DE2243634A1

DE2243634A1 - Mehrstufige logische schaltung

Info

Publication number: DE2243634A1
Application number: DE19722243634
Authority: DE
Inventors: Robert Russell Marley
Original assignee: Fairchild Camera and Instrument Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 1971-09-13
Filing date: 1972-09-06
Publication date: 1973-03-22
Also published as: AU4658072A; CA974307A; GB1403622A; FR2152919A1; FR2152919B1; JPS4838662A; NL7211636A; IT974983B; AU470288B2

Description

PATENTANWALT 5033 RODENKiRCHEN (BZ. KDlN) DIPI...NG. FRIEDRICH B. FISCHER saarstrasseη Fairchild Camera & Instrument 2243634

Corporation

464 Ellis Street

Mountain View, California 94040

Mehrstufige logische Schaltung

Die Erfindung bezieht sich auf eine logische Schaltung, wie sie mit Vorteil für integrierte Halbleiterschaltungen verwendbar ist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Schaltungen, die als "emittergekoppelte logische Schaltungen¹¹ (emitter-coupled logic) oder ^wStromlogik" (current-mode-logic) bezeichnet werden.

Ausführungsbeispiele emittergekoppelter logischer Schaltungen, wie sie in der Mehrstufenschaltung gemäß der Erfindung verwendet werden, sind in der USA-Patentschrift 3 590 274 (Fairchild Camera & Instrument Corp·) beschrieben. Der besondere Vorteil dieser Schaltungen ist, daß sie hohe Schaltgeschwindigkeiten haben und eine gute !Temperaturkompensation ermöglichen, so daß sie in einem verhältnismäßig weiten Bereich von Umgebungstemperaturen arbeiten können.

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_ 2 —

Bei bekannten emittergekoppelten logischen Schaltungen enthalten die Eingänge von der ersten Stufe zur zweiten Stufe (Stufe II) ein Paar in Üblicher Weise ausgebildeter Spannungsquellen, wie sie in Figur 1 der Zeichnung als "V," und "V₀." sowie als Vorspannungen "V¹^" und "V-* dargestellt sind; außerdem ist eine Klemme zur Aufnahme des Eingangs vorhanden. Da Spannungsquellen V'kk und V_cs in der vorherigen Stufe nicht zur Verfügung stehen, müssen die entsprechenden Spannungen in geeigneter Welse erzeugt werden· Diese Spannungen werden gewöhnlich in einer Vorspannungs-Schaltung erzeugt, wie sie in Figur 2 dargestellt ist· Diese Schaltung, ausgehend von den zur Verfügung stehenden Spannungen V , V₆ und V^, erzeugt die erforderlichen Vorspannungen

ν_Λ_, welche für die in Figur 1 dargestellte Stufe II erforderlich sind«

Die bekannten Schaltungen bedürfen insofern noch der Verbesserung, als erstens die Notwendigkeit besteht, die Vorspannung ^v'bb separat zu erzeugen und sie von einer Stufe der logischen Schaltung zur nächsten weiterzugeben, und zweitens besteht die Notwendigkeit, unter Verwendung der in Figur 2 dargestellten Schaltung die Versorgungsspannung V„_ zu erzeugen und sie zu der "V "-Klemme (Figur 1) weiterzugeben.

Um nun die Abmessungen und dementsprechend die Kosten mehrstufiger emittergekoppelter logischer Schaltungen möglichst gering zu halten, würde es vorteilhaft sein, wenn die in Figur 2 dargestellte bekannte Erzeugerschaltung vollständig entfallen könnte und man nur die normalerweise zur Verfügung stehenden Versorgungsspannungen V__ und V__ö in allen folgenden Stufen der mehrstufigen logischen Schaltung nach der ersten Stufe zu benutzen brauchte. Die Eliminierung dieser Vorspannungs-Schaltung würde

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dem Entwurfspersonal mehrstufiger logischer Schaltungen auch eine erheblich höhere Flexibilität bei dem Entwurf aller nach der ersten Stufe folgenden weiteren Stufen ermöglichen·

Die mehrstufige logische Schaltung gemäß der Erfindung, bei der emittergekoppelte Strom-Schalttransistorpaare verwendet werden, bezweckt die Verbesserung der Kopplung und der Herstellung der Vorspannungen zwischen den Stufen der Schaltung. Erfindungsgemäß ist ein Erzeuger für eine erste und eine zweite logische Funktion in einer ersten logischen Stufe einer Schaltung vorgesehen, wobei die zweite logische Funktion die binäre Umkehrung der ersten logischen Funktion ist. Man kann diese logischen Funktionen als ^MA" und "X" bezeichnen. Die zweite logische Funktion 1 ist der ersten logischen Funktion A binär entgegengesetzte Gemäß der Erfindung ist auch ein Paar emittergekoppelter Strom-Schalttransistoren in der zweiten Stufe vorgesehen, eine Kopplungseinrichtung zum Koppeln der ersten logischen Funktion A aus d@r ersten Stufe mit der Basisklemme eines der beiden emittergekoppelten Strom-Schalttransistoren in der zweiten Stufe, und eine Kopplungseinrichtung zum Koppeln der zweiten logischen Funktion Ti aus der ersten Stufe mit der Basisklemme des anderen der beiden emittergekoppelten Strom-Schalttransistoren in der zweiten Stufe, so daß die beiden logischen Funktionen aus der ersten Stufe als Quelle der Vorspannungssteuerung für die beiden Strom-Schalttransistoren in der zweiten Stufe dienen«,

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher beschrieben«,

Figur 1 zeigt eine Stufe II bekannter Art einer emittergekoppelten logischen Schaltung. ~

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Figur 2 zeigt eine bekannte Anordnung zur Vorspannungserzeugung für die Schaltung gemäß Figur 1.

Figur 3 zeigt ein AusfUhrungsbeispiel einer mehrstufigen logischen Schaltung gemäß der Erfindung.

In Figur 3 sind zwei Stufen einer mehrstufigen Schaltung gemäß der Erfindung dargestellt. Die Speisespannungen V_cc, V^ und V_ÄÄ liegen an Klemmen 10, 11 und 12 an. Das Eingangssignal ¹¹A"

erscheint an Eingangsklemme 13. Die Vorspannung V, ^ aus Klemme 11 liegt an der Basis eines Transistors 14. Der Transistor 14 ist einer von zwei Transistoren 14 und 15, welche zusammen einen aus zwei Transistoren bestehenden Stromschalter 14, 15 bilden. Das Stromniveau in dem Stromschalter wird durch einen Stromquellenwiderstand 16 eingestellt, welcher zwischen den verbundenen Emittern der Transistoren 14 und 15 und der V_ -Speisespannungsquelle 12 liegt. Die Spannung an Ausgangsklemme 17 des Transistors 14 wird durch einen Kollektorwiderstand 18 eingestellt, welcher zwischen dem Kollektor des Transistors 14 und der V_ -

Speiseklemme 10 liegt. Der Kollektor des Transistors 14 ist auch mit der Basis eines Transistors gekoppelt, welcher als Emitterfolger-Transistor auf der nicht-umkehrenden Ausgangsseite des Stromschalters 14, 15 arbeitet.

Ein Widerstand 20 ist der Kollektor für Transistor 14, und er dient zur Einstellung des Spannungsniveaus an Ausgangsklemme des Transistors 15. Ein Transistor 22 ist ebenfalls ein Emitterfolger-Transistor, und er ist mit dem Ausgang des Transistors 15 für den Umkehr-Ausgangskanal des Stromschalters 14, 15 verbunden.

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An Klemme 23, welche mit dem Emitter des nicht-umkehrenden Emitterfolger-Transistors 19 verbunden ist, erscheint die Funktion A. In entsprechender Weise erscheint an Klemme 24, welche mit dem Emitter des umkehrenden Emitterfolger-Transistors 22 verbunden ist, die entgegengesetzte binäre Funktion Ä"„ Die bisher beschriebene Schaltung in Stufe I ist eine Gatterschaltung üblicher Art. Im Rahmen der Erfindung braucht die Stufe I nicht unbedingt eine Gatterschaltung zusein. Es ist auch möglich, daß sie eine Kippschaltung ist oder eine andere logische Funktion darstellt, wobei ein umgekehrtes und ein nicht-umgekehrtes Ausgangssignal A bzw. A" erzeugt werden. Wie beschrieben, erscheinen diese entgegengesetzten binären Funktionen an den Klemmen 23 und 24.

Zwei Transistoren 25 und 26, deren Kollektoren und Basen jeweils miteinander verbunden sind, dienen zur Übersetzung der Spannungsniveaus im Kanal A, und sie erzeugen jeder einen Dioden-Spannungsabfall gegenüber dem Spannungsniveau an Klemme 23 ₀ Dementsprechend ist die Spannung an Klemme 27 um zwei Diodenspannungsabfälle niedriger als.die Spannung an Klemme 23. Klemme 23 liegt an Kollektor und Basis des Transistors 25, die miteinander in Verbindung stehen, und der Emitter des Transistors 25 ist mit Kollektor und Basis des Transistors 26 verbunden, welche miteinander in Verbindung stehen. Klemme 27 ist mit dem Emitter des Transistors 26 verbunden.

In genau der gleichen Weise erfüllen das Niveau übersetzende Transistoren 28 und 29 (deren Kollektoren ebenfalls jeweils mit den Basen in Verbindung stehen) die Funktion einer Niveauverschiebung, wobei die Spannungen der Ausgangsklemme 24 der Stufe I um zwei Diodenspannungsabfalle zur Klemme 30 herabgesetzt wird. Widerstände 31 und 32 sind Reduzierungswiderstände, welche die Stromniveaus in den Kanälen A bzw. A" einstellen„

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Zwischen den Stufen sind zwei Speisespannungsverbindungen erforderlich« Verbindung 33 verbindet ν _ aus Stufe I mit Stufe II, und Verbindung 34 verbindet V„_ aus Stufe I mit Stufe II_β

Gemäß der Erfindung ist eine zusätzliche Verbindung 35 vorhanden, um das Ausgangssignal A (abzüglich der zwei Diodenspannungsabfälle über den Transistoren 25 und 26) aus Klemme 27 in Stufe I mit Eingangsklemme 36 an der Basis von Transistor 37 in Stufe II zu verbinden. Eine weitere erfindungsgemäß vorgesehene Verbindung 38 koppelt Klemme 30 am Emitter des niveauverschiebenden Transistors 29 in Stufe I mit Klemme 39 an der Basis von Transistor 40 in Stufe II. Die Transistoren 37 und 40 stellen zusammen einen Zweitransistor-Stromschalter 37, 40 in Stufe II dar, welcher in der gleichen Weise arbeitet wie der Zweitransistor-Stromschalter 14, 15 in Stufe I.

Wenn nun die Kanäle A und 5, welche an den Klemmen 27 und 30 in Stufe I auftreten, und zwar erniedrigt um die Spannungen über den Niveauverschiebungstransistoren 25, 26 bzw. 28, 29, beide mit den Klemmen 36 bzw. 39 in Stufe II in der dargestellten Weise verbunden werden, ist es nicht mehr erforderlich, zusätzliche Vorspannungssignale V¹,, und V zu erzeugen, wie es bei den bekannten Schaltungen dieser Art erforderlich war (Figur 1, Schaltung der Stufe II).

Es war nun völlig unerwartet und wurde im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schaltung festgestellt, daß unabhängig von dem Zustand des logischen Elements mit den Transistoren 19 und 22 in der ersten Stufe (ob nun Transistor 19 eingeschaltet und Transistor 22 ausgeschaltet ist oder umgekehrt) der Spannungsabfall Über Widerstand 41 in der zweiten Stufe ungefähr gleich der

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Speisespannung V_oa minus der Spannung von vier Diodenabfällen

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ist. Abhängig davon, welcher der Transistoren 19 oder 22 sich im leitenden Zustand befindet, sind diese Diodenspannungsabfälle gleich dem Abfall über den Transistoren 19, 25, 26 und 37 bzw. 22, 28, 29 und 40. Das vorteilhafte Ergebnis ist, daß die Schaltung immer über eine wirkungsvolle Temperaturkompensation verfügt, so wie es in der USA-Patentschrift 3 590 274 beschrieben ist.

Die Stufe II der Schaltung gemäß der Erfindung, wie sie in Figur 3 dargestellt ist, ist eine Gatterschaltung. Widerstand 41 liegt zwischen den zusammengeschalteten Emittern der Transistoren 37 und 40 einerseits und der V₀ -Speiseklemme 33 andererseits. Wi-

6 6

derstand 41 hat die Aufgabe der Einstellung des Niveaus des Stromes durch die -Schalttransistoren 37 und 40. Die Kollektoren der Transistoren 37 und 40 sind durch die Kollektorwiderstände 42 bzw. 43 mit der V -Speiseklemme 34 verbunden«, Widerstand

cc

und Dioden 45 und 46 bilden zusammen eine Temperaturkompensationsschaltung, und zwar so wie es in der USA-Patentschrift 3 590 beschrieben ist. Die Kollektoren der Strom-Schalttransistoren 37 und 40 sind in der dargestellten Weise mit den Basen von üusgangstransistoren 47 bzw_o 48 verbunden«, Die Kollektoren der Ausgangstransistoren 47 und 48 sind mit der Speisespannungsklemme verbunden, welche die Spannung Y_nn liefert, und sie erhalten von

CC

dort die entsprechende· Vorspannung«, Das Äusgangssignal aus dem Kanal A" erscheint an dem Emitter von Transistor 48, und das Signal aus dem Kanal A an dem Emitter von Transistor 47. Diese Emitter der Transistoren 47 und 48 sind mit Ausgangsklemmen 49 bzw. 50 der Stufe II verbunden. ■

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Verbindungsleitung 38, welche das Spannungsniveau des Kanals Ά" (minus die biden Diodenspannungsabfälle der Transistoren 28 und 29) mit der Basisklemme 39 des Transistors 40 in Stufe II verbindet, dient zur Lieferung der Vorspannung für die Strom-Schalttransistoren 37 und 40. Die Verbindung dieser Vorspannung aus Stufe I mit Stufe II in der dargestellten Weise gestattet nicht nur die Eliminierung von zwei Speisespannungen V, ^ und V , wie bereits erwähnt lind in den Figuren 1 und 2 dargestellt, sondern spart auch den zusätzlichen Stromquellen-Transistor 51> wie er in Figur 1 dargestellt ist. Ein solcher Stromquellentransistor wird nicht mehr benötigt, weil die Differential-Spannungssteuerung zwischen den Transistoren 37 und 40 die Emitter dieser Transistoren zwingt, auf einer Spannung zu bleiben, welche um vier Diodenspannungsabfälle niedriger ist als V__rt« Dementspre-

CC

chend ist die Spannung über Widerstand 41, wie beschrieben, gleich V_Qö weniger vier Diodenspannungsabfälle. Auf diese Weise wird die erfindungsgemäße Schaltung erheblich vereinfacht durch die überraschende und einfache Maßnahme der Kopplung der beiden Ausgangskanäle binärer Polarität von einer Stufe zur nächsten und ihrer beschriebenen und dargestellten Verwendung als Spannungseinspeisung.

Obwohl die in Figur 3 dargestellte Stufe II eine Gatterschaltung ist, kann auch das Paar emittergekoppelter Strom-Schalttransistoren 37 und 40 in einer Kippstufe verwendet werden, oder es können ebenfalls mit Vorteil andere logische Stufen, z.B. NAND-Stufen, NOR-Stufen usw. in ähnlicher Weise verwendet werden. In solchen Fällen werden zusätzliche Transistoren in Serie mit den Kollektoren der Transistoren 37 und 40 verwendet, welche gemäß der darzustellenden logischen Funktion in an sich bekannter Weise zu schalten sind.

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Bei einer "bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wert des Widerstandes 41 etwa doppelt so hoch wie der Wert der Widerstände 42, 43 und 44, Die Transistoren sind npn-Transistoren üblicher Bauart in integrierten Schaltungen. Die Dioden können den npn-Transistoren entsprechen, jedoch sind die Kollektoren und Basen kurzgeschlossen, wie es¹ bei den Transistoren 25, 26, 28 und 29 der Fall ist. Nachfolgend werden repräsentative bevorzugte Werte für die Widerstände und Spannungen des dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung angegeben:

Widerstand R-1 120 Ohm

120 »

120 « 54 ι»

400 ··

120 »

100 »

1,5 K "

1,5 K »

220 »

120 ».

120 »

0,0 V

-5,2 »

-1,3 »

η	R-2	^Vcc
Il	R-3	^Vee ^Vbb
Il	R-4
Il	16
Il	18
Il	20
Il	31
η	32
η	41
It	42
Il	43
η	44
Spannung
η Il

Claims

eiopoongen am A3JL

Ansprüche

Mehrstufige logische Schaltung mit emittergekoppelten Strom-Schalttransistorpaaren, gekennzeichnet durch Punktionserzeuger zum Erzeugen einer ersten und einer zweiten logischen Funktion in einer ersten logischen Stufe der Schaltung, wobei die zweite logische Funktion der ersten logischen Funktion binär entgegengesetzt ist,

ein Paar emittergekoppelter Strom-Schalttransistoren in der zweiten Stufe,

eine Kopplungseinrichtung zum Koppeln der ersten logischen Funktion aus der ersten Stufe mit der Basisklemme eines der beiden emittergekoppelten Strom-Schalttransistoren in der zweiten Stufe,

und eine Kopplungseinrichtung zum Koppeln der zweiten logischen Funktion aus der ersten Stufe mit der Basisklemme des zweiten der beiden emittergekoppelten Strom-Schalttransistoren in der zweiten Stufe, so daß die erste und die zweite logische Funktion aus der ersten Stufe als Quelle der Vorspannungssteuerung für die beiden Strom-Schalttransistoren in der zweiten Stufe dienen.
2. Logische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gekoppelten Emitter der beiden emittergekoppelten Strom-Schalttransistoren in der zweiten Stufe über einen Niveaueinstellwiderstand mit einer ersten Bezugspotentialquelle gekoppelt sind.
3« Logische Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Niveaueinsteliwiderstand einen Wert hat, der ungefähr gleich dem zweifachen Widerstandswert jedes der Kollektorwiderstände ist.

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4. Logische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die Kollektoren der beiden emittergekoppelten Strom-Schalttransistoren in der zweiten Stufe durch getrennte Kollektorwiderstände mit einer zweiten Bezugspotentialquelle gekoppelt sind.
5. Logische Schaltung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturkompensation zwischen den Kollektoren der beiden emittergekoppelten Strom-Schalttransistoren in der zweiten Stufe vorhanden istο .
6. Logische Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ausgangstransistoren in der zweiten Stufe vorhanden sind, wobei die Basis eines der Transistoren mit dem Kollektor eines der beiden emittergekoppelten Strom-Schalttransistoren in der zweiten Stufe verbunden ist, und die Basis des anderen Transistors mit dem anderen der beiden emittergekoppelten Strom-Schalttrairistoren in der zweiten Stufe in Verbindung steht*

7· Logische Schaltung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet» daß eine dritte logische Stufe vorhanden ist, wobei die Emitter jedes der Ausgangstransistoren der zweiten Stufe mit der dritten logischen Stufe gekoppelt sind. · .

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