DE2416296A1

DE2416296A1 - Transistor-transistor-logik

Info

Publication number: DE2416296A1
Application number: DE2416296A
Authority: DE
Inventors: James Robert Struk; Robert George Werner
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-06-22
Filing date: 1974-04-04
Publication date: 1975-01-23
Also published as: US3836789A; IT1009962B; CA1048615A; FR2234713B1; FR2234713A1; JPS5023760A; GB1462278A

Description

Böblingen, den 8. März 1974

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: FI 972 157

Transistor-Transistor-Logik

Die Erfindung betrifft eine Transistor-Transistor-Logik (TTL) mit einem Koppeltransistor, dessen Kollektor mit der Betriebsspannung verbunden ist und an dessen Emitter die binären Eingangssignale zugeführt werden, und mit einem Ausgangstransistor, dessen Kollektor ebenfalls mit der Betriebsspannung verbunden ist und an dessen Basis der Kollektor des Koppeltransistors angelegt ist.

Logische Schaltungen, die in Transistor-Transistor-Logik aufgebaut sind, sind weithin bekannt und finden verbreitete Anwendung. Die Grundschaltung der bekannten Transistor-Transistor-Logik ist in Fig. 4 dargestellt. Die Eingänge A und B werden gewöhnlich über den Kollektor eines Koppeltransistors angesteuert, wie er beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist. Derartige Grundschaltungeη arbeiten normalerweise mit Betriebsspannungen von etwa 5 Volt und erzeugen einen oberen Ausgangspegel von etwa 3,4 Volt, während der untere Ausgangspegel etwa 0,4 Volt beträgt. Die Funktion einer derartigen Schaltung läßt sich am Ausgang in boolscher Algebra durch die Beziehung A + B darstellen.

Werden derartige Schaltungen in hochintegrierter Technik verwirklicht, so ist man bekanntlich bestrebt, den Platzbedarf der integrierten Schaltung möglichst gering zu halten und gleichzeitig

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den Leistungsbedarf auf ein Minimum abzusenken. Auf diese Weise gelingt es, eine hohe Packungsdichte zu erreichen, also eine möglichst große Anzahl derartiger Schaltungen auf einem Halbleiterplättchen unterzubringen. Hit dieser Zielsetzung hat man modifizierte Transistor-Transistor-Logikschaltungen entwickelt, um jedoch ein funktionsgerechtes Zusammenarbeiten der konventionellen Transistor-Transistor-Logik, wie sie beispielsweise in Fig. 4 dargestellt ist, mit den modifizierten Transistor-Logikschaltungen zu gewährleisten, ist es erforderlich. Schaltungen zur Umsetzung der benötigten Spannungen vorzusehen. Nur durch diese Maßnahme ist es gewährleistet, daß die Schaltungen spannungsmäßig aneinander angepaßt sind.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine modifizierte Transistor-Transistor-Logik anzugeben, die bei reduziertem Leistungsbedarf und bei zahlenmäßig ebenraxis reduziertem Aurwand an Schaltungskomponenten direkt, also ohne den Einsatz von Schaltungen zur Spannungsumsetzung mit der konventionellen Transistor-Transistor-Logik verträglich ist. Es soll also insbesondere «in· Logik angegeben werden, die gegenüber der konventionellen Logik weniger Schaltungselemente aufweist und mit geringerer Leistung betrieben werden kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Emitter des Ausgangstransistors über eine Diodenstreck· an ein Bezugspotential und an «in« von der Betriebsspannung abgeleitete Vorspannung angelegt ist, welche die Diodenstrecke ständig im leitenden Zustand hält.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung näher erläutert.

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Es zeigen:

Flg. 1 das Blockschaltbild einer logischen Schaltung,

bestehend aus der erfindungsgemäßen TTL-Logik, die als interne TTL-Logik bezeichnet ist, in Verbindung mit der zugehörigen erfindungsgemäßen Betriebsspannungsquelle und einer angeschlossenen externen Logik, die in bekannter Weise aufgebaut ist,

Fign. 2 und 4 zusammengenommen eine bekannte TTL-Logik und Fig. 3 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der

erfindungsgemäßen TTL-Logik als UND-Inverter-Schaltung, wie sie im Blockschaltbild gemäß Fig. 1 als interne TTL-Logik eingesetzt ist.

Zunächst sei die in Fig. 4 dargestellte bekannte TTL-Logik betrachtet und die erforderlichen Abänderungen angegeben, die zur erfindungsgemäßen TTL-Logik führen. Ist keiner der Eingangstransistoren IO oder 12 leitend, so ist die Basis des Transistors 14 im bezug auf den Ausgangsanschluß 16 negativ. Der Ausgangsanschluß 16 ist über eine Diode 18 mit dem Emitter des Transistors 14 verbunden. Der Transistor 14 ist damit gesperrt. Bei leitenden Transistoren 10 oder 12 wird jedoch über die Emitter dieser Transistoren das Potential an der Basis des Ausgangstransistors 26 angehoben, so daß dieser Transistor leitend wird. Damit schließt ein Strom Il in der angegebenen Richtung vom Ausgangsanschluß über den Transistor 26 nach Masse'. In diesem Schaltzustand mit leitendem Transistor 26 stellt sich am Ausgangsanschluß 16 eine stabile Spannung von etwa 0,4 Volt ein. Betrachtet man jedoch den anderen Zustand, bei dem beide Eingangstransistoren 10 und 12 nicht leitend sind, da an die Eingangsanschlüsse 32 und 34 negative Signale A und B angelegt werden, so erhält man am Knoten 36 eine relativ positive Spannung und der Transistor 14 ist gesperrt. Nunmehr fließt ein Strom 12 vom Anschluß 37 der Betriebsspannung von 5,0 Volt über den Widerstand 38 und über den Basis-

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Emitter-Übergang des Transistors 14 zum Ausgangsanschluß 16. In diesem Schaltzustand erhält man am Ausgangsanschluß 16 eine Spannung von etwa 3,4 Volt. Der Widerstand 40 bildet in bekannter Weise den Lastwiderstand des Transistors 14. Die Schottky-Diode 42 in Verbindung mit dem Widerstand 44 bilden den Emitterwiderstand der Transistoren 10 und 12, wenn sie sich im leitenden Zustand befinden. Schließlich sind die Basis-Kollektor-Anschlüsse der Transistoren 10, 12 und 26 in bekannter Weise zur Verhinderung der Sättigung mit Schottky-Dioden 48, 49 und 52 überbrückt.

Wird in TTL-Logik normalerweise über einen Koppeltransistor getrieben, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Es handelt sich um einen Hultiemitter-Transistor 50 mit mehreren Emitteranschlüssen 52, 54, 56 und 58. Der Koppeltransistor 50 ist mit seiner Basis über einem Lasttransistor 60 mit einem Betriebsspannungsanschluß 58 verbunden. Zur Verhinderung der Sättigung ist zwischen Basis und Kollektor eine Schottky-Diode 61 angeschlossen. Befinden sich sämtliche Eingänge des Koppeltransistors 50 auf einem oberen Pegelwert, so wird ein Strom 13 in einem Strompfad erzeugt, der aus dem Betriebsspannungsanschluß 58, dem Widerstand 60 und dem Ausgangsanschluß 68 gebildet wird. Dieser Zustand entspricht also einem relativ hohen Spannungspegel, der am Ausgangsanschluß 68 erzeugt wird. Aus dieser Funktionsbeschreibung ist zu ersehen, daß eine wesentliche Funktion der Transistoren 10 oder 12 und (Fig. 4) darin besteht, einen Diodenspannungsabfall in Durchlaßrichtung für den Strom 13 zu erzeugen, wobei diese Diode aus dem Basis-Emitter-Übergang der Transistoren besteht.

Bei der erfindungsgemäß verbesserten Schaltung sind die Transistoren 10, 12 und 26 durch den Transistor 82 in Fig. 3 ersetzt. Außerdem ist dafür gesorgt, daß eine Diode in jedem Schaltzustand in Durchlaßrichtung betrieben wird. Diese in Durchlaßrichtung betriebene Diode besteht, wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, aus der aus einem Transistor gebildeten Diode 62, die die Leitung 64 mit Hasse verbindet. Die Leitung 64 ist außerdem Über Leitungen 6 6 und 69 an die Schaltungen der erfindungsgemäßen TTL-Logik ange-

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schlossen, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Diese Schaltung enthält einen Eingangs-Koppeltransistor 70 mit einer Anzahl von Emitteranschltissen 72, 74, 76 und 78. Die Basis-Kollektor-Strekke ist durch eine die Sättigung verhindernde Schottky-Diode 80 überbrückt. An die Basis des Koppeltransistors 70 ist über einen Widerstand 81 und der Kollektor des Ausgangstransistors 82 über einen Lastwiderstand 83 mit einer Betriebsspannungsquelle Vl mit einer Spannung von etwa 2,6 Volt verbunden. Der Ausgangsanschluß 84 der TTL-Logik liegt am Kollektor des Ausgangstransistors 82. Der Emitter dieses Transistors ist mit einer Betriebsspannungsquelle V2 verbunden, die im betrachteten Ausführungsbeispiel eine Spannung von etwa 0,8 Volt aufweist. Die verbesserte und modifizierte TTL-Logik gemäß Fig. 3 in Verbindung mit der in Durchlaßrichtung betriebenen Diode 62 ersetzt also die Schaltungsanordnung, wie sie durch die Schaltungen gemäß Fig. 2 und 4 repräsentiert ist.

Aus Fig. 1 ist zu ersehen, wie eine in TTL-Logik erfindungsgemäß aufgebaute UND-Inverter-Schaltung (Fig. 3) in eine logische Gesamtschaltung eingebaut ist. Es handelt sich dabei um die UND-Inverter-Schaltungen 90, 92 usw. Die in Blockschaltung dargestellte, als externe Logik 94 bezeichnete Schaltung entspricht einer zum Stande der Technik gehörenden logischen Grundschaltung in TTL-Logik, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, die funktionell in die Gesamtschaltung eingebaut ist. Beide erfindungsgemäßen Schaltungen 90 und 92 und die konventionelle TTL-Logik 94 werden vorzugsweise mit der gestrichelt eingerahmten Betriebsspannungsquelle 96 betrieben. Diese Betriebsspannungsquelle hat dabei zwei Funktionen. Die Betriebsspannungsquelle 96 liefert die Betriebsspannungen Vl und V2 für die interne TTL-Logik 90 und 92 und für die externe Logik 94 und erhält die Diode 62 ständig im leitenden Zustand. Der Betriebsspannungsquelle wird an Anschluß 100 im betrachteten Ausführungsbeispiel eine positive Spannung von etwa 5,0 Volt zugeführt. Dabei ist der Anschluß 1OO einmal direkt mit der externen Logik 94 und dann über die Kollektor-Emitter-Strekke eines Transistors 104 mit der Leitung 106 und damit mit den erfindungsgemäßen TTL-Logikschaltungen 90, 92 usw. verbunden.

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Außerdem ist der Anschluß 1OO über einen Widerstand 102 an die Basis des Transistors 104 angeschlossen. Die am Emitter des Transistors 104 und damit an der Leitung 106 erzeugte reduzierte Spannung Vl beträgt im betrachteten Beispiel etwa 2,6 Volt. Der Basisanschluß 108 des Transistors 104 ist außerdem in Serienschaltung über eine Schottky-Diode 110, einen als Diode geschalteten Transistor 112, eine weitere Schottky-Diode 114 und einen weiteren als Diode 116 geschalteten Transistors mit einer Leitung 64 verbunden, an der die andere Betriebsspannung V2 von etwa 0,8 Volt erzeugt wird. Die effektive Betriebsspannung an den erfindungsgemäßen TTL-Logikschaltungen 66 und 69 beträgt also Vl-V2«l,8 Volt.

Wie bereits anhand der Schaltungen nach Fig. 2 und 4 erläutert, besteht eine wesentliche Funktion des Transistors 26 darin, einen Diodenspannungsabfall zu erzeugen, wenn mindestens einer der Eingangstransistoren 10 oder 12 sich im leitenden Zustand befindet. Im gesperrten Zustand dieser Transistoren ist Transistor 26 gesperrt und der Ausgangstransistor 14 leitend. Die Schottky-Diode 80 verhindert die Sättigung und die mit der inverten Stromverstärkung des Koppeltransistors 7O verbundenen Probleme. Die ständig leitende Diode 62 erzeugt den erwünschten Schwellwert an der erfindungsgemäßen TTL-Logik, so daß diese mit den bekannten Schaltungen verträglich ist.

Bei den bekannten Schaltungen in TTL-Logik wird eine einzelne Betriebsspannung von etwa 5 Volt verwendet, wodurch relativ hochohmige Lastwiderstände 81 und 82 (Fig. 3) von etwa 10 Kiloohm erforderlich sind. Diese hohen Widerstandswerte haben natürlich eine hohe Zeitkonstante zur Folge. Um die verbesserte und modifizierte TTL-Logik hinsichtlich der Geschwindigkeit mit den bekannten Schaltungen verträglich zu machen, muß dieses Problem beseitigt werden. Aus diesem Grund ist die erfindungsgemäße Betriebsspannungsquelle 96 erforderlich. Die von dieser Betriebsspannungsquelle gelieferte reduzierte Betriebsspannung gestattet eine Reduzierung der Lastwiderstände 81 und 83, so daß sie im

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betrachteten Ausführungsbeispiel nur noch Werte von etwa 3 Kiloohm aufweisen. Demzufolge werden die erfindungsgemäßen TTL-Logikschaltungen 90, 92 usw. nur mit einer Spannung Vl-V2 von etwa 1,8 Volt betrieben. Damit sind die Betriebsspannungen der erfindungsgemäßen TTL-Logik und der externen Logik aneinander angepaßt. Außerdem ist zu bemerken, daß infolge der Spannungsteilung zwischen Widerstand 102 und dem aus der Schottky-Diode 110, der Diode 112, der Schottky-Diode 114, der Diode 116 und der ständig leitenden Diode 62 bestehenden niederohmigen Serienwiderstand die Toleranzen der Gesamtspannungsschwankungen gegenüber einer Schaltung verbessert werden, bei der die Betriebsspannung direkt an die Leitung 106 angeschlossen wäre.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Transistor-Transistor-Logik mit einem Koppeltransistor, dessen Kollektor mit der Betriebsspannung verbunden ist und an dessen Emitter die binären Eingangssignale zugeführt werden, und mit einem Ausgangstransistor, dessen Kollektor ebenfalls mit der Betriebsspannung verbunden ist und dessen Basis an den Kollektor des Koppeltransistors angelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des Ausgangstransistors über eine Diodenstrecke an ein Bezugspotential und an eine von der Betriebsspannung abgeleitete Vorspannung angelegt ist, welche die Diodenstrecke ständig im leitenden Zustand hält.

Transistor-Transistor-Logik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Kollektor-Strecke des Koppeltransistors mit einer sättigungsverhindernden Diodenstrecke überbrückt ist.

Transistor-Transistor-Logik nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppeltransistor ein Multiemitter-Transistor ist und daß die Logik eine NAND-Funktion ausführt.

Transistor-Transistor-Logik nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung von einer an die Betriebsspannungsquelle angeschlossenen temperaturkompensierten Spannungsteilerschaltung abgenommen ist und daß die an die Kollektoren der beiden Transistoren angelegte Betriebsspannung ebenfalls von dieser Spannungsteilerschaltung abgeleitet ist.

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