DE2247189C3 - Bistabiles Schaltelement für Flipflop-Schaltungen in ECL-Schaltkreistechnik - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf Flipflop-Schaltungen in ECL-Schaltkreistechnik (ECL = emittergekoppelte Logik), insbesondere auf ein bistabiles Schaltelement zur Verwendung in solchen Flipflop-Schaltungen.

Flipflop-Schaltungen — auch als bistabile Kippschaltungen bezeichnet — werden je nach ihrer Funktion bzw. logischen Verhaltensweise in verschiedene Gruppen eingeteilt. Einen Überblick darüber gibt beispielsweise die Literaturstelle »Elektronische Rechenanlagen«, 10 (1968), H. 1, Seiten 34 bis 40. Wie dieser Literaturstelle zu entnehmen ist, sind die Flipflop-Schaltungen zumeist aus logischen Verknüpfungsgliedern zusammengesetzt, was allerdings in den tatsächlich ausgeführten Schaltungen häufig nicht mehr ohne weiteres erkennbar ist. Gemeinsam ist allen Flipflop-Schaltungen ein bistabiles Schaltelement, in dem die von der Flipflop-Schaltung übernommene Binärinformation aufbewahrt wird.

Ein anderes Unterscheidungsmerkmal für Flipflop-Schaltungen wie für logische Verknüpfungsglieder überhaupt, ist die für den Aufbau verwendete Schaltkreistechnik. Das folgende bezieht sich auf die sogenannte ECL-Schaltkreistechnik, deren Grundelemente bekanntlich Differenzverstärker aus emitterge- hi koppelten Transistoren sind. Diese Differenzverstärker werden aus Quellen konstanten Stroms gespeist.

Loeische Schaltkreise werden Draktisch ausschließlich in integrierter Bauweise hergestellt Diese Bauweise erlaubt die Unterbringung umfangreicher Schaltungsariordnungen auf kleinstem Raum. Dabei bildet die Ableitung der Wärme, die durch die Ln den integrierten Schaltungen entstehende Verlustleistung verursacht ist ein ernstes Problem. Es ist daher notwendig, die Verlustleistung möglichst niedrig zu halten.

Das bistabile Schaltelement von Flipflop-Schaltungen trägt wesentlich zur Gesamtverlustleistung bei. Die bistabilen Schaltelemente bekannter Flipflop-Schaltungen (vgL beispielsweise Datenblatt MECL 10 131 der Firma Motorola, Ausgabe März 1971) bestehen vorzugsweise aus einem konstantstromgespeisten Differenzverstärker aus zwei emittergekoppelten Transistoren. Die erforderliche Rückkopplung erfolgt über einen weiteren als Emitterfolger geschalteten Transistor.

Zur Erleichterung der Übersicht ist in Fig. 1 ein bekanntes bistabiles Schaltelement dargestellt Der Differenzverstärker besteht aus den beiden Transistoren Ti und TZ Er wird aus der Konstantstromquelle /1 gespeist Die Basis des einen Transistors Ti liegt auf einem festen Hilfspotential Ur i. Der in die Verbindung zwischen den zusammengefaßten Emittern der Transistoren Ti und TI und der Konstantstromquelle /1 eingezeichnete Schalter S ist nur als Ersatzsymbol zu werten. Tatsächlich liegt nämlich der Differenzverstärker der Speicherzelle bei den bekannten Flipflop-Schaltungen im Kollektorkreis eines Transistors eines weiteren Differenzverstärkers, der durch den Übernahmetakt (Einspeichertakt) gesteuert wird.

Das Öffnen oder Schließen des Schalters S entspricht also dem Sperren oder Leitendsteuern dieses Transistors. Betrachtet man diese Schaltvorgänge im Zusammenhang mit der Konstantstromquelle /1, so kann man diese entsprechend ihrer Wirkung auf die Speicherzelle als geschaltete Konstantstromquelle bezeichnen.

Die Rückkopplung des bekannten bistabilen Schaltelementes geschieht über den Emitterfolger mit dem Transistor T3, der von dem Spannungsabfall an dem im Kollektorkreis des Transistors Ti liegenden Widerstand R1 gesteuert wird. Das Ausgangssignal des Emitterfolgers, gleichzeitig das Ausgangssignal des bistabilen Schaltelemenls, bestimmt den Schaltzustand des Transistors T2 und damit auch den (jeweils entgegengesetzten) Schaltzustand des Transistors Ti. Entscheidend für den sich einstellenden Informationsinhalt des bistabilen Schaltelements ist also der im Augenblick des Schließens des Schalters 5 herrschende Spannungsabfall am Widerstand R i. Ob ein solcher Spannungsabfall vorhanden ist oder nicht, hängt von dem Schaltzustand eines weiteren Transistors Γ 4 ab, für den der Widerstand R i ebenfalls Kollektorwiderstand ist. Der Transistor T4 wird durch das einzuspeichernde Signal gesteuert. Er ist zumeist ein Teil eines Differenzverstärkers, wie ein Vergleich mit den bekannten Flipflop-Schaltungen zeigt.

Der bei leitendem Transistor Γ3 durch den Widerstand R 2 fließende Strom ist vorzugsweise etwa halb so stark, wie der vom Konstantstromgenerator./1 gelieferte Strom. Er verursacht eine zusätzliche Verlustleistung und damit Wärmeerzeugung.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein bistabiles Schaltelement für Flipflop-Schaltungen in ECL-Schaltkreistechnik anzugeben, die weniger Leistung als die bekannten Schaltungsanordnungen benötigt. Da ein verringerter Leistungsverbrauch bei gleicher Wirksamkeit der Kühlmaßnahmen eine höhere Packungsdichte

zuläßt, soll das neue bistabile Schaltelement auch weniger Platz beanspruchen.

Die Erfindung geht dabei von dem bekannten bistabilen Schaltelement mit einem ersten, zweiten und dritten Transistor aus, wobei der Emitter des dritten Transistors mit der Ausgangsklemme «erblinden ist. Gemäß der Erfindung ist das neue bistabile Schaltelement dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des dritten Transistors ferner über eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode mit der geschalteten Konstantstromquel-Ie verbunden ist

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der F i g. 2 bis 5, die auch vorteilhafte Flipflop-Schaltiingen unter Verwendung des neuen bistabilen Schaltelements betreffen, näher erläutert. Es zeigt

Fig.2 ein bislabiles Schaltelement gemäß der Erfindung,

Fig.3 eine weitere Ausführungsform des neuen bistabilen Schaltelements,

Fig.4 ein D-Flipflop mit dem neuen bistabilen Schaltelement und

Fig.5ein T-Flipflop.

Das in Fig.2 dargestellte neue bistabile Schaltelement besteht aus den Transistoren 7*1 und 76. Der Emitter des Transistors 71 ist über den Schalter 5 mit der Konstantstromquelle /1 verbunden. Bezüglich der Wirkung des Schalters 5, der auch in der F i g. 2 nur ersatzweise zur Erleichterung der Übersicht eingezeichnet ist, gilt das, was schon bei der Beschreibung des bekannten bistabilen Schaltelements nach F i g. 1 ausgeführt wurde. Weiterhin dient der Transistor 74 wie bei dem bekannten bistabilen Schaltelement zur Ansteuerung.

An den Kollektor des Transistors TX des neuen bistabilen Schaltelements, der über den Widerstand R 1 (Kollektorwiderstand) mit dem Bezugspotential verbunden ist; ist die Basis eines weiteren Transistors 7"6 angeschlossen. Dessen Kollektor liegt unmittelbar am Bezugspotential. Der Emitter des Transistors 76 führt einerseits zu dei Ausgangsklemme Q 4, andererseits über die in Durchlaßrichtung-gepolte Diode D1 zu dem Anschlußpunkt des Emitters des Transistors Π am Schalter S. Das Eingangssignal steuert den Transistor Γ4 und bestimmt damit, ob an dem für die Transistoren 74 und 7*1 gemeinsamen Kollektorwiderstand R 1 ein Spannungsabfall vorhanden ist oder nicht. Der Wert dieses Widerstands R X ist so festzulegen, daß an ihm eine Spannung von etwa 0,8 Volt abfällt, wenn der Transistor Γ4 bzw. der Transistor 7*1 leitend ist, d.h., wenn der Widerstand R1 von dem durch die Konstantstromquelle /1 gelieferten Strom durchflossen ist.

Ist in dem Augenblick des Anschaltens der Konstantstromquelle /1 kein Spannungsabfall am Widerstand /?3 vorhanden, so wird der Transistor 76 leitend und ^r>5 übernimmt den von der Konstantslromquelle /1 gelieferten Strom. Der Transistor TX bleibt stromlos. Im anderen Fall übernimmt der Transistor 7*1 den Konstantstrom und der Transistor TS bleibt gesperrt, da die am Transistor 7*1 abfallende Spannung viel ho geringer als die Summe der Anlaufspannungen an der Basis-Emitterstrecke des Transistors TS und an der Diode D1 ist.

Wenn der Transistor 74 selbst Bestandteil eines Differenzverstärkers ist — es wurde schon eingangs i> angedeutet, daß dies bei Schaltungsanordnungen der ECL-Schalikreistechnik in den meisten Fällen zutrifft — und seine Basis auf einem festen Hilfspoteniial liegt, können die Transistoren 74 und TS zu einem Mehremittertransistor zusammengefaßt werden. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel zeigt die Fig.3. Die Ansteuerung des bistabilen Speicherelements erfolgt dann über den in der Darstellung freien Emitter 74* des Transistors TT. Neben der verringerten Verlustleistung und dem geringeren Platzbedarf besteht ein weiterer Vorteil des neuen bistabilen Speicherelements in der höheren Einstellgeschwindigkeit, da die Signallaufzeit über den bei der bekannten Speicherzelle vorhandenen Emitterfolger wegfällt

Die Fig.4 zeigt als Beispiel die Schaltung eines D-Flipflop unter Verwendung des erfindungsgemäßen bistabilen Speicherelements. Der Emitter 7*4* (F i g. 3) des Mehremittertransistors 7"7 ist hier mit dem Emitter des Transistors 7*8 verbunden. Die Transistoren Tl und 78 bilden somit einen Differenzverstärker, der durch das an der Basis des Transistors TS anliegende Eingangssignal D gesteuert wird. Dieser Differenzverstärker und das bistabile Schaltelement liegen in den Kollektorstromkreisen von Transistoren T9, TXO, die zusammen einen weiteren Differenzverstärker bilden, der von der Konstantstromquelle /1 gespeist wird. Der zuletzt genannte Differenzverstärker wird über ein an sich bekanntes, aus den Transistoren TXX und TX2, der Diode D 2 und dem Widerstand R4 bestehendes Netzwerk zur Potentialverschiebung durch die disjunktiv verknüpften Übernahmesignale Cl bzw. CI gesteuert. Die Basis des nicht direkt gesteuerten Transistors 7"9 liegt an einem festenJTilfspotential Ur 2.

Ist der Transistor 79 leitend (CX + C2 = 0), so kann sich am Widerstand R 1 ein Spannungsabfall entsprechend dem Eingangssignal D einstellen. Die Übernahme der Information in das bistabile Schaltelement erfolgt, wenn die Stromleitung auf den Transistor TlO überwechselt, der das bistabile Schaltelement für die Dauer seiner Leitfähigkeit an die Konstantstromquelle /1 anschließt. Während dieser Zeit ist eine Änderung des Eingangssignals D ohne Einfluß auf den Inhalt des bistabilen Schaltelemente und damit der Flipflop-Schaltung.

Der am Kollektor des Transistors Tl angeschlossene Emitterfolger mit dem Transistor 7"13 dient in bekannter Weise dazu, die Belastbarkeit am Ausgang Q 3 zu erhöhen und die Potentiale der Ausgangssignale so festzulegen, daß weitere Schaltkreise ohne Zusatzmaßnahmen direkt angeschlossen werden können.

Als weiteres Beispiel für die Anwendung des neuen bistabilen Schaltelements ist in Fig.5 ein 7"-Flipflop dargestellt. 7-Flipflops kippen bekanntlich bei jedem Taktimpuls in die jeweils andere Lage und werden daher als Frequenzteiler eingesetzt. Sie stellen im Grunde genommen ein zweistufiges rückgekoppeltes I-Bit-Schieberegister dar und besitzen deshalb zwei bistabile Schaltelemente. Die beiden Registerstufen sind dem vorher anhand der Fig.4 beschriebenen D-Flipflop weitgehend ähnlich. Es wurden daher, soweit Übereinstimmung vorliegt, die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zur Unterscheidung zwischen den beiden Registerslufen wurde an die Bezugszeichen für die Elemente der zweiten Registerstufe jeweils die Ziffer 2 angehängt. Beispielsweise entspricht somit der Widerstand R 12 dem Widersland R X. Die erste Registerzelle des 7-Flipflops nach Fig. 5 bestehi aus dem bistabilen Schaltelement TT, R 1, 76, Dl und dem Differenzverstärker mit den Transistoren 79 und 710, die entsprechend den Taktsignalen 7 das bistabile Schaltelement stromlos schalten und die abwechselnde

Eingabe einer logischen »0« oder »1« vorbereiten oder das bistabile Schaltelement an die Konstantstromquelle /1 anschalten und damit die Übernahme ermöglichen. Der Transistor 7*8 der Schaltungsanordnung nach F i g. 4 ist in der ersten Registerstufe des 7"-Flipflops nur rudimentär als Basis-Emitter-Diode 7*8* des Transistors 7*14 auf der rechten Seite der Fig.5 vorhanden. Da die Basis und der Kollektor dieses Transistors 7*14 miteinander verbunden sind, bildet der Transistor T14 eine Zweifachdiode. Die zweite Diodenstrecke D12 gehört dem bistabilen Schaltelement 7Ί2, R12, Γ62, D12 der zweiten Registerstufe an, die durch die Transistoren 7*92, 7Ί02, 7*42, 7Ί5 und die Konstantstromquelle / 12 vervollständigt wird. Sieht man von der zusätzlichen Diodenstrecke 7*8* des Transistors 7*14 ab, so entspricht das bistabile Schaltelement der zweiten Registerstufe dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2. Der Transistor 7*42 bildet mit dem Transistor 7*15 einen emittergekoppelten Differenzverstärker, der im Kollektorstromkreis des durch die Taktsignale Tdirekt gesteuerten Transistors Γ92 liegt. Für die erforderliche Potentialverschiebung der Taktsignale dienen in bekannter Weise der Transistor Γ16, die Diode D 3 und der Widerstand R5. Der Transistor Γ132, dessen Emitter mit der Ausgangsklemme <?2 verbunden ist, bildet den Ausgangs-Emitterfolger. UrX, Ur3 und Ur4 sind die festen Hilfspotentiale für die verschiedenen Differenzverstärker. Diese Potentiale betragen beispielsweise etwa -1,2 V; -2,9 Vund -2,7 V.

Für die Betrachtung der Schaltvorgänge im Γ-Flipflop soll der jeweils positivere Potential- bzw. Signalwert gleich »1« und der jeweils negativere Potential- bzw. Signalwert gleich »0« gesetzt werden. Änderungen der Werte für die Taktsignale werden dementsprechend mit Γ0-1 bzw. Γ1-0 bezeichnet. Weiterhin sei als Anfangszustand willkürlich vorausgesetzt, daß durch einen vorhergehenden Übergang 7*0-1 in der ersten Registerstufe eine »1« eingespeichert wurde (Emitter von 7*6 gleich »1«). Damit wird Γ42 leitend und erzeugt, weil auch Γ92 lietend ist, am Widerstand R 12 einen Spannungsabfall. Der Kollektor von Γ42 liegt also auf »0«, welcher Zustand sich auch auf die Klemme ζ) 4 durchsetzt.

Bei dem nachfolgenden Übergang T1-0 wird die »0« in der zweiten Registerstufe eingespeichert (T102 leitend) und der Inhalt der ersten Registerstufe gelöscht (7*10, 7*92 gesperrt). Der Kollektor von Γ12 und damit ζ) 4 bleiben auf »0«. Da auch 7"9 leitend geworden ist,

ίο wird 7*7 leitend, wobei sein Emitter ein Potential von Ur 1-0.8 V, d. h. etwa -2 V annimmt. Γ14 bzw. 7*8* und 7"62 könnten dagegen nur leitend werden, wenn das Potential an dieser Stelle etwa -2,4 V betragen würde, weil die Basis von Γ62 auf — 0,8 V liegt.

Durch einen weiteren Übergang 7*0-1 wird die »0« am Kollektor von 7*7 in das bistabile Schaltelement der ersten Registerzelle übernommen (Emitter von 7*6 gleich »0«). Der Kollektor von 7*42 und damit Q4 erhalten »1«. Am Widerstand R 12 fällt keine Spannung ab (T62 und D12 leitend). Wird nun 7*9 durch einen Übergang Γ1-0 leitend, so stellt sich an dessen Kollektor ein Potential von -1,6 V ein, welches nur durch die Summe der Anlaufspannungcn an der Diodenstrecke 7*8* und der Basis-Emitter-Strecke von Γ62 bestimmt wird, da die Basis von Γ62 nunmehr aul dem Bezugspotential liegt. Γ7 bleibt daher gesperrt und am Widerstand R 1 fällt keine Spannung ab.

Dieser Zustand wird durch den nachfolgender Übergang 7*0-1 in das bistabile Schaltelement der ersten Registerstufe übernommen, womit der Ausgangszustand wieder erreicht ist. Q 4 nimmt der Zustand »0« an.

Die Verwendbarkeit des bistabilen Schaltelements gemäß der Erfindung ist nicht auf die beschriebener Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie kann vielmehr mil Vorteil in allen nach den Prinzipien der ECL-Schaltkreistechnik aufgebauten Flipflop-Schaltungen eingesetzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Bistabiles Schaltelement für Flipflop-Schaltungen in ECL-Schaltkreistechnik, bei der die jeweils im Augenblick des Einschaltens einer geschalteten Konstantstromquelle zu übernehmende Information durch den Spannungsabfall an einem im Kollektorkreis eines durch das Eingangssignal steuerbaren ersten Transistors liegenden Widerstand bestimmt wird, mit einem zweiten Transistor, dessen Kollektor mit dem Kollektor des ersten Transistors, dessen Emitter mit der geschalteten Konstantstromquelle und dessen Basis mit einem festen Hilfspotential verbunden ist und mit einem dritten Transistor, '5 dessen Kollektor mit dem Bezugspotential, dessen Basis mit dem Kollektor des ersten bzw. zweiten Transistors und dessen Emitter mit der Ausgangskleitane verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des dritten Transistors (TS) ferner über eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode CDI) mit der geschalteten Konstantstromquelle (I I) verbunden ist

2. Bistabiles Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (T4) und der zweite Transistor (Ti) zu einem Mehremittertransistor (T7) (Fig.3) zusammengefaßt sind, dessen erster Emitter mit der Anode der Diode (D 1) verbunden ist und über dessen zweiten Emitter (T4*) die Ansteuerung erfolgt

3. Bistabiles Schaltelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Emitter (T4*) des Mehremitter-Transistors (T7) mit dem Emitter eines zusätzlichen Transistors (TS) (F i g. 4) verbunden ist, derart, daß der zusätzliche Transistor (TS) und der Mehremittertransistor (T7) einen Differenzverstärker bilden.