DE2413147B2

DE2413147B2 - Impulsformer

Info

Publication number: DE2413147B2
Application number: DE19742413147
Authority: DE
Inventors: David Wilson Paradise Valley Ariz. Hall Ii (V.St.A.)
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1973-03-19
Filing date: 1974-03-19
Publication date: 1978-01-26
Also published as: GB1451732A; DE2413147C3; JPS49128660A; US3909633A; JPS5327108B2; FR2222797A1; FR2222797B1; DE2413147A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Impulsformer mit einer Eingangsumkehrstufc die bei Eingangssignaländcrungen zwischen einem ersten und einem zweiten binären Signalwert ein Spannungsänderungssignal zwischen dem ersten und dem zweiten binären Signalwert an einen Verbindungspunkt anlegt, an den eine Ausgangsumkehrstufe mit einem ersten Schwellenspannungswert und ein Schwellenspannungsschaltelement mit einem zweiten Schwellenspannungswert angeschlossen sind.

Ein derartiger Impulsformer ist bekannt aus »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Vol. 13, Nr. 11, April 1971, Seiten 3331 und 3332. Mit dieser bekannten Schaltung soll grundsätzlich die Schaltgeschwindigkeit von Siliziunitransitorcn erhöht werden. Dafür ist ein als Umkehrstufe geschalteter Eingangstransistor mit seinem Kollektor an einen Verbindungspunkt angeschlossen, der außerdem mit dem Eingang eines /weilen Transistors verbunden ist, der ebenfalls als Umkehrstufe geschaltet ist. An den Verbindungspunkt ist weiterhin eine aus zwei Tunneldioden bestehende Reihensclialtung angeschlossen. Die Schallgeschwindigkeit wird bei dieser bekannten Schaltung unter Ausnutzung des Kcnnlinienbercichs mit negativem Widerstand der Tunneldioden dadurch erhöht, dal.) nach dem Überschreiten einer von den Kennlinien der Tunneldioden vorgegebenen Schwellenspannung am Verbindungspunkt diese bei gleichbleibendem Strom eine höhere. Durchlaßspannung annehmen, die zu einem raschen Durchschalten des zweiten Transistors führt.

Diese bekannte Schaltung weist jedoch den Nachteil auf, daß sich aufgrund der Tunneldiodenkennlinie keine symmetrischen oder gleichen Schaltcigenschafien finden Wechsel von einem ersten binaren Signalwert zu einem /weiten binären Signalwert erreichen lassen. Auch bei einem umgekehrten Wechsel sind keine symmetrischen Schalteigenschallen zu erreichen. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Schaltung besteht darin, daß im Falle ihrer Ausbildung als integrierte Schaltung ein erheblicher Ferügungsaufwand in Kauf genommen werden muß. daß für die Transistoren einerseits und die Tunneldioden andererseits unterschiedliche, getrennte Dotierungssehritte vorgesehen werden müssen.

Eine Schaltung der eingangs genannten Art dient dem Zweck, iiiipulsförmige Signale /u bilden und an andere Schaltungen weiterzugeben. Die Schaltung ist besonders nützlich, wenn Impulse verwendet werden, die ihren Signalzustand zwischen zwei binären Signalniveaus änJcrii. In der digitalen Schaltungstechnik sind derartige Impulsformerschaltungen häufig erwünscht, wobei damit vor allem die Flankensteilheit von Impulsen wesentlich vergrößert werden soll. Es ist auch allgemein bekannt, dieses Ziel dadurch zu erreichen, daß so viele Umkehrstufen hiniereinandergeschaltet wurden, bis der Impuls eine akzeptable Ver/.ögerungszeit erreicht. Der Hauptnachieil einer solchen Schaltungskonfiguration ergibt sich aus der Gesamtverzögerung die sich aus den einzelnen Verzögerungen der einzelnen Unikehrstufen ergibt. Als nachteilig wird auch angesehen, daß eine sehr große Vielzahl von Umkehrstufen benötigt wird, wenn hohe Anforderungen an die Qualität der zu formenden Impulse gestellt weiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Impulsformer der eingangs naher genannten Art derart auszubilden, daß bei der Impulsformung bei den beiden möglichen Riehlungen einer Eingangssignaländerung gleichbleibend guic Ergebnisse erzielt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß an dem Vcrbindungspunkl ein zweites Schwellenspannungsschaltelement mit einem dritten Schwcllenspannungswert angeschlossen ist, daß der erste Schwellenspannungswerl zwischen dem zweiten und dem dritten Schwellenspannungswcrt liegt und daß das erste bzw. /.weile Schwellenspannungsschaltclement im Falle einer Eingangssignaländerung einen der Spannungsändcrung am Verbindungspunkt entgegenwirkenden Strom liefert, bevor das Spannungsanderungssignal den zweiten bzw. dritten Schwellenspannungswerl durchläuft und nach Durchlaufen dieses Sehwellenspannungswertes einen die Spannung^änderung unterstützenden Strom liefert.

Es erweist sich gemäß tier Erfindung als vorteilhalt, daß zwei gleichartige Schwellenspannungselemente verwendet werden, von denen das eine maßgeblich an der Impulsformung bei einer Eingangssignaländerung in einer Richtung und das andere einsprechend bei einer Eingangssignaländerung in tier alitieren Richtung beteiligt sind. Die Sehwellenspannungswerie tier

Schwellenspannungsschalielemenie sind gemäß der Erfindung so gewählt, daß der Sehwellenspannungswert der Ausgungsumkehrslufe zwischen ihnen liegt. Darüber hinaus bestehen die Schwellenspannungselementc beim Erfindungsgegenstand aus aktiven Elementen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes sind die aktiven Elemente ihrerseits Umkehrstufen, deren Aufbau im wesentlichen dem der Eingangs- und der Ausgangsumkehrstufe entspricht, wobei diese aktiven Elemente jeweils während eines ersten Teils einer .Signaländerung am Verbindungspunkt einen dieser Änderung entgegenwirkenden Strom liefern, um anschließend nach dem Erreichen ihres Schwellenspannungswertes einen die Signaländerung unterstützenden Strom zu liefern.

Die Erfindung bedient sich somit der Erkenntnis, daß die Schwellenspannung eines Inverters auf einen beliebigen Wert eingestellt werden kann, indem das Verhältnis der geometrischen Abmessungen der beiden Transistoranordnung zueinander entsprechend eingestellt wird.

Gemäß der Erfindung läßt sich weiterhin in vorteilhafter Weise erreichen, daß der Impulsformer gegen Rauschen außerordentlich unempfindlich wird.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm der Umkehrstufen, wie sie für die Erfindung Verwendung finden,

F i g. 2 das Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Umkehrstufe,

Fig. 3 die an den Punkt an A, öund Cgemäß Fig. i auftretenden Signal formen.

Gemäß Fig. 1 ist eine eingangsseilige Umkehrstufe 11 mit dem Eingang an eine Eingangsklemme 18 angeschlossen und liegt mit ihrem Ausgang am Eingang einer ausgangsseitigen Umkehrstufe 12. Die Eingangsklemme 18 wird mit einem Impuls beaufschlagt, der zwei unterschiedliche Signalniveaus einnimmt.

Zwei Umkehrstufen 13 und 14 bilden eine erste Einrastschallung 20, wobei der Ausgang der Umkehrstufe 14 und der Eingang der Umkehrstufe 13 im Vcrbindungspunkt 17 zusammengeschaltet sind. An diesem Verbindungspunkl ist auch der Ausgang der Umkehrstufe 11 und der Eingang der Umkehrstufe 12 angeschlossen. Der Ausgang der Umkehrstufe 13 liegt am Eingang der Umkehrstufe i4.

Zwei weitere Umkehrstufen 15 und 16 bilden eine zweite Einrastschültung 21, wobei der Ausgang der Umkehrstufe 16 an den Eingang der Umkehrstufe 15 angeschlossen ist und beide gleichzeitig im Vcrbindungspunkt 17 mit dem Ausgang der Umkehrstufe Il und dem Eingang der Umkehrstufe 12 verbunden sind.

Damit wird der Eingang der ausgangsseitigen Umkehrstufe 12 sowohl vom Ausgang der eingangsseitigen Unikehrstufe 11 als auch von der ersten und zweiten Einrastschaltung beeinflußt. Diese spezielle Schaltungskombination bewirkt, daß an der Ausgangsklemme 19 ein Ausgangsimpuls zur Verfügung steht, dessen Vorderflanke und dessen Rückflankc sehr gleichmäßig sind und sehr steil verlaufen.

In F i g. 2 ist der Stromlauf einer Einrastschaltung 20 mit komplementären Oberflächen-Feldeffekttransistoren dargestellt, die als Metalloxid-Silicium-Feldeffekttransistoren (MOS) vorzugsweise ausgeführt sind. Ein MOS-Feldeffekttransistor 26' mit !'-leitender Kanalstrecke ist mit seiner Quelle an eine positive Versorgiingsspannung über eine Klemme 24' angeschlossen und liegt mit der Senke an der Ausgangsklemme 23'. Ein MOS-Feldeffekttransistor IY mit N-Ieitender Kanalstrecke ist mit seiner Quelle an eine Klemme 25' für eine negative Spannung angeschlossen und liegt -, mit seiner Senke zusammen mit der Senke des Feldeffekttransistors 26' an der Ausgangsklemme 23'. Die Gates der beiden Feldeffekttransistoren 21' und 26' sind zusammengeschaltet und liegen an der Eingangsklemmc 22'.

in Diese MOS-Umkehrslufe repräsentiert eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, jedoch lassen sich derartige Umkehrstufen auch aus bipolaren Transistoren und Sperrschicht-Feldeffekttransistoren mit einem einzigen Kanaltyp herstellen und für die

ι -, spezielle Schaltung gemäß der Erfindung verwenden.

In Fig. 3 sind schematisierte und idealisierte Impulssignak· dargestellt, wie sie an den drei Meßpunkten A, B und C gemäß Fig. 1 auftreten. Die Ordinatenrichtung repräsentiert die Spannungsamplitude, wogegen die Abszissenrichtung die Zeit repräsentiert.

Der Impuls A liegt als Eingangsimpuls an der Klemme 18 und hat eine Anstiegszeit, die sich zwischen der Zeit T\ und der Zeit 74 erstreckt, wogegen die Abfallzeit zwischen der Zeit 7"5 und der Zeit Ti liegt. Es sei

>-i angenommen, daß dieser flache Flankenanstieg und Flankenabfall für die Schaltung, die über die Pufferstufe angesteuert wird, nicht geeignet sind. Wenn man die Einrastschallungen 20 und 21 abklemmen würde, so würde ein Impuls entsprechend dem Impulsverlauf im

.in Meßpunkt A über die Umkehrstufe 11 übertragen mit umgekehrtem Verlauf am Eingang der Uipkehrstufe 12 wirksam sein und am Ausgang dieser Stufe, d. h. im Meßpunkt C wieder in etwa in der gleichen Impulsform erscheinen, wobei der Flankenanstieg und der Flankcn-

r> abfall etwas steiler sein könnten, jedoch nicht den Erfordernissen der nachgeschaltcten Stufe entsprechen würden.

Die physikalischen Abmessungen der Umkehrstufe 11 sind wesentlich größer als die der Umkehrstufen 14 und

M) 16, so daß die eingangsseitige Umkehrstufe 11 in der Lage ist, die Gegenwirkung der Umkehrstufen 14und 16 zu überwinden.

Zum Verständnis des Funktionsablaufes sei angenommen, daß der Impuls a vom Zeitpunkt Tl bis zum

-π Zeitpunkt T4 langsam ansteigt. Entsprechend beginnt die Umkehrstufe 11 das Signalniveau am Ausgang von einem binären Signalniveau I auf ein binäres Signalniveau 0 zu ändern, wie es als Impuls b dargestellt ist. Da die Umkehrstufe 14 der Einrastschaltung 20 und die

-)i> Umkehrstufe 16 der Einrastschaltung 21 beide auf dem binären Signalzustand 1 liegen, wirken sie der Umkehrung entgegen. Da jedoch die Umkehrstufe 11 größer ausgebildet ist, ist sie in der Lage, die Signalumkehrung langsam gegen die Gegenwirkung bis

)> zum Erreichen der Schwellwertspannung der Umkehrstufe 13 vorzunehmen. Diese Schwellwertspannung der Umkehrstufe 13, d. h. der Punkt, in welchem diese Stufe ihren Schaltzustand ändert, liegt auf einem vorbestimmten Wert, der näher bei der positiven Versorgungsspan-

w) nung gemäß Fig. 2 als die Sehwcllwertspannung der Umkehrstufe 12 liegt. Die Schwellwertspannung der Umkehrstufe 15 liegt auf einem vorbestimmten Wert näher bei der negativen Versorgiingsspannung gemäß Fig. 2 als die Schwellwertspannung der Umkehrstufe

to 12. Wenn die Umkehrstufe 13 ihren Schaltzustand ändert, liefert sie einen binären .Signalzustand I an die Umkehrstufe 14, die ebenfalls ihren Schaltzustand ändert, und unterstützt dadurch die Umkehr des

Eingangsinipulses durch die Umkehrstufe 11, in dein zur Zeil T2 der Signalabfall im Meßpunkt B unmittelbar eintritt. Dieser Signalabfall verursacht eine Änderung des Schaltzustandcs der Umkehrstufe 15 sowie der Umkehrstufe 16 der Einrastselialtung 21 und unterstützt dadurch die Signalumkehr zusätzlich. Durch diese Kombination von Schaltcinflüssen wird am Ausgang der Umkehrstufe 12, d.h. im Meßpunkl ('ein Ausgangsimpuls erzeugt, dessen Anstiegszeit zur Zeit 7'3 sehr steil ist und damit den Anforderungen der nachfolgenden Schaltung genügt. Es sei darauf hingewiesen, daß der Eingangsimpuls ;i seinen Anstieg zu einem Zeitpunkt T4 beendet, d. h. lange nachdem der ausgangssciligc Impuls cbereits sein Maximum erreicht hai.

Zum Zeitpunkt 7~5 gemäß Fig. 3 beginnt die Rückflanke des Eingangsimpulscs ;) mit dem Signalabfall und erreicht das untere Signalniveau zum Zeitpunkt TS gemäß Fig. 3. Die eingangsscilige Umkehrstufe 11 versucht diesem Signalverlauf folgend ihren Schaltzustand vom binären .Signalzustand 0 auf den binären Signalzustand 1 zu ändern, und zwar entgegen der Gegenwirkung durch die Umkehrstufen 14 und 16. Trotz dieser Gegenwirkung erfährt das Signal durch die Eingangsstufe eine Signalumkchr, bis der Schwcllwert der Umkehrstufe 15 erreicht ist. Wenn die Umkehrstufe 15 ihren Signalzustand ändert, ändert sich auch entsprechend der Signalzustand der Umkehrstufe 16, und zwar vom binären Signalzustand 0 auf den binären Signalzustand 1 am Ausgang. Diese Umkehr vom binären Signalzustand 0 auf den binären Signalzustand 1 unterstützt die Umkehr des Eingangssignals und verursacht eine plötzliche Änderung des Ausgangssignals der eingangsseitigen Umkehrstufe zum Zeitpunkt Tb entsprechend dem Impuls b gemäß Fig. 3. Der plötzliche Spannungsanstieg verursacht eine Änderung des Signalzustandes der Umkehrstufen 13 der Einrastsclialtung 20. womit diese weiter zur Versteilerung der Rückflankc beitrügt. Aufgrund der erläuterten Wirkungsweiseerhält man im Meßpunkl ('ein impulsförmiges Ausgangssigna!, dessen Rückflanke sehr steil ist und für die Ansteuerung einer nachfolgenden Stufe ausreicht.

Ein sehr wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Impulsformers ist deren Unempfindlichkeit gegen Rauschen. Das Maß der Unempfindlichkeit hängt zu einem beachtlichen Teil von den physikalischen Abmessungen der eingangsseitigen Umkehrstufe II. verglichen mit denen der Umkehrstufen 14 und 16. ab. Wenn z. B. die cingangsseitigc Umkehrstufe 11 zu klein ist. dann läßt sich mit Hilfe der Umkehrstufen 14 und 16 eine Signalumkehr durch die eingangsscilige Umkehrstufe verhindern. Unter diesen Umständen würde man eine lOOprozcntige Rauschimmunitäl erhalten, jedoch würde auch gleichzeitig eine lOOprozcntige Signalimmunitäl vorhanden sein, d. h„ die Schaltung würde nicht arbeiten. Durch eine richtige Dimensionicrung der Größcnvcrhältnissc sowie einer entsprechenden Einstellung der Schwcllwertspannungcn läßt sich mit Hilfe der Erfindung eine Rauschimmuniläi von 70'Vi) für die posilivc Spannung erreichen unter der Annahme, daß die negative Spannung gleich Null ist. In bevorzugten Ausführungsformen wurden nachfolgende Schwcllwerlspannungcn und physikalischen Größen als besonders geeignet ermittelt:

Umkehr	N-Ieitende Kanalstrecke	.iingc (mm)	P-Icitcndc Kanalstreckc	.ängc(mm)	Schwell-
stufe					wcrt-
	Breite (mm)	.0 · 10~2	Breite (mm)	,0 ■ 10-2	spannung in (»/ιι
		.0 · 10 ²		,0 · 10 2	Ml /U von + V
11	7,62 · 10-²	,0 · 10 -	7,62 · 10 ²	,0 ■ 10 2	50
12	25,4 · 10--	,0 · 10--'	25,4 · 10 ²	,0 · 10 2	50
13	4,0 · ΙΟ-²	,0 · 10 -¹	2,54 · 10--'	,0 · 10 --'	60
14	1,5 · 10-	,0-10 -'	1,5 · 10 2	,0 · 10 -'	50
15	2,54 · 10 ^J	4,0 · 10 2	40
16	1,5 · 10-^J	1,5 · 10 -	50

Die vorstehend beispielsweise angegebenen Werte sollen keineswegs zum Ausdruck bringen, daß die Erfindung nur mit nach diesen Weilen verwirklichten Schaltungen ausführbar ist. Es ist offensichtlich, daß für den Fachmann viele Schaltungsvarialionen möglicr sind, je nach der Art der verwendeten Schaltkreise^ mcntc und deren charakteristischen Eigenschaften.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Palentansprüche:

I. Impulsformer mit einer Eingangsumkehrstufc die bei Eingangssignaländerungen zwischen einem ersten und einem zweiten binären Signalwert ein Spannungsänderungssignal zwischen dem ersten und dem zweiten binären Signalwert an einen Verbindungspunkt anlegt, an den eine Ausgangsumkehrstufe mit einem ersten Schwellenspannungswert und ein Schwellenspannungsschaltelenient mit einem zweiten Schwellenspannungswert angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß an den Verbindungspunkt (17) ein zweites Schwellenspannungssehaltelenient (21) mit einem dritten Schwcllenspannungswert angeschlossen ist, daß der erste Schwellenspannungswerl zwischen dem zweiten und dem dritten Schwellenspannungswert liegt und daß das erste bzw. zweite Schwellenspannurigsschaltelement (20, 21) im Falle einer Eingangssignaländerung einen der Spannungsänderung am Verbindungspunkt entgegenwirkenden Strom liefert, bevor das Spannungsänderungssignal den zweiten bzw. dritten Schwellenspannungswerl durchläuft und nach Durchlaufen dieses Schwcllenspannungswertes einen die Spannungsändcrung unterstützenden Strom liefert.
2. Impulsformer nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schwellcnspannungsschalielement (20) einen ersten MOS-lnverter (13) und einen zweiten MOS-lnverter (14) aufweist, die zu einer geschlossenen Schleife geschaltet sind, tlaß das zweite Schwcllenspannungsschaltelement (21) einen dritten MOS-lnverter (15) und einen vierten MOS-lnverter (16) aufweist, die zu einer geschlossenen Schleife geschaltet sind, und daß das erste und das zweite Schwcllenspannungsschalte'lement (20, 21) parallel an den Knoten (17) angeschlossen sind.
3. Impulsformer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Schwellenspannungsschaltelemcnt (20, 21) sowie die Ausgangsumkehrstufe (12) sowie die Eingangsumkehrstufc (11) jeweils CMOS-Bauelenicnte aufweisen.