DE2331441A1

DE2331441A1 - Logische grundschaltung

Info

Publication number: DE2331441A1
Application number: DE2331441A
Authority: DE
Inventors: Keith Franklin Mathews
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-06-27
Filing date: 1973-06-20
Publication date: 1974-01-17
Also published as: GB1429847A; JPS4952566A; IT983947B; FR2191364B1; FR2191364A1; US3769524A; CA997430A; JPS5218088B2

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: FI 971 105

Logische Grundschaltung

Die Erfindung betrifft eine logische Grundschaltung mit einem bipolaren Transistor, der in Abhängigkeit vom Signalpegel an seiner Basis zwischen dem nichtleitenden und einem leitenden Zustand umschaltbar ist.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Grundschaltung sind monolithisch integrierte logische Schaltungen extrem hoher Integrationsdichte. Da die bei integrierten Schaltungen auf den Halbleiterchips benötigten Leiterzüge extrem kurz sind, werden auf dem Halbleiterchip im allgemeinen keine Schaltungen benötigt, die in der Lage sind, extrem niedrige Impedanzen zu treiben, wie dies bei relativ langen übertragungsleitungen erforderlich ist. In der höchintegrierten Schaltungstechnik geht daher die Entwicklung dahin, daß intern auf dem Halbleiterchip sehr schnelle Schaltungen mit niedrigeer Leistung verwendet werden in Verbindung mit Treiberschaltungen hoher Leistung, die Signale von dem Halbleiterchip nach außen weiterleiten.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine logische Grundschaltung anzugeben, die speziell zur Verwendung in hochintegrierten Schaltungen geeignet ist, die extrem stabil ist, die die jeweils vorhergehende Treiberschaltung nur in vernachlässigbar

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kleiner Welse belastet, deren Ausgangssignale unabhängig von Änderungen der Transistorverstärkung sind, die Widerstandsänderungen kompensiert, deren Signalhübe und Störtoleranzpegel relativ unabhängig von der Stromversorgung sind und die mit einer einzigen Stromversorgungsquelle geringer Spannung auskommt.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen Kollektor und Basis eines bipolaren Transistors eine erste, eine negative Strom-Rückkopplung bewirkende, nichtlineare, stromrichtungsabhängige Impedanz und im Emitterkreis eine zweite, eine negative Spannungs-Rückkopplung bewirkende Impedanz vorgesehen ist und daß der den Ausgang bildende Kollektor über eine dritte Impedanz mit einer Betriebsspannungsquelle verbunden ist.

Die kombinierte negative Rückkopplung gewährleistet eine logische Grundschaltung, die eine gut definierte Schwellenspannung aufweist und stabile Signalpegel erzeugen kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Grundschaltung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden anschließend näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild von drei kaskadenförmig angeord

neten logischen Grundschaltungen, die erfindungsgemäß aufgebaut sind. Der in gestrichtelten Linien dargestellte Teil ist ein NOR-Block mit zwei Eingängen .

Fig. 2 ein Schaltbild einer Grundschaltung mit unterbrochenem Rückkopplungsweg,

Fig. 3 den Spannungsverlauf bzw. die Leerlauf-Verstärkung Fi 971 los 3 0 9 8 8 3/1307

der in Fig. 2 gezeigten Schaltung

Fig. 4 den Verlauf einer zweistufigen Verstärkungs-

charakteristik für unterschiedliche Betriebsspannungen,

Fig. 5 in einem Schaltbild den Ersatz eines NAND-Blockes

als Zwischenstufe, die vorher in Fig. 1 als NOR-Block dargestellt war,

Fig. 6 das Schaltbild einer Modifikation der Grundschal

tung mit zusätzlichen NOR-EingMngen,

Fig. 7 das Schaltbild einer Kombination von nach der

Erfindung aufgebauten NOR-, NAND- und erweiterten NOR-Schaltungen zur Verwendung für bestimmte logische Zwecke,

Fig. 8 das Schaltbild der Grundschaltung in Kombination

mit einem Stromübernahmeschalter und einem Emitterfolger, die besonders für die Anwendung bei hochintegrierten Schaltungen geeignet ist,

Fig.'9 das Schaltbild einer Anwendung der Grundschaltung

in Kombination mit einer T L-Eingangsstufe und

einer gesättigten Transistorausgangsstufe, und

Fig. 10 das Schaltbild der Kombination einer FET-Trelber-

schaltung für die Grundschaltung mit einem bipolaren gesättigten Ausgangstreiber zum Treiben einer anderen FET-Schaltung, die besonders vorteilhaft bei der gleichzeitigen Verwendung von Feldeffekttransistoren und bipolaren Einheiten in hochintegrierter Schaltungstechnik eingesetzt werden kann.

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Fig. 1 zeigt drei kaskadenförmig angeordnete, erfindungsgemäß aufgebaute Schaltstufen. Die Eingangsstufe weist einen Eingang 10 auf, der mit der Basis des Transistors 12 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 12 ist über einen Widerstand 14 an Erde gelegt. Der Kollektor des Transistors 12 ist über den Widerstand 16 mit einer Spannungsguelle 18 verbunden, die wiederum an Erdpotential angeschlossen ist. Eine Schottky-Diode 20 ist mit ihrer Anode an die Basis und mit ihrer Kathode an den Kollektor am Knotenpunkt 22 des Transistors 12 angeschlossen.

Ein Ausgang 24 der Eingangsstufe ist mit NOR-Zwischenstufe 26 verbunden. Der Ausaang 24 ist mit der Basis des Transistors 28 über eine Leitung 30 verbunden. Der Kollektor des Transistors 28 ist über einen Widerstand 34 mit der Spannungsquelle 18 am Knoten 36 verbunden. Der Emitter des Translators 2 8 ist über einen Widerstand 40 mit Erdpotential verbunden. Wie in der ersten Stufe ist eine Schottky-Diode 42 zwischen Basis und Kollektor des Transistors 28 gelegt. Kollektor und Fmitter eines bipolaren Transistors 46 sind mit Kollektor und Emitter des Transistors 2 8 in den beiden Knoten 5O bzw. 52 verbunden. Ein Eingang 54 für logische Eingangssignale zum Transistor 46 ist vorgesehen und eine Schottky-Diode 56 ist auch zwischen Basis und Kollektor des Transistors 46 gelegt.

Ein Ausgangssignaleder Zwischenstufe wird am Ausgang 60 erzeugt, der wiederum mit der Basis eines bipolaren Transistors 6 2 der dritten Stufe verbunden ist. Der Kollektor ist an die Spannungsquelle 18 über einen Widerstand 6 4 und der Emitter durch den Widerstand 66 an Erdpotendial angeschlossen. Eine Schottky-Diode 6 8 verbindet Basis und Kollektor des Transistors 62. Ein Ausgangssignal wird von der Endstufe am Ausgang 70 erzeugt, der mit dem Kollektor des Transistors 62 verbunden ist.

Wenn an den Eingang 10 der ersten Stufe ein Signal mit niedrigem Pegel angelegt wird, ist das Basis-Emitterpotential des Transistors 12 niedrig genug, damit dieser im nichtleitenden Zustand

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gehalten wird. Die Schottky-Diode 20 leitet daher ebenfalls nicht. Das Potential am Ausgang 24 kann daher auf das Potential der Stromquelle 18 bis zu einem Punkt ansteigen, an welchem der Transistor 28 der Zwischenstufe Strom zu leiten beginnt. Wenn der Transistor 28 zu leiten beginnt, fließt Strom in seine Basis und auch durch die Schottky-Diode 42, so daß am Widerstand 16 eine Potentialdifferenz erzeugt wird. Dadurch wird das Potential am Ausgang 24 auf einen Pegel begrenzt, der etwas unterhalb der Spannung der Stromquelle 18 liegt. Diese Spannung entspricht wiederum einem oberen Pegel des Eingangssignales, welches über die Leitung 30 an den NOR-Block 26 angelegt wird.

Wenn an den Ausgang 24 ein Signal mit hohem Pegel und an den mit der Basis des Transistors 46 verbundenen Eingang 54 ein Signal mit niedrigem Pegel angelegt werden, fällt das Potential am Ausgang 60, wenn der Transistor 28 zu leiten beginnt. Wenn am Ausgang 24 der ersten Stufe ein Signal mit hohem Pegel anliegt, wird ein Signal mit niedrigem Pegel am Ausgang 60 erzeugt. Dieser Signalpegel liegt um den Spannungsabfall einer leitenden Schottky-Diode unter dem angelegten hohen Signalpegel. Daraus folgt, daß die Basis-Emitterspannung des Transistors 62 niedrig genug ist, damit dieser im nichtleitenden Zustand gehalten wird. Daher sind Spannung und Strom an der Ausgangsstufe mit den vorher an der Eingangsstufe angelegten Werten identisch, unter der Annahme, daß der Ausgang 70 mit der Basis eines nicht dargestellten Transistors entsprechend der Eingangsstufe verbunden ist und daß alle elektrischen Komponenten ähnliche elektrische Kennwerte besitzen.

Die folgenden Spezifikationen dienen lediglich der Illustration von Größe und Richtung der Parameter für die in Fig.l gezeigte Schaltung.

Transistoren 12, 28, 46, 62...NPN, f_fc > 0,6 GHZ, bei

maximal 0,85 Volt Basis-Emitterspannungsabfall, 2 Milliampere Kollektorstrom und einer Spannung V . .

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von 0,66 Volt bei 3 Milliampere Emitterstrom und 0,15 Milliampere Basisstrom.

■ Dioden 20, 42, 56, 68 ... Schottky-Dioden (CuAl auf Si) mit einem maximalen Anoden-Kathodenspannungsabfall von 0,51 Volt bei einem Diodenstrom von 0,5 ma.

Stromquelle 18 1,25 Volt

Widerstände 16, 34, 64 500 0hm

Widerstände 14, 40, 66 100 0hm

Oberer Pegel an Anschlüssen 24, 70 1,02 Volt

Unterer Pegel an Anschlüssen 10, 54, 60 0,530 Volt

Verzögerung des NOR-Block (Anschlüsse 24-60)

bei positivem Signalverlauf an 24 2,6 Nsec.

Verzögerung in NOR-Block (Anschlüsse 24-6O)

bei negativem Signalverlauf an 24 1,9 Nsec.

Die in Fig.l gezeigte Schaltung bietet verschiedene nicht direkt offensichtliche Vorteile. Der eindeutigste Vorteil wird durch die in der Schaltung inhärente kombinierte negative Rückkopplung geboten. Um diese negative Rückkopplung genauer zu zeigen, ist ein Teil der Fig.l in Fig.2 genauer dargestellt. Die Fig.2 entspricht im wesentlichen der in Fig.l beschriebenen Zwischenstufe, wobei der Transistor 46 und die zugehörige Diode 56 aus der Schaltung entfernt wurden, da sie in nichtleitendem Zustand verbleiben und somit elektrisch solange nicht aktiv werden, wie das Signal mit niedrigem Pegel an Anschluß 54 liegt.

Die in Fig.2 gezeigte Schaltung enthält einen bipolaren Transistor 80, dessen Emitter über den Widerstand 82 mit Erdpotential verbunden ist. Der Kollektor des Transistors ist durch den Widerstand 84 mit einer Spannungsquelle 86 verbunden, die ihrerseits wiederum an Erdpotential gelegt ist. Eine Schottky-Diode 88 verbindet Basis und Kollektor des Transistors 80. Ein Widerstand ist zwischen den Knoten 92, der zur Stromquelle 86 führt, und einen Anschluß 94 gelegt. Die Rückkopplungswege verlaufen vom

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Anschluß 98 über die Diode 88 und einen Widerstand 90 und über die Emitter-Basisstrecke des Transistors 80 und den Widerstand 90. Sie sind an einem Punkt unterbrochen, wo sie gleichphasig (concurrent) werden. Es werden die Anschlüsse 9 4 und 96 geschaffen, um das Anlegen einer Spannung V darzustellen und um so die Verstärkungscharakteristik der Schaltung in offener Schleife zu erhalten. Eine Ausgangsspannung V wird am Ausgang

ei

98 erzeugt, der mit dem Kollektor des Transistors 80 verbunden ist.

Die Leerlauf-Charakteristik der in Fig.3 schematisch gezeigten Schaltung ist in Fig.3 gezeigt. Zunächst sei angenommen, daß eine ständig wachsende Spannung V an den Anschluß 96 angelegt wird, die relativ zum Erdpotential einen Anfangswert von 0,0 Volt hat. Mit dem zunehmenden,Wert für V geht der Transistor 80 in den leitenden Zustand über und die Spannung V beginnt von einem Pe-

Cl

gel abzufallen, welcher etwa dem der Spannungsquelle 86 entspricht während der Stromfluß durch den Widerstand 84 zunimmt. Wenn die Spannung am Anschluß 98 relativ zur Eingangsspannung V negativ genug wird, beginnt die Schottky-Diode 98 zu leiten und bildet niedrige Impedanz zwischen Eingang und dem Ausgang. Während ein Mindestwert von V erreicht wird und V weiter ansteigt, beginnt die Ausgangsspannung V der Eingangsspannung so zu folgen, da

die Kopplung durch den über die Schottky-Diode führenden Leitweg niedriger Impedanz dominiert. Dieser Vorgang ist graphisch in Fig.3 dargestellt.

Es wird jetzt angenommen, daß die beiden Anschlüsse 94 und 96 miteinander verbunden sind und daß ein Transistor in einer früheren Stufe, der z.B. dem in Fig.l gezeigten Transistor 12 entspricht, sich im nichtleitenden Zustand befindet, so daß jeder durch den Widerstand 90 in Fig.2 fließende Strom entsprechend dem Widerstand 16 in Fig.l notwendigerweise zur Basis des Transistors 80 und zur Anode der Schottky-Diode 88 fließen muß.

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Sobald V über einen nachfolgend als V bezeichneten Spannungswert und somit über einen Wert steigt, der den Mindestwert von

V darstellt, nimmt der Wert sowohl für V als auch für V zu. a e a

Während dieses Betriebszustandes nimmt der durch den Widerstand 84 fließende Strom ab und da V ebenfalls zunimmt, nehmen auch

der Emitterstrom des Transistors 80 und der Potentialabfall am Widerstand 82 zu.

Nunmehr wirkt die kombinierte negative Rückkopplung. Es wird daher der Emitterstrom des Transistors 80 so heruntergesetzt, daß V wieder auf V zurückgebracht wird. Der einzige Leitweg zur Erhöhung des Stromes in den Transistor 80 verläuft über die Schottky-Diode 88 und den Widerstand 90. Der erhöhte Stromfluß durch den Widerstand 90 neigt jedoch dazu, V negativer zu machen. Gleichzeitig versucht damit der Strom durch den Widerstand 82 den Emitter des Transistors 80 positiver werden zu lassen. Infolge dieses Gegentakteffektes wird die an den Transistor 80 angelegte gesamte Basis-Emitterspannung herabgesetzt, so daß der Emitterstrom wieder auf einen Wert abgesenkt wird, der einen dem

V entsprechenden Wert für V liefert,
m e

Während V unter den Wert von V sinkt, nimmt V wieder zu, woe ma

durch der Strom durch den Widerstand 84 abnimmt. Wenn V jedoch abnimmt, nehmen auch der Emitterstrom des Transistors 80 und der Potentialabfall am Widerstand 82 ab. Da V zunimmt und V abnimmt, nähert sich auch die Diode 88 schnell dem nichtleitenden Zustand und reduziert den Strom durch den Widerstand 90 drastisch. Der abnehmende Strom durch den Widerstand 90 treibt V in den posi-

tiveren Bereich. Gleichzeitig damit nimmt der Strom durch den Widerstand 82 ab, so daß der Emitter des Transistors 80 negativer wird. Demzufolge wird die Basis-Emitterspannung des Transistors 88 durch den Gegentakteffekt erhöht und bringt den Emitterstrom auf einen Wert, der für V einem Wert entsprechend dem V ent-

e m

spricht.

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Die stabile Betriebsart dieser Schaltung kompensiert Belastungseffekte und Änderungen der einzelnen Schaltteile. Während zusätzliche Lasten an einem Punkt addiert werden, der entweder dem Anschluß 24 in Fig.l oder den Anschlüssen 94 und 96 in Fig,2 entspricht, bleibt der gesamte Laststrom relativ konstant, d.h. der Strom durch die Last wird eine Funktion der Anzahl von parallelen Lasten und nimmt proportional zu dieser Zahl ab. Die nachfolgende Tabelle zeigt diese Erscheinung und ihre Auswirkung auf V . Der Laststrom scheint der Strom zu sein, der durch den Widerstand 16 in Fig.l oder den Widerstand 90 in Fig.2 fließt.

Anzahl der Lasten

1
2

10

Eine ähnliche Situation liegt vor, wenn anstelle Transistors mit hoher Verstärkung ein solcher mit geringer Basis-Kollektor-Stromverstärkung eingesetzt wird. In einem Fall ergab sich eine Verstärkung von 100 bei einem Laststrom von 0,484 mA. und einem V

von 1,008 V. .Bei einem anderen Transistor mit einer Stromverstärkung von 20, ging der Laststrom herunter auf 0,461 mA. V stieg auf einen Wert von 1,019 V. Diese Ergebnisse waren unerwartet,
da niedrigere Verstärkungswerte normalerweise in höheren Lastströmen und niedrigeren Eingangssignalen resultieren. Bei diesem speziellen Schaltungsbeispiel wird der größte Teil des Laststromes jedoch vom Strom der Schottky-Diode geliefert. Bei einem durch die Verwendung eines Transistors mit niedrigerer Stromverstärkung reduzierten Kollektorstrom ergibt sich eine höhere Ausgangsspannung V , die wiederum auf den Eingang des bipolaren

el

Transistors über die Diode selbst zurückgekoppelt wird.
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Laststrom	Strom pro Last	V e
0,51 mA.	0,51 mA.	0,995V
0,57 mA.	0,285 mA.	0,965V
0,59	0,196 mA.	0,955V
0,60 mA.	0,15 mA.	0,950V
0,61 mA.	0,122 mA.	0,945V
0,63 mA.	0,063 mA.	0,953V

2 3 3 1 A

die erfindungsgemäße bistabile logische Schaltung kompensiert auch Änderungen der Widerstandswerte. Wenn der Wert des Widerstandes 34 in Fig.l z.B. um 20% auf 400 Ohm abnimmt, so verschiebt sich dadurch der obere Pegel am Ausgang 24 nur um etwa 0,025 Volt auf einen positiveren Wert und der untere Pegel am Ausgang 60 um nur etwa 0,03 V ebenfalls in positiver Richtung, vorausgesetzt, daß andere Schaltungsparameter konstant bleiben. Die Kompensation erfolgt auch, wenn der Transistor 28 sich im leitenden Zustand befindet, insofern, als der Strom durch die Schottky-Diode 42 nur um 0,05 mA abnimmt, wogegen der Emitterstrom durch den Transistor 28 um etwa 0,25 mA zunimmt. Daraus ergibt sich eine Erhöhung der Vorspannung am Basis-Emitterübergang des Transistors 28. Es wird also mehr Strom durch den Widerstand 34 gezogen, um den unteren Pegel am Ausgang 6O zu halten.

In bezug auf Signalhub und Verstärkung liefert die bistabile Grundschaltung nach der vorliegenden Erfindung noch einen anderen Vorteil. Da der obere Signalpegel im wesentlichen die Anodenspannung und der untere die Kathodenspannung der Schottky-Diode ist, ist der Signalhub gleich der Durchlaßspannung der Schottky-Diode und neigt somit zum stabilen Verhalten, wenn die Schaltungsparameter und die Versorgungsspannungen schwanken. Die sich aus der Kaskadenschaltung zweier außer Phase angeordneter Grundschaltungen ergebenden phasengleichen Kurven sind in Fig.4 dargestellt. Diese Kurven demonstrieren den Effekt von Versorgungsstromschwankungen. Die Punkte 100 und 103 sowie die Punkte 104 und 106 stellen stabile obere und untere Spannungspegel für eine Änderung der Stromzufuhr von -10% und +10% dar. Für die in Fig, I beschriebene Schaltung beträgt die Potentialdifferenz zwischen dem Punkt 100 und dem Punkt 103 0,490 V und die Potentialdifferenz zwischen den Punkten 104 und 106 0,535 V oder eine Änderung von 0,04 50 V bei einer Änderung des Speisestromes von 0,25 V. Der obere Signalstörtoleranzpegel ist die Potentialdifferenz zwischen den beiden oberen Kreuzungspunkten einer jeden Kurve, d.h. zwischen dem Punkt 100 und einem Punkt 108 und zwischen dem

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— χ ί —

Punkt 104 und einem Punkt HO. Dieser Pegel ist relativ konstant und bleibt bei O,14 V für die -10%-Kurve und bei etwa 0,17 V für die +10%-Kurve.

In Fig.5 ist insofern eine Variation der in Fig.l dargestellten Schaltung gezeigt, als jetzt die Zwischenstufe eine NAND-Schaltung enthält.

Ein logisches Eingangssignal wird an den Eingang 120 einer ersten Stufe angelegt, der mit der Basis eines Transistors 122 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 122 ist mit einer Stromquelle 124 über einen Widerstand 126 verbunden. Der Emitter des Transistors 122 ist über einen Widerstand 128 an Erdpotential gelegt. Eine Schottky-Diode 130 verbindet die Basis und den Kollektor des Transistors 122. Der Ausgang 132 steht über einen Widerstand 136 mit der Basis des Transistors 138 eines NAND-Schaltkreises 134 in Verbindung. Eine Schottky-Diode 139 zwischen Basis und Kollektor des Transistors 138 kann bei Bedarf eingefügt werden. Transistor 138 geht jedoch auch in den gesättigten Zustand über, wenn rfiese Diode weggelassen wird. Der Zwischenstufe kann ein weiteres logisches Eingangssignal am Eingang 140 zugeführt werden, der mit der Basis des Transistors 142 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 142 ist durch die Leitung 144 an den Kollektor des Transistors 138 angeschlossen. Der Emitter des Transistors 138 ist direkt an Erdpotential gelegt. Der Kollektoranschluß des Transistors 142 ist mit der Stromquelle 124 über einen Widerstand 146 verbunden. In ähnlicher Weise ist eine Schottky-Diode 15Ο parallel zur Basis-Kollektorstrecke des Transistors 142 gelegt. Ein Ausgang 152 ist mit dem Kollektor des Transistors 142 verbunden und liefert ein Eingangssignal für die Ausgangsstufe.

Die Ausgangsstufe umfaßt einen bipolaren Transistor 154, dessen Emitter über einen Widerstand 156 an Erdpotential gelegt ist. Der Kollektor des Transistors 154 ist mit der Stromquelle 124

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über einen Widerstand 158 verbunden. Die Basiskollektorstrecke des Transistors 154 verbindet eine Schottky-Diode 160. Ein Ausgangssignal wird am Ausgang 160 geliefert, der mit dem Kollektor des Transistors 154 verbunden ist.

Wenn im Betrieb ein Signal mit niedrigem Pegel an die Basis des Transistors 122 angelegt wird, ist sein Basis-Emitterpotential niedrig genug, um ihn im nichtleitenden Zustand zu halten und daher leitet auch die Schottky-Diode 130 nicht. Das Potential am Ausgang 132 kann auf das Potential der Stromquelle 124 ansteigen, bis der Transistor 138 zu leiten beginnt. Wenn der Transistor 138 zu leiten beginnt (und in den Sättigungszustand übergeht, wenn die Schottky-Diode 139 weggelassen wird), fließt Strom zur Basis und der Anode der Schottky-Diode 139 über den Widerstand 136. Dadurch entsteht eine Potentialdifferenz am Widerstand 126, so daß das letzte am Ausgang 132 erzeugte Potential auf einen Wert begrenzt wird, der etwas unterhalb des Potentials der Stromquelle 12 4 liegt. Der Wert des Widerstandes 136 wird so gewählt, daß am Ausgang 132 eine Spannung ansteht, die gleich dem am Ausgang 24 in Fig.4 gelieferten Spannungspegel ist. Das am Anschluß 132 erzeugte Potential stellt somit den oberen Signalpegel für die NAND-Schaltung 134 dar.

Wenn am Anschluß 132 und am Eingang 140 ein Signal mit dem oberen Pegel angelegt wird, leiten beide Transistoren 142 und 144. Somit fällt das Potential am Ausgang 152 auf den unteren binären Pegel. Wenn am Ausgang 152 der untere Signalpegel angelegt wird, ist die Basis-Emitterspannung des Ausgangsstransistors 154 niedrig genug, um diesen im nichtleitenden Zustand festzuhalten und somit hat die dritte Stufe eine mit der ersten Stufe identische Spannungs- und Stromcharakteristik. Unter der Annahme, daß der Ausgang 160 mit der Basis eines Transistors in einer ähnlichen Stufe verbunden ist und alle Komponenten ähnliche elektrische Kennwerte haben, ist dann die Spannungs-Stromcharakteristik der dritten Stufe ähnlich der ersten Stufe.

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Die nachfolgenden Spezifikationen dienen der Illustration von Größe und Richtung der Parameter der in Fig.5 gezeigten Schaltung. Für dieses spezielle Beispiel wurde die Schottky-Diode weggelassen und der Transistor 138 konnte in Sättigung gehen.

Transistoren 122, 142, 138, 154...NPN, f > 0,6 GHZ mit einem maximalen Basis-Emitter-Spannungsabfall von 0,85 V bei 2 mA Kollektorstrom und einer Spannung V , . von 0,66 V bei 3 mA

^ ^ zb mm

Emitterstrom mit 0,15 mA Basisstrom.

Dioden 130, 150, 160...Schottky-Dioden (CuAl auf Si) mit einem maximalen Anoden-Kathoden-Spannungsabfall von 0,51 V bei 0,5 mA. Diodenstrom.

Stromquelle 124 1,25 V ;

Widerstände 126, 146, 158 500 0hm

Widerstände 128,156 100 Ohm

Widerstand 136 300 Ohm

Oberer Signalpegel an Anschlüssen

132, 140 1,02 V

Unterer Signalpegel an Anschlüssen

120, 152, 160 0,530 V

Verzögerung des NAND-Blockes (Anschlüsse 132 bis 152), positiv
verlaufendes Signal an 132 3,5 nsec.

Verzögerung des NAND-Blockes (Anschlüsse 132 bis 152), negativ
verlaufendes Signal an 132 7,0 nsec.

Fig.6 zeigt eine weitere Variation der Grundschaltung, in welcher ein einzelner Kollektorwiderstand in Verbindung mit zwei Emitterwiderständen verwendet wird, um einen 4-Weg-NOR-Block zu bilden. Diese Modifikation der Grundschaltung eignet sich besonders für hohe Integration wegen der einfachen gegenseitigen Verbindung mit einer gemeinsamen Kollektorleitung.

Die Schaltung empfängt ein Eingangssignal am Eingang 170, der mit der Basis eines Eingangstransistors 172 verbunden ist. Der

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Kollektor des Transistors 172 ist mit einer Stromquelle 174 über einen Widerstand 176 verbunden. Eine Schottky-Diode 178 verbindet die Basis mit dem Kollektor des Transistors 172. Der Emitter des Transistors 172 ist über den Widerstand 180 und die Leitung 182 an Erdpotential gelegt. Der Schaltung kann an einem Anschluß 184 ein weiteres logisches Eingangssignal zugeführt werden, der mit der Basis eines anderen bipolaren Transistors 186 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 172 ist direkt mit dem Emitter des Transistors 186 durch eine Leitung 188 verbunden. Eine Schottky-Diode 190 verbindet die Basis mit dem Kollektor des Transistors 186.

Ein weiterer Eingangstransistor 192 ist für den Empfang eines logischen Eingangssignales am Eingang 194 vorgesehen, der mit der Basis verbunden ist. Der Emitter des Transistors 192 ist über einen Widerstand 196 an Erdpotential gelegt. Eine Schottky-Diode 198 liegt parallel zur Basis-Kollektorstrecke des Transistors 192. Ein bipolarer Ausgangstransistor 200 ist mit seinem Kollektor an eine gemeinsame Ausgangs leitung 202 und mit seinem Emitter direkt durch die Leitung 204 an dem Emitter des Transistors 19 2 angeschlossen. Der Ausgangstransistor 200 empfängt ein logisches Eingangssignal auf der Leitung 206. Eine Schottky-Diode 208 liegt parallel zur Basis-Emitterstrecke des Transistors 200.

Diese Schaltung arbeitet ähnlich wie die der Fig.l. Wenn der zum Widerstand 180 gehörende Transistor 172 und der zum Widerstand 196 gehörende Transistor 192 gleichzeitig leiten, ist der untere Signalpegel auf der Ausgangs leitung 202 ungefähr 0,08 V niedriger als der untere Signalpegel für den in Fig.l gezeigten NOR-Block unter der Annahme, daß identische Sshaltungsparameter verwendet werden. Zur Illustration der Vielseitigkeit der vorliegenden Erfindung zeigt Fig.7 die Anwendung einer logischen Schaltung in einer Form, in welcher verschiedene Arten der Grundschaltung gemischt sind. Die gesamte Schaltung umfaßt am Eingang die NOR-Glieder 240 und 242, die mit einem NAND-Glied 244 verbunden sind. Eine NOR-Schaltung 2 46 ist an den Ausgang der NAND-Schaltung 244

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angeschlossen.

Einzelheiten der in Fig.7 gezeigten gemischten Schaltung werden nicht beschrieben, da Struktur und Arbeitsweise bereits im einzelnen im Zusammenhang mit den Fign.l bis 6 angegeben wurden. Es sei nur erwähnt, daß von einem Eingang 250 ein logisches Signal an die Basis des Transistors 252 übertragen wird, der zur NOR-Schaltung 240 am Eingang gehört. Über den Eingang 244 wird ein Eingangssignal an die Basis des zur NOR-Schaltung 244 gehörenden Transistors 256 übertragen. Eingangsignale für die NAND-Schaltung 244 werden an die Anschlüsse 260 und 262 angelegt, die mit der Basis der NAND-Transistoren 264 und 266 verbunden sind.

Ein logisches Eingangssignal wird an den Anschluß 270 angelegt, der mit der Basis des zur NOR-Schaltung 246 am Ausgang gehörenden Transistors 272 verbunden ist. Die resultierende logische Funktion wird am Ausgang 274 erzeugt.

In Betrieb wird am Ausgang 274 logisch A . B + C erzeugt und zwar aus einem an den Anschluß 250 angelegten binären Signal A, einem an den Anschluß 253 angelegten binären Signal B und aus einem an den Anschluß 270 angelegten binären Signal c

Fig.· 7 zeigt ein Anwendungsbeispiel hoher Integrationsdichte. Eine auf einem Halbleiterchip gelegene Eingangsstufe besteht aus einem Stromübernahmeschalter, der wiederum einen auf dem Chip gelegene erfindungsgemäße Schaltung treibt. Der Stromübernahmeschalter am Eingang weist einen Eingang 300 auf, der mit der Basis des Transistors 302 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 302 ist an die Stromquelle 304 über den Widerstand 306 angeschlossen. Der Emitter des Transistors 302 ist mit der Kathode einer Diode 308 verbunden, deren Anode an Erdpotential gelegt ist. Der Emitter des Transistors 302 ist über den Widerstand 313 mit einer Stromquelle 310 verbunden. Ein Ausgangssignal der Eingangsstufe wird am Ausgang 312 geliefert, welches wiederum als Eingangssignal an der Basis des bipolaren Transistors 314 dient. Der Kollektor

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des Transistors 314 ist über den Widerstand 316 mit einer Stromquelle 304 verbunden und sein Emitteranschluß über den Widerstand 318 mit Erdpotential. Wie bereits im Zusammenhang mit der Grundschaltung beschrieben, ist eine Schottky-Diode 320 parallel zur Basis-Emitterstrecke des Transistors 314 gelegt. Ein Ausgangssignal wird am Ausgang 322 erzeugt, der mit dem Kollektor des Transistors 314 und dieser wiederum über die Leitung 322 mit der Basis des Ausgangstransistors 324 verbunden ist. Der Kollektor des Ausgangstransistors 324 ist durch die Leitung 326 mit der Stromquelle 304 verbunden und sein Emitteranschluß ist an den Ausgang 330 und durch den Widerstand 332 und die Leitung 334 mit der Stromquelle 310 verbunden. Der als Emitterfolger geschaltete Transistor 376 liefert die zum Treiben der relativ großen Kapazitätswerte oder der relativ niedrigen Impedanzwerte der übertragungsleitung benötigte Leistung und wird daher normalerweise verwendet, wenn vom Halbleiterchip abgehende Verbindungen vorhanden sind.

Der Wert des Widerstandes 306 in der Eingangsschaltung wird genauso groß gewählt wie der Wert des Widerstandes 316, der einen Teil der~Grundschaltung bildet. Wenn also der Eingangstransistor 302 nicht leitet, ist der binäre obere Signalpegel am Ausgang mit dem intern festgesetzten Pegel am Knoten 322 identisch, wenn der Transistor 314 nicht leitet.

Der Wert des Widerstandes 313 wird entsprechend gewählt, so daß der Strom Il bei leitendem Transistor 302 gleichgesetzt wird dem Strom 12 bei leitendem Transistor 314. Da der Widerstand 306 den selben Wert hat wie der Widerstand 316, ist der am Ausgang 312 erzeugte untere Signalpegel mit dem am Knoten 322 erzeugten Signalpegel identisch, wenn der Transistor 314 leitet. Das am Ausgang 322 erzeugte Ausgangssignal wird um den Basis-Emitter-Spannungsabfall des den Emitterfolger bildenden Transistors 324 nach unten verschoben. Durch entsprechende Wahl des Widerstandes 332 kann die Signalschwingung am Ausgang 330 relativ zum Erdpotential zentriert werden, welches das Bezugspotential für den Stromüber-

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nahmeschalter am Eingang ist. Das Ausgangssignal am Anschluß und das Eingangssignal am Eingang 330 sind somit aufeinander abgestimmt.

In der Praxis kann jede beliebige Anzahl von Stufen und Variationen der Grundschaltung zwischen den als Eingangsstufe wirkenden Stromübernahmeschalter und den Emitterfolger am Ausgang gelegt werden. Diese Möglichkeit ist extrem vorteilhaft,bei hochgradiger Integration von Schaltungen, weil die Grundschaltungen mit Geschwindigkeiten arbeiten, die kompatibel sind mit der des Stromübernahmeschalters am Eingang. Bei der hochgradigen Integration wird die Geschwindigkeitsleistung also nicht für den reduzierten Stromverbrauch geopfert.

Fig.9 zeigt ein hoch integrierbares Ausführungsbeispiel, bei dem

die Eingangsstufe als Transistor-Transistor-Logik (T L) aufgebaut ist. Die Eingangsstufe besteht aus einem Transistor 350 mit mehreren Emittern, dem die logischen Signale an zwei Eingängen 352 und 354 zugeführt werden. Die Basis des Transistors 350 ist über einen Widerstand 358 mit einer Stromquelle 356 verbunden. Ein Ausgangstransistor 360 ist mit seiner Basis 362 an den Kollektor des Transistors 350 gelegt. Der Emitter des Transistors 360 ist mit Erdpotential verbunden und der Kollektor über einen

2 Widerstand 362 mit einer Stromquelle 356. Die T L-Logik liefert

2 am mit dem Kollektor des Ausgangstransistors 360 der T L ver-

2 bundenen Ausgang 364 ein Signal. Die T L^-Eingangsstufe ist mit der Grundschaltung über die Leitung 366 verbunden, die zur Basis des Transistors 368 führt. Der Emitter des Transistors 368 ist über den Widerstand 370 mit Erdpotential verbunden. Der Kollektor des Transistors 368 ist über den Widerstand 372 an die Stromquelle 356 angeschlossen. Ein mit dem Kollektor des Transistors 368 verbundener Ausgang 374 liefert ein Eingangssignal für einen Ausgangstransistor 376, dessen Emitter durch die Leitung 378 direkt mit Erdpotential und dessen Kollektor durch einen Widerstand 380 mit der Stromquelle 356 und einem Ausgang 382 verbunden ist.

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Die Grundschaltuhg umfaßt im wesentlichen den Transistor 368 und die zugehörigen Elemente und kann den gesättigten Ausgangstransistor 376 treiben, der in einer Schaltung außerhalb des Chips benutzt wird. Der Ausgangstransistor 376 und der Widerstand 380 bilden eine Ausgangsstufe mit der zum Treiben einer relativ großen Kapazität notwendigen Leistung. Der Wert des Wi-

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derstandes 362 in der T L-Eingangsstufe wird genauso groß gewählt wie der des Widerstandes 372 in der internen Grundschaltung, um sicherzustellen, daß bei nichtleitendem Transistor 360 der am Ausgang erzeugte Signalpegel mit dem am Knoten 374 bei nichtleitendem Transistor 368 erzeugten Pegel identisch ist. Der Wert des Widerstandes 380 in der Ausgangsstufe wird nach den Erfordernissen des Stromverbrauches und der Zeitkonstanten gewählt, sein spezieller Wert ist jedoch bei statischem Betrieb nicht kritisch.

Zwischen die T L-Eingangsstufe und dem Ausgangstransistor 376 kann wieder eine Anzahl von erfindungsgemäßen Grundschaltungen eingeschaltet werden.

Fig.10 zeigt eine Anwendung, bei der die Grundschaltung zusammen mit Feldeffekttransistoren (FET) eingesetzt ist. Die Eingangsstufe empfängt ein Eingangssignal am Anschluß 400, der mit dem Gate des FET 402 verbunden ist. Die Drain des FET 402 ist direkt mit Erde verbunden und die Source ist über einen Widerstand 406 mit der Stromquelle 404 verbunden. Die Eingangsstufe erzeugt an dem mit' der Source des FET 402 verbundenen Anschluß 408 ein Ausgangssignal.

Die Zwischenstufe umfaßt ein bipolares Element 410, dessen Emitter durch den Widerstand 412 an Erdpotential und dessen Kollektor über einen Widerstand 414 an die Stromquelle 404 gelegt ist.

Die Grundschaltung liefert ein Eingangssignal an den die Ausgangsstufe bildenden Transistor 416, dessen Basis über eine Leitung 418 mit dem Kollektor des Transistors 410 des Transistors 416 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 416 ist direkt

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mit Erdpotential verbunden und sein Kollektor über den Widerstand 420 mit der Stromquelle 404. Am Ausgang 422, der mit dem Kollektor des Transistors 416 verbunden ist, wird ein Ausgangssignal erzeugt.

In dieser Schaltung steuert ein Feldeffekttransistor direkt über einen Widerstand 406 die Basis eines Transistors 410. Durch geeignete Wahl des Widerstandswertes kann die FET-Speisespannungsquelle 404 auch für die übrigen angeschlossenen bipolaren Schaltungen verwendet werden.

Für die Widerstände 406 und 414 sollten gleiche Werte in der Größenordnung von 5 bis 8 Kiloohm gewählt werden, um die Verlustleistung auf einen Bereich von wenigen Milliwatt pro Schaltung zu begrenzen. Der Wert des Widerstandes 412 kann wie in der in Fig.l gezeigten Schaltung im Bereich von 100 Ohm gewählt, wenn der Emitterstrom im wesentlichen gleich groß ist.

Der Ausgangstreibertransistor 416 arbeitet im gesättigten Zustand, somit ist der Wert des Widerstandes 420 für den statischen Betrieb der Schaltung nicht kritisch, sein optimaler Wert bestimmt sich aus den Forderungen hinsichtlich der Verlustleistung und der Zeitkonstante.

Auch hier kann eine Anzahl von Stufen zwischen die FET-Eingangsstufe und dem Ausgangstransistor 416 eingefügt werden. Diese Schaltungsvariation liefert die Möglichkeit, bipolare Schaltungen mit FET-Schaltungen zu mischen, ohne daß die Funktionstüchtigkeit dadurch behindert wird.

Die erfindungsgemäße Grundschaltung hält im wesentlichen den Leitzustand des bipolaren Transistors bei unterschiedlichen Signalstörungen am Basiseingang konstant und erzeugt so ein stabiles Ausgangssignal, wenn die zwischen Basis und Kollektor eingeschaltete Diode leitend ist.

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Wenn die Anschlüsse 94 und 96 in Fig.2 verbunden sind, arbeiten die beiden negativen Rückkopplungen in der logischen Grundschaltung mathematisch gesehen folgendermaßen:

V e	= ^VBE ⁺	¹E	^R82	^R90
V e	- ^E86 -		⁺ V
^VBE	= γ e		^82	^R90" ^]
^VBE	- ^E86 - '	[I₈	+ I )


^CE ^R82

Wenn also Signalstörungen V durch Veränderungen von V ansteigen lassen, steigen auch I_c und I„ an und reduzieren so die Basis-Emitterspannung V__ und führen die Eingangsspannung V auf

oL· e

einen niedrigeren Pegel, d.h., in den stabilen Zustand V_m zurück.

Wenn V abfällt, dann fallen auch I- und I_ und heben den Wert e ω &

V und somit auch V bis zum stabilen Zustand bei V an.

Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, werden natürlich der Anschluß 54 in Fig.l, die Anschlüsse 120, 140 in Fig.2 und die Anschlüsse 170, 184, 194, 206 in Fig.6 usw. von einem Kollektoranschluß einer vorhergehenden Stufe angesteuert. Ein solcher Anschluß ist mit einem Widerstand und einer Stromquelle verbunden, um die gewünschten Spannungen und die gleichlaufende Rückkopplung für die beiden negativen Rückkopplungswege zu liefern.

Bei der in den Fign. 5 und 7 gezeigten Verwirklichung der NAND-Funktion enthalten die Emitterimpedanzen der Transistoren 142 und 264 der Grundschaltung aktive Elemente, nämlich die Transistoren 138 bzw. 266. Bei der in Fig.6 gezeigten Verwirklichung der NOR-Funktion teilen sich alle Transistoren 172, 186, 192 und 204 den gemeinsamen Kollektorwiderstand 176, während die Emitterimpedanzen, speziell die Widerstände 180 und 196, von den Transistorpaaren 172, 186 und 192, 200 geteilt werden.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Logische Grundschaltung mit einem bipolaren Transistor,
der in Abhängigkeit vom Signalpegel an seiner Basis zwischen dem nichtleitenden und einem leitenden Zustand umschaltbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kollektor und Basis eine erste, eine negative Strom-Rückkopplung bewirkende, nichtlineare, stromrichtungsabhMngige Impedanz und im
Emitterkreis eine zweite, eine negative Spannungs-Rückkopplung bewirkende Impedanz vorgesehen ist und daß der
den Ausgang bildende Kollektor über eine dritte Impedanz mit einer Betriebsspannungsquelle verbunden ist.

Logische Grundschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Impedanz eine Schottky-Diode ist und daß die zweite und dritte Impedanz Widerstände sind.

Logische Schaltung unter Verwendung der Grundschaltung
nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine derartige Grundschaltung mit weiteren
Schaltstufen zu einer logischen Schaltung vereinigt ist
und daß die Basis des Transistors mindestens einer der
Grundschaltungen über eine vierte Impedanz an eine Spannungsquelle gelegt ist.

Logische Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Transistors einer ersten mit der
Basis des Transistors einer zweiten Grundschaltung verbunden und daß dabei die vierte Impedanz der zweiten Grundschaltung gleichzeitig die dritte Impedanz der ersten
Grundschaltung bildet.

Logische Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Transistors der zweiten mit der

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Basis des Transistors einer dritten Grundschaltung verbunden ist und daß dabei die vierte Impedanz der dritten Grundschaltung gleichzeitig die dritte Impedanz der zweiten Grundschaltung bildet.

6. Logische Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer NOR-Schaltung die Emitter der Transistoren der zweiten und einer vierten Grundschaltung verbunden sind und daß die zweite und dritte Impedanz beiden Grundschaltungen gemeinsam sind.

7. Logische Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer NAND-Schaltung der Transistor der ersten Grundschaltung mit einem zweiten Transistor verbunden ist, wobei der Kollektor des Transistors der dritten Grundschaltung mit der Basis dieses zweiten Transistors verbunden ist und der zweite Transistor die zweite Impedanz der ersten Grundschaltung bildet.

8. Logische Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer NOR-Schaltung die Kollektoren der Transistoren von mehreren Grundschaltungen verbunden und an eine gemeinsame dritte Impedanz geführt sind.

9. Logische Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter der Transistoren mindestens von zwei Grundschaltungen verbunden und an eine gemeinsame zweite Impedanz geführt sind.

10. Logische Schaltung nach den Ansprüchen 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Stromübernahmeschalter vorgesehen ist und daß der Kollektor des Ausgangstransistors über die vierte Impedanz mit der Basis einer Grundschaltung verbunden ist.

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3 0 9 8 8 3/1307 ORfGfNAL INSPSCTED

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11. Logische Schaltung nach den Ansprüchen 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet/ daß zusätzlich eine Transistor-Transistor-Logikschaltung vorgesehen ist und daß der Kollektor des Ausgangstransistors über die vierte Impedanz mit der Basis einer Grundschaltung verbunden ist.

12. Logische Schaltung nach den Ansprüchen 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Impedanz einer Grundschaltung den Stromkreis einer Feldeffekttransistor-Stufe liegt.

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