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Basisgekoppelte Logikschaltungen Die Erfindung bezieht sich auf Logikschaltungen
mit einem, zwei Verstärkerstufen mit jeweils einem Transistor enthaltenden 1>ifferenzverstärker.
Derartige Schaltungsanordnungen sind aus der Zeitschrift "Der Fernmeldeingenieur"
vom 15. 7.
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1973, insbesondere ab Seite 5 bekannt. Dort wird die emittergekoppelte
Logik (EOL) beschrieben, deren Grundschaltung ein Differenzverstärker aus zwei Verstärkerstufen
ist, die jeweils einen Transistor in Emitterschaltung enthalten. Ein eingepräg ter
Emitterstrom wird dort in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung entweder über
die eine oder über die andere Verstärkerstufe geleitet.
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Weiterentwicklungen dieser EOt-S chal tungen im Hinblick auf höhere
Taktfrequenzen, also niedrigere Signalverzögerungszeiten, sind auf Seite 13 dieser
Veröffentlichung vorgestellt.
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Es zeigt sich dabei, daß mit der verarbeitbaren Taktfrequenz auch
die Beistungsaufnahme ansteigt und dadurch die Packungsdichte dieser Schaltungen
begrenzt, Logikschaltungen für sehr kleine Signalverzögerungszeiten, die beispielsweise
im Subnanosektundenbereich liegen, müssen aber eine hohe Packungsdichte zulassen,
damit die zusätzliche Siglalverzögerang in den Verbindungsleitungen gering bleibt.
Diese einander entgegenwirkenden Mechanismen se-tzen dem Einsatz von EOL-Schaltungen
Grenzen, die z0Zt0 bei Signalverzögerungszeiten von etwa ins liegen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Logikschaltungen mit geringer
Schaltverzögerung und geringer Verlustleistung zu entwickeln, die Schaltverzögerungszeiten
in Subnanosekundenbereich aufweisen
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe
dadurch gelöst, daß die Basisanschlüsse der beiden Transistoren miteinander und
über einen Widerstand mit Masse verbunden sind, daß der Emitteranschluß des Transistors
der ersten Verstärkerstufe unmittelbar an den Signaleingang und über einen Widerstand
an die erste Betriebsspannung und der Emitteranschluß des Transistors der zweiten
Verstärkerstufe unmittelbar an eine zweite Betriebsspannung angeschlossen sind,
daß die zweite Betriebsspannung so gewählt ist, daß bei fehlendem Eingangssignal
der zweite Transistor gesperrt ist und daß der Signalausgang mit dem Kollektoranschluß
eines der beiden Transistoren verbunden ist.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß ein als Stromschalter
betriebener Transistor besonders schnell umschaltet, wenn für einen schnellen Auf-
bzw0 Abbau der Basisladung in dem betreffenden Transistor gesorgt wird.
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Dieses Problem wird durch die Erfindung auf besonders glückliche Weise
gelöst, da durch die Verbindung der Basisanschlüsse der beiden Transistoren der
eine Transistor vom anderen die Basisladung übernehmen kann und dadurch sowohl ein
schneller Abbau der Basisladung des ersten Transistors als auch ein schneller Aufbau
der Basisladung des zweiten Transistors erreicht wird.
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Bei der basisgekoppelten Logikschaltung (3cm) nach der Erfindung befindet
sich jeweils nur eine temperaturabhängige Emitter-Basis-Spannung in Serie zur Speise
spannung. Dies ist ein erheblicher Vorteil gegenüber emittergekoppelten Sck;altungen
mit Emitterfolger, bei denen bei der Zusammenschaltung des Ausgangs des einen Bausteins
mit dem Eingang eines nächsten 2 temperaturabhängige Emitter-Basis-Spannungen in
Serie zur Betriebsspannung angeordnet sind. In den erfindungsgemäßen BCL-Schaltungen
beträgt daher die Kollektorstromerhöhung
bei Temperaturerhöhung
nur die Hälfte derjenigen von ECL-Schaltungen, falls bei gleicher Betriebsspannung
in beiden Fällen ein Widerstand zur Stromeinprägung verwendet wird und die jeweils
benötigte Referenzspannung durch einen Spannungsteiler mit nachgeschaltetem Emitterfolger
erzeugt wird. Aus diesem Grunde kann die Speisespannung und damit die Leistungsaufnahme
bei gleicher Temperaturstabilität der Kollektorströme in basisgekoppelten Logikschaltungen
auf die Hälfte reduziert werden.
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Die erfindungsgemäße basisgekoppelte Logikschaltung wirkt bei Einspeisung
des Signals am Signaleingang E und Abnahme am zweiten Signalausgang A als Inverterschaltung.
Sie dient weiterhin als Grundschaltung für eine Reihe logischer Verkntipfungsglieder
vom Typ OR, NOR, AND, NAND und Exklusiv-OR.
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Die Vorteile aller dieser basisgekoppelten Logikschaltungen liegen
darin, daß neben der beabsichtigten Verringerung der Schaltverzögerung durch eine
kleinere Eingangskapazität die Leistungsaufnahme bei gleichem Signalhub halbiert
ist, da nur die halbe Speisespannung benötigt wird und die UND-, ODER- und NICHT-Verknüpfung
gleichzeitig auf einfache Weise realisiert werden kann. Die Verminderung der Eingangskapazität
ergibt sich dadurch, daß im Gegensatz zu ECL-Logikschaltungen bei diesen, im folgenden
als BCL-Verknüpfungsgliedern bezeichneten basisgekoppelten Logikschaltungen nach
der Erfindung die Eingangskapazität nicht durch den Miller-Effekt vergrößert wird.
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Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur
Realisierung einer OR- bzw NOR-Verknüpfung der Emitteranschluß des Transistors der
ersten Verstärkerstufe mit den Emitteranschlüssen eines ersten und eines zweiten
Emitterfolgers verbunden ist, daß ein erster Signaleingang mit dem Basisanschluß
des ersten Emitterfolgers und ein
zweiter Signaleingang mit dem
Basisanschluß des zweiten Emitterfolgers verbunden ist und daß der Signalausgang
an den Kollektoranschluß des Transistors der ersten bzw.
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zweiten Verstärkerstufe angeschlossen ist.
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Weiter günstige Ausgestaltungen der Erfindung basieren darauf, daß
als Transistor in der ersten Verstärkerstufe ein Multiemittertransistor mit wenigstens
zwei getrennt herausgeführten Emitteranschlüssen vorgesehen ist und jeder Emitteranschluß
getrennt über je einen Widerstand mit der ersten Betriebsspannung verbunden isto
Eine Weiterbildung der Erfindung zur Realisierung einer AND- bzw0 N£iD-Verknüpfung
ergibt sich dadurch, daß jeder der Emitteranschlüsse des Multiemittertransistors
getrennt mit jeweils einem Emitteranschluß eines Emitterfolgers verbunden ist, daß
der Basisanschluß des ersten Emitterfolgers mit dem ersten Signaleingang und der
Basisanschluß des zweiten Emitterfolgers mit dem zweiten Signaleingang verbunden
ist und das der Signalausgang mit dem Kollektoranschluß des Transistors der ersten
bzw0 zweiten Verstärkerstufe verbunden ist. Die Kollektoranschlüsse sämtlicher,
in den beschriebenen Verknüpfungsgliedern enthaltener Emitterfolger sind direkt
mit Masse verbunden.
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Eine zusätzliche günstige Ausgestaltung der mit einem Multiemittertransistor
versehenen basisgekoppelten Logikschaltung dient zur Realisierung einer OR-AND-NOT-Verknüpfung
mit mindestens vier SignaleingängenO Sie ergibt sich dadurch, daß mindestens vier
Emitterfolger vorgesehen sind, deren Emitteranschlüsse paarweise miteinander und
bei der jedes Anschlußpaar mit jeweils einem Emitteranschluß des Multiemittertransistors
der ersten Verstärkerstufe verbunden ist und der Signalausgang wahlweise mit dem
Kollektoranschluß des Transistors der ersten oder zweiten Verstärkerstufe verbunden
ist.
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Ein spezieller und in der Praxis sehr wichtiger Anvrendungsfall des
OR-AND-NOT-Verknüpfungsgliedes ist die Exclusiv-OR-Verknüpfung, die mit der gleichen
Schaltung realisiert wird.
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Dazu werden an die Basisanschlüsse der als Emitterfolger geschalteten
Transistoren die zwei zu verknüpfenden Eingangssignale und ihre Komplemente in der
Weise angeschlossen, daß der eine Basisanschluß des ersten Emitterfölgerpaares das
erste Eingangs signal und der andere Basisanschluß dieses Emitterfolgerpaares das
Komplement des zweiten Eingangssignals erhält. In entsprechender Weise erhält das
zweite Emitterfolgerpaar das zweite Eingangs signal und das Komplement des ersten
Eingangssignals. Das Ausgangssignal ist in diesem Fall am Kollektorschluß der zweiten
Verstärkerstufe abnehmbar.
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Eine vorteilhafte Erhöhung der Störsicherheit ergibt sich dadurch,
daß die Verbindungen zwischen den einzelnen BCL-Logikschaltungen ohne Verwendung
einer zusätzlichen Hilfsspannung durch direkten Anschluß reflexionsarm abgeschlossener
Leitungen an die entsprechenden Kollektoranschlüsse möglich ist.
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Die Erfindung wird im fölgenden anhand der Zeichnungen näher erläuterte
Dabei zeigt Pig. 1 die Grundschaltung der Familie der basisgekoppelten Logikschaltungen,
die als Inverter einsetzbar sind; Xig. 2 ein erfindungsgemäßes OR/NOR-Verknüpfungsglied;
Fig. 3 ein erfindungsgemäßes AND»JAND-Verknüpfungsglied und Sigo 4 ein erfindungsgemäßes
Exclusiv/OR-Verknüpfungsglied.
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In der Figur 1 ist ein aus zwei Transistorstufen bestehender -Differenzverstärker
gezeigt, der aus den beiden npn-Transistoren
T1, T2, den Kollektorwiderständen
R1, R2 für die beiden Transistoren, dem Widerstand RO zur Zuführung des Basisstroms
und dem Emitterxlriderstand R3 besteht und der über diesen Emitterwiderstand an
eine erste Betriebsspannung -UB1 angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors
T2 der zweiten Verstärkerstufe ist an eine Vergleichs spannung angeschlossen, die
als zweite Betriebsspannung -UB2 aus der ersten Betriebsspannung -UB1 abgeleitet
wird. Die Signalzuführung erfolgt am Signaleingang E, der mit dem Emitter des Transistors
Tl der ersten Verstärkerstufe verbunden ist. Der Kollektoranschluß dieses Transistors
stellt den Signalausgang A für das gleichphasige Ausgangssignal dar, während der
Kollektoranschluß des Transistors T2 der zweiten Verstärkerstufe den Signalausgang
A für das zum Eingangssignal inverse Ausgangssignal darstellt. Als Transistoren
wurden im vorliegenden Falle solche des Typs BFR 35 gewählt, die zusammen mit den
in Dünnschichttechnik ausgeführten Widerständen auf Platten aus Epoxydharz-Glasfaser
angeordnet sind. Die Widerstände R1, R2, R3 besitzen einen Widerstandswert von 100
Ohm, während der Widerstand RO einen Wert von 3,3 K Ohm aufweist.
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Die erste Betriebsspannung -UB1 wurde zu -2, 3 Volt gewählt, während
die als Referenz spannung dienende zweite Betriebsspannung bei -1,25 V lag. Die
LeistungsauSnahme der Schaltung im Inverterbetrieb lag bei 28 mW bei einem Tastverhältnis
von 1:1 und einem Signalhub von 0,8 V.
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Zur Erklärung der Wirkungsweise der Schaltung nach der Fig. 1 sei
dem Signaleingang E ein aus Rechteckimpulsen bestehender Puls zugeführt. In den
Pausen zwischen den einzelnen Impulsen, also bei einem Eingangsstrom i = 0, leitet
der Transistor T1 und der Transistor T2 ist entsprechend der Höhe der Referenzspannung
UB2 gesperrt. Beim Eintreffen eines Rechteckimpulses, also bei steigendem Eingangsstrom
in steigt die über den Widerstand R3 liegende Spannung an. Damit steigt auch die
Spannung
am Emitter und an der Basis des Transistors Ti und durch
die Verbindung der beiden Basen auch die Spannung an der Basis des Transistors T2.
Sobald die Basis-Emitterspannung des Transistors T2 über den Schwellenspannungswert
von etwa 0,7 V ansteigt, übernimmt der Transistor T2 einen merklichen Teil des über
den Widerstand RO zugeführten Basistroms IO und beginnt zu leiten. Mit dem Ansteigen
des Kollektorstroms des Transistors T2 fällt der Kollektorstrom des Transistors
T1.
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Bei einem weiteren Ansteigen des Eingangsstroms i sperrt schließlich
der Transistor T1 und der Basisstrom IO fließt ausschließlich in die Basis des Transistors
T2. Durch den Widerstand RO ist der Basisstrom IO auf einen Wert begrenzt, der keinen
der beiden Transistoren T1, T2 bis an den Sättigungsbereich durchsteuern kann. Dadurch
ist die Basisladung des jeweils leitenden Transistors auf einen für das schnelle
Umschalten der beiden Transistoren nich-t hinderlichen Wert begrenzt.
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Die Schaltung nach der Figur 1 kann dadurch weitergebildet werden,
daß der die Verbindung zwischen den beiden Basisanschlüssen und Masse bildende Widerstand
RO durch einen Transistor ersetzt ist. Dieser Transistor kann in günstiger Weise
als lateraler pnp-Multikollektortransistor ausgeführt werden, der die Basisstromzuführung
für mehrere Gatter übernimmt.
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Das in der Figur 2 dargestellte OR/NOX-Verknüpfungsglied enthält neben
der in der Figur 1 geschilderten MCL-Grundschaltung zwei vorgeschaltete Emitterfolger.
Die BCL-Grundschaltung ist entsprechend der in der Figur 1 geschilderten Schaltung
aufgebaut. Sie enthält die beiden Transistoren T3 und T4, die beiden Kollektorwiderstände
R4 und R6, den Basiswiderstand R5 und den Emitterwiderstand R7. Die Transistortypen,
die Widerstandswerte, die Werte der Betriebsspannungen und die Wahl der Anschlüsse
entsprechen denen die in der Figur 1 geschilderten
Schaltung. An
den Signaleingang E der Grundschaltung sind die Emitter der beiden als Emitterfolger
geschalteten Transistoren T5 und T6 angeschlossen. Während die Kollektoren dieser
beiden Transistoren mit Masse verbunden sind, bildet die Basis des ersten Emitterfolgers
T5 den ersten Signaleingang El und der Basisanschluß des zweiten Emitterfolgers
T6 den zweiten Signaleingang E2. Die beiden Transistoren T5 und T6 sind ebenfalls
HF-Transistoren vom Typ BFR -35. Der Aufbau dieses Verknüpfungsgliedes erfolgte
ebenfalls auf Epoxydharz-Glasfaserplatten, wobei die Widerstände als Dünnschichtwiderstände
ausgeführt wurden.
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Vom Signalausgang A, der mit dem Kollektoranschluß des Transistors
T3 verbunden ist, können Ausgangssignale entsprechend einer OR-Verknüpfung abgenommen
werden, während vom Signalausgang A, der mit dem Kollektor des Transistors T4 verbunden
ist, Ausgangssignale entsprechend einer NOR-Verknüpfung entnommen werden können.
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Das in der Figur 3 dargestellte M{D/NAND-Verknüpfungsglied basiert
ebenfalls auf der SCL-Grundschaltung nach der Figur 1. Der npn-Transistor Tl nach
der in Figur 1 gezeigten Grundschaltung ist im vorliegenden Falle durch einen npn-Multiemitter-Transistor
T7 ersetzt, während die Kollektorwiderstände R8 und R10, der Basiswiderstand R9,
die Emitterwiderstände Ril und R12, der Transistor T8 und die Betriebsspannungen
-UB1, -UB2 denen der Schaltung der Figur 1 entsprechen.
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Mit den Emitteranschlüssen ei, e2 des Multiemittertransistors T7 ist
jeweils ein aus einem npn-Transistor Teil, T12 aufgebauter Emitterfolger angeschlossen.
Der Basisanschluß des Transistors T11 stellt dabei gleichzeitig den Signaleingang
El und der Basisanschluß des Transsistors T12 den Signaleingang E2 dar. Die Ausgangssignale
können an den Kollektoranschlüssen k8, k9 der Transistoren T7 bzw. T8 entnommen
werden,
wobei sich bei der Signalabnahme am Kollektoranschluß k8
eine AND-Verknüpfung und bei der Signalentnahme am Kollektoranschluß k9 eine NAND-Verknüpfung
ergibt.
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Die entsprechenden Verknüpfungen ergeben sich auch beim Weglassen
der Emitterfolger T11, T12 und Einspeisung der Eingangssignale direkt an den Emitteranschlüssen
e1, e2 des Multiemittertransistors T7. Durch den Emi-tterfolger am Eingang des Verknüpfungsgliedes
ergeben sich aber vorteilhaft hochohmige Signaleingänge, die den Anschluß mehrerer
Eingänge nachfolgender Verknüpfungsglieder an einen Ausgang ermöglichen.
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Besonders im Subnanosekundenbereich sind hochohmige Signaleingänge
der Verknüpfungsglieder im Hinblick auf die Anwendung reflexionsarm abgeschlossener
leitungen sehr wichtig.
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Bei dem in der Figur 3 dargestellten AND/NAND-Verknüpfungs glied wurden
zwischen die Kollektoranschlüsse k8, k9 und die eigentlichen Signalausgänge zusätzlich
die Transistoren T9 und T10 als Emitterfolger geschaltet0 Dadurch ergibt SiCil auf
einfacher Weise die zusätzliche Möglichkeit einer "wired OR"-Yerknüpfung mehrerer
der dargestellten AND-NAND-Verknüpflulgsglieder bei Einsparung eines OR-Verknüpfungsgliedes.
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Im vorliegenden Palle wurdenaußerdem die beiden Emitterfolger aus
Multiemittertransistoren T9, TlO aufgebaut, um bei Anwendung der "wired-OR'1-Verknüpfung
zusätzliche Anschlußmöglichkeiten zu besitzen. An den Signalausgängen Al und A2,
die mit den Emitteranschlüssen des Multiemittertransistors T9 verbunden sind, können
Ausgangs signale entsprechend einer AND-Verknüpfung entnommen werden, während an
den Signalausgängen A1 und A2, die mit den Emitteranschlüssen des Multiemittertransistors
T10 verbunden sind, Ausgangssignale entsprechend einer NAND-Verknüpfung entnommen
werden können.
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Das in der Figur 4 dargestellte Exclusiv-OR-Verknüpfungsglied
ist
in der oben geschilderten Weise aus dem OR-AND-NOT-Verknüpfungsglied abgeleitet.
Bei den bisher bekannten Logikfamilien wird ein Exclusiv-OR-Verknüpfungsglied durch
Zus ammenschaltung mehrerer Grundschaltungen oder durch eine umfangreiche integrierte
Schaltung realisiert. Das erfindungsgemäße Exclusiv-OR-Verknüpfungsglied enthält
demgegenüber neben der BCL-Grundschaltung mit einem üblichen npn-Transistor T14
4 und einem npn-Multiemittertransistor T13 sowie den entsprechenden KollektorJEmitter-
und Basiswiderständen lediglich zwei Emitterfolgerpaare mit je zwei Emitterfolgern.
Die npn-Transistoren T15, T16 bilden das erste Emitterfolgerpaar, dessen Emitter
miteinander und mit einem Emitteranschluß des Multiemittertransistors T13 verbunden
sind. Die npn-Transistoren T17, T18 bilden das zweite Emitterfolgerpaar, dessen
Emitteranschlüsse miteinander und mit einem weiteren Emitteranschluß des Multiemittertransistors
T13 verbunden sind. Die Basisanschlüsse der vier Emitterfolger T15...T18 bilden
die Signaleingänge E1...E4 für die zu verknüpfenden zwei Eingangssignale und ihre
Komplemente.
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Entsprechend der MCL-Grundschaltung sind die Emitteranschlüsse des
Transistors T13 über die beiden, einen Widerstandswert von je 100 Ohm auSweisenden
Widerstände R14, R15 mit dem Anschluß.
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für die erste Betriebsspannung -UB1 verbunden. Analog ist auch die
Verbindung der beiden Basisanschlüsse der Transistoren T1 D, T14 miteinander und
über den Widerstand R13 mit einem Widerstandswert von 1,8 k Ohm mit Masse und die
Verbindung des Emitteranschlusses des Transistors T14 mit der zweiten Betriebsspannung
-UB2.
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Als Kollektorwiderstände für die beiden Transistoren T13, T14 sind
im Hinblicksauf die Anwendung der Schaltung bei sehr hohen Frequenzen bzw. bei Solialt-und
Verzögerungszeiten der übertragenen Impulse im Subnanosekundenbereich angepaßte
Leitungen i;1, L2 vorgesehen. Der Eingang der Leitung X1 ist
mit
dem Kollektoranschluß k13 des Multiemittertransistors T13 verbunden. Der Ausgang
dieser Leitung ist mit dem Widerstand R16 mit einem Widerstandswert von 50 Ohm mit
Masse verbunden und dient gleichzeitig als erster Signalausgang Y des Exclusiv-OR-Verknüpfungsgliedes.
Die an den Kollektoranschluß k14 des Transistors T14 angeschlossene zweite Leitung
L2 ist an ihrem Ausgang mit dem Widerstand R 17 mit dem Widerstandswert von ebenfalls
50 Ohm mit Masse verbunden, gleichzeitig stellt dieser Ausgang den zweiten Signalausgang
Y des Exclusiv-OR-Verknüpfungsgliedes dar. Als Transistoren wurden in der Schaltung
nach der Figur 4 Mikrowellentransistoren des Typs BFR 35 A verwendet; der Multiemittertransistor
T13 bestandsdabei aus zwei parallelgeschalteten Transistoren dieses Typs. Bei einem
Signalhub von 0,8 V ergab sich eine Anstiegszeit für die Sprungantwort von 200 psO
Der Aufbau der Schaltung erfolgte in diskreter Technik auf einer Epoxydharz-Glasfaserplatte.
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Der Abschluß der Leitungen L1, L2 geschah im Hinblick auf das verwendete
Meßsystem mit Widerständen R16, R17 mit einem Wert von 50 Ohm. Ohne diese Beschränkung
kann der Widerstandswert bis zu etwa 100 Ohm erhöht werden und dadurch bei verringerter
Leistungsaufnahme eine höhere Kleinsignalverstärkung der Verknüpfungsglieder erreicht
werden.
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Die in der Figur 4 dargestellte Schaltung' enthält weiterhin eine
vorteilhafte Kombination aus dem npn-Transistor T19 und den Widerständen R18, R19
und R20 zur Erzeugung der als Referenzspannung dienenden zweiten Betriebsspannung
-UB20 Es handelt sich um einen an die erste Betriebsspannung angeschiossenen Spannungsteiler
mit einem nachgeschalteten Emitterfolger. Neben der Einsparung einer Betriebsspannungsquelle
ergibt sich eine geringe Temperaturabhängigkeit der Referenz spannung und dadurch
eine Kompensation der im gleichen
Maße temperaturabhängigen Emitter-Basis-Spannung
des angeschlossenen Verstärkertransistors. Diese Art der Erzeugung der Referenzspannung
kann auch in den vorher beschriebenen erfindungsgemäßen BCL-Verknüj>fungsgliedern
angewendet werden.
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Eine günstige Anwendung des erfindungsgemäßen Exclusiv-OR-Verknüpfungsgliedes
beruht auf der an sich bekannten Verwendung als Frequenzverdoppler zur Erzeugung
sehr kurzer Impulse mit sehr hoher Folgefrequenz. Zu diesem Zweck wird das Ausgangssignal
eines Pulsgenerators direkt und außerdem zusätzlich über ein Verzögerungsglied um
ein Viertel einer Periode verzögert an die beiden Eingänge eines erfindungsgemäßen
Exclusiv-OR-Verknüpfungsgliedes abgegeben. Am Ausgang dieses Verknüpfungsgliedes
entsteht dann ein Puls mit der doppelten Folgefrequenz des Singangspulses und mit
Impulsen der halben Impulsdauer.
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Ein praktischer Aufbau ergab Ausgangsimpulse mit einer Halbwertsdauer
von 400 ps und einer Folgefrequenz von 1 GHz.
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11 Patentansprüche 4 Figuren