquelle einen gegenläufigen Temperaturgang zu den Emitterfolgern aufweist Dadurch wird jeweils der niedrige Ausgangspegel temperaturkompensiert Der hohe Ausgaagspegel wird vom niedrigen Pegel stabilisiert mit Hilfe einer Serienschaltung aus zwei antiparallel geschalteten Dioden und einem Widerstand, die die Kollektoren der gegensinnig schaltenden Transistoren des Differenzverstärkers verbindet

Ein weiterer temperaturkompensierter ECL-Schaltkreis, bei dem an den Ausgängen des aus emittergekoppelten Transistoren gebildeten Differenzverstärkers die Basen von als Emitterfolger geschalteten Transistoren angeschlossen sind, ist durch die DT-OS 1907 669 bekannt Eine Kompensationsanordnung bewirkt eine Änderung der Basisspannung des Emitterfolgertransistors derart, daß temperaturbedingte Spannungsänderungen am Basis-Emitter-Übergang dieses Transistors kompensiert werden. Eine solche Kompensationsanordnung ist für jede Seite des Differenzverstärkers erforderlich und besteht aus einem Transistor, dessen Kollektor mit der Basis des Emitterfolgertransistors und dessen Emitter über einen Emitterwiderstand mit dem emitterseitigen Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden sind Seine Basis liegt an einem festen Hilfspotential.

Beide bekannten Schaltungsanordnungen haben den Nachteil, daß die Kompensationsanordnungen an den Schaltvorgängen der Schaltkreise beteiligt sind und sie durch zusätzlich erforderliche Umladevorgänge verzögern. In dem ersten Fall handelt es sich dabei hauptsächlich um die Umladung der Sperrschichtkapazitäten der antiparallel geschalteten Dioden. Im zweiten Fall müssen die Kollektor-Basis-Sperrschichtkapazitäten der Kompensationstransistoren umgeladen werden. Bei monolitischem Aufbau der Schaltkreise kommt dazu noch eine Umladung der Isolationskapazitäten der Dioden bzw. Transistoren gegenüber dem Substrat Mit den bekannten Schaltungsanordnungen läßt sich zwar der Temperatureinfluß auf die Pegel der Ausgangssignale weitgehend beseitigen, damit der Signalhub verkleinern und wiederum als Folge davon die Verlustleistung verringern, aber das Verlustleistungs-Laufzeit-Produkt kann wegen der Laufzeiterhöhung durch die Umladevorgänge nicht oder nicht wesentlich verkleinert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen temperaturkompensierten ECL-Schaltkreis mit Ausgangsemitterfolgern anzugeben, bei dem die Kompensationsmittel vom Schaltvorgang nicht betroffen werden und somit keine Erhöhung der Signallaufzeit verursachen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Hilfe der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt darin

F i g. t ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 2 ein Ersatzschaltbild für die Anordnung nach F i g. 1 unter Zugrundelegung eines bestimmten Schaltzustandes,

Fig.3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Betrachtet man zunächst die Widerstände R 3 bis R 5 und den Transistor 76 als nicht vorhanden, so stellt die F i g. 1 im übrigen einen bekannten ODER-NOR-Schaltkreis in ECL-Technik mit den Eingängen Ei, El und den Ausgängen A 1, A 2 dar. Bezeichnet man die Signale wie die Klemmen, an denen sie auftreten, so gilt:

Signalpegel führt (logisch 0). Die Konstantstromquelle S 2 entspricht dabei der Konstantstromquelle 51 in Fi g. 1, da der leitend gesteuerte Transistor 73 an den Verhältnissen nichts ändert Für den eingeprägten Strom /gilt beispielsweise

Die beiden von den Eingangssignalen gesteuerten Transistoren Tl und T2 einerseits und der Transistor 73 mit seiner an dem festen Hilfspotential UR1 liegenden Basis bilden in Verbindung mit den Kollektorwiderständen R1 und R 2 und der Konstantstromquelle 51 den Differenzverstärker. Die Ausgangsemitterfolger mit den Ί ratisistoren 74 und 75 dienen bekanntlich neben der Verbesserung der Belastbarkeit zur Angleichung der Pegel der Ausgangssignale an die für die Eingangssignale (nachfolgender Stufen) erforderlichen PegeL i/Vist der freie, im Ausführungsbeispiel negative Pol der Betriebsspannungsquelle, wehrend der andere, positive Pol geerdet ist und das Bezugspotential bildet

Zur Kompensation des Temperaturgangs der Spannungsabfälle an den Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 74 und 75 ist das vorher von der Betrachtung ausgenommene Netzwerk mit dem Transistor 76 und den Widerständen R 3 bis R 5 vorgesehen. Der Emitter des Transistors 76 ist über den Widerstand R 5 mit dem freien Pol UVder Betriebsspannungsquelle verbunden; die Basis liegt an dem festen Hilfspotential UR 2, das so eingestellt ist, daß der Transistor 76 einen im Vergleich zum Strom der Konstantstromquelle S1 kleinen Strom führt Auch der Transistor 76 bildet somit eine Konstantstromquelle, was allerdings nur im strengen Sinn der Definition, nämlich hinsichtlich der (in bestimmten Grenzen vorhandenen) Unabhängigkeit des gelieferten bzw. aufgenommenen Stroms von der Belastung gilt Um den gewünschten Kompensationseffekt zu erreichen, muß der Kollektorstrom durch den Transistor 76 temperaturabhängig sein. Das ist auch der Fall, weil die Basis-Emitter-Spannung UBE dieses Transistors ebenfalls mit der Temperatur veränderlich ist und sich infolgedessen die wirksame Steuerspannung für den Transistor ändert

Von den Verbindungspunkten Cl und Ci fließen Teilströme über die Entkopplungswiderstände R 3 bzw. R 4 zum Punkt C6, wo sie sich zum eingeprägten Strom IK addieren. Dabei sollen die Werte für die Widerstände A3 und A4 für eine gute Entkopplung der Punkte C2 und C 3 möglichst groß sein. Sie dürften aber auch nicht zu groß sein, um nicht die Wirkung des Transistors 76 als Konstantstromquelle zu beeinträchtigen.

Im übrigen sind sie ohne Einfluß auf die Funktion der Kompensationsschaltung. Dagegen isi das Verhältnis zwischen den Widerstandswerten der Kollektorwiderstände R1 bzw. R 2 und des Emitterwiderstandes R 5 von Bedeutung. Eine optimale Kompensationswirkung ergibt sich, wenn der Wert der Kollektorwiderstände Rt bzw. Rl doppelt so groß wie der Wert des Emitterwiderstandes R 5 ist.

Zum besseren Verständis der Funktion ist in F i g. 2 ein Ersatzschaltbild der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 dargestellt Gleichzeitig enthält die F i g. 2 als Beispiel einige Angaben zur Dimensionierung. Das Ersatzschaltbild gilt für den Fall A 1 =»0«, d. h. für den Schaltzustand, in dem die Klemme A 1 den niedrigen

wobei UHder Signalhub, d. h. der Unterschied zwischen dem hohen und dem niederen Signalpotential ist

Die Konstantstromquelle 53 ist durch den Transistor 76 in Verbindung mit dem Emitterwiderstand R 5 und dem festen Hilfspotential UR 2 gebildet Der eingeprägte Strom, beispielsweise von der Größe

₁₂₀

teilt sich in die Teilströme IKX und IK 2 auf, durch deren Wirkung sich die (unterschiedlichen) Potentiale an den Punkten Cl und C3 etwas mehr vom Bezugspotential weg verlagern, als es ohne ihr Vorhandensein der Fall wäre.

Die Verlagerung muß temperaturabhängig und so groß sein, daß damit die von der Temperatur abhängige Veränderung der Basis-Emitter-Spannung der Transistören 74 und 75 ausgeglichen wird. Das wird durch die Temperaturabhängigkeit des eingeprägten Stroms IK erreicht der, wie schon erwähnt beispielsweise nach der Beziehung

von der mit der Temperatur veränderlichen Basis-Emitter-Spannung UBE abhängt

Die F i g. 3 zeigt einen ECL-Schaltkreis, der zusätzlich zu den in F i g. 1 gezeigten Schaltungsteilen, die auch gleich bezeichnet sind, noch im Prinzip bekannte Mittel zur Erzeugung der erforderlichen Hilfspotentiale enthält Bemerkenswert ist, daß das betreffende Netzwerk, vor allem durch entsprechende Dimensionierung des aus den Dioden Dl bis D 4 und den Widerständen Λ 6 bis RS bestehenden Spannungsteilers so ausgeführt ist, daß die Basispotentiale für die Transistoren 73 und 76 temperaturunabhängig sind, das Basispotential für den Transistor 77 (Konstantstromquelle 51) jedoch so von der Temperatur abhängt daß der Kollektorstrom konstant bleibt Das Net/werk zur Erzeugung der Hilfspotentiale kann im allgemeinen auch für mehrere Schaltkreise gleichzeitig benutzt werden.

Das Potential am Kollektorpunkt C6 (Fig. 1) des Kompensationstransistors 76 ist unabhängig vom Schaltzustand des Schaltkreises, da an den Punkten Cl und C3 jeweils entgegengesetzt gleiche Potentialsprünge auftreten. Daraus ergibt sich ein wesentlicher Vorteil der Kompensationseinrichtung gemäß der Erfindung der darin besteht, daß keine zusätzlichen Kapazitäten während des Schaltvorgangs umgeladen werden müssen und daher keine Erhöhung der Schaltzeit bzw. der Signallaufzeit gegenüber einem vergleichbaren nichtkompensierten Schaltkreis eintritt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Temperaturkomperii leiter ECL-Schaltkreis mit einem aus emittergekoppelten Transistoren gebildeten Differenzverstärker, an dessen beiden Ausgängen die Basen von als Emitterfolger geschalteten Transistoren angeschlossen sind, mit einem Kompensationsnetzwerk, das einen Kompensationstransistor enthält, der eine Änderung der Basuipannung "° des einen Emitterfolgertransistors mit der Temperatur bewirkt, derart, daß temperaturbedingte Spannungsänderungen am Basis-Emitter-Cbergang dieses Transistors kompensiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationstran- "S sistor (T6) für beide Seiten des Differenzverstärkers (T2, T3) wirksam ist und daß der Kollektor (C6) des Kompensationstransistors (TS) mit den Kollektoren (C2, C3) der Transistoren (T2, T3) über zwei gleiche Widerstände (R 3, R 4) verbunden ist

2. ECL-Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werteverhältnis zwischen den Kollektorwiderständen (R 1, R 2) der Transistoren des Differenzverstärkers und dem Emitterwiderstand (R 5) des Kompensationstransistors (T6) gleich 2 ist