DE2538462B2 - Bistabile Schaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine bistabile Schaltung mit einem ersten und einem zweiten Transistorsatz, wobei von jedem Satz die Emitter- und Kollektorelektroden miteinander verbunden sind, wobei erste gleichnamige miteinander verbundene Elektroden durch jeweils einen getrennten ersten Widerstand mit einer ersten Versorfungsklemme und zweite gleichnamige miteinander verbunden Elektroden durch einen für beide Sätze (emeinsat en zweiten Widerstand in einer Stromquelknsehällung mit einer zweiten Versorgungsklemme verbunden sind, wobei pro Satz jeweils mindestens eine Steuerelektrode mit den erwähnten ersten gleichnamigen miteinander verbundenen Elektroden des anderen Satzes kreuzweise gekoppelt ist, und wobei mindestens eine weitere Steuerelektrode jedes Satzes mit einem Ausgang einer additionellen kombinatorischen Logikschaltung verbunden ist Bistabile Schaltungen finden häufig Anwendung. Namentlich in ausgedehnten Schaltungen mit vielen Logikbausteinen taucht das Problem auf, daß durch Toleranzen in Schaltzeiten der Bausteine das logische Ergebnis einer Bearbeitung sti. -enden

ίο Einfluß von vorübergehenden, logisch ungerechtfertigten Zuständen erfahren kann, die unter dem Namen »hazards« (Fehlstellungen) oder »critical race conditions« bekannt sind. Iu bezug auf einen einzigen Baustein können sie an einem Ausgang vorübergehend oder auch bleibend auftreten, letzteres selbstverständlich nur in sequentiellen Logikschaltungen. Es wurde bekannt, daß durch bestimmte logische Zugaben an eine Schaltung derartige vorübergehende, ungerechtfertigte Zustände ohne Einfluß bleiben können. Derartige Zugaben können aus einer additionellen Gatterfunktion bestehen oder aus einer zusätzlichen logischen Rückkopplungsschleife. Namentlich in integrierten Schaltungen taucht jedoch dabei ein folgendes Problem auf, nämlich daß durch allerhand Defekte ein Teil der Funktion verloren gehen kann. Es zeigt sich sehr schwer, zu detektieren, ob die Freistellung gegen Effekte vorübergehender ungerechtfertigter Zustände noch besteht, weil dabei gerade diese ungerechtfertigten Zuständen selbst detektiert werden müßten.

Die Erfindung nimmt einen anderen Weg, was dadurch möglich ist, daß namentlich der erwähnte zweite Widerstand in eine Stromquellenschaltung sufgescnunen werden ist Esis StroisqueüenEchaltang ist eine Schaltung mit einem derart großen Ausgangswiderstand, daß der von der Schaltung gelieferte Strom fast vollständig von der Schaltung selbst und vom Ausgangswiderstand (und also nahezu nicht voii der Belastung) bestimmt wird. Namentlich sind hier die Werte der erwähnten ersten Widersiar.de klein in bezug auf den erwähnten zweiten Widerstand. Die Erfindung gibt eine Schaltung, bei der im bistabilen Teil keine zusätzlichen logischen Zugaben gegen die Effekte vorübergehender ungerechtfertigter logischer Zustände erforderlich sind, die in der erwähnten additionellen kombinatorischen Logikschaltung auftreten könnten. Die Erfindung schafft eine bistabile Schaltung mit einer Einbaumöglichkeit zum Durchführen einer Prüfung in Anwesenheit aller erforderlichen Verbindungen, darunter die redundante, in der additionellen kombinatori-

5i sehen Logikschaltung. Die Erfindung gibt eine bistabile Schaltung, aus der drei verschiedene Dauersignale abgegriffen werden können, von denen ein Signal ein Prüfsignal ist Die Erfindung gibt eine Schaltung mit zwei stabilen, selbst erhaltenden Logikzuständen, sowie mindestens einer dritten kombinatorischen Zwischenstellung, uabei treten die /,wisctiensteiiung bzw. das Prüfsignal ausschließlich auf, wenn in der kombinatorischen Logikschaltung ein Fehler vorhanden ist
Die Erfindung ist zur Erfüllung seiner Aufgabe dadurch gekennzeichnet, dao eine eingebaute Redundanz der erwähnten kombinatorischen Logikschaltung dadurch prüfbar ist, daß unter der Steuerung koexistenter Signale an den erwähnten weiteren Steuerelektroden beide Transistorsätze gemeinsam leitend gemacht werden können, wodurch die erwähnten ersten Widerstände mit einem in bezug auf den erwähnten zweiten Widerstand kleinen Widerstandswert, ungefähr gleiche Ströme führen, wodurch ein Ausgangssignal der

bistabilen Schaltung einen stationären Zwischenwert aufweist Auf diese Weise kann der erste bzw. der zweite Transistorsatz durch entsprechende Signale an ihren Steuerelektroden leitend gemacht werden, wodurch die erwähnten ersten Widerstände stromführend parallel geschaltet sind und an denselben Ausgängen eine Prüfspannung vorhanden ist, die zwischen den beiden Werten liegt, die angenommen werden, wenn nur einer der beiden Wiaerstände Strom führt Es ist vorteilhaft, wenn beide erste Widerstände gleiche Werte haben, wodurch die Prüfspannung in der Mitte zwischen 'Jen beiden haltenden Zuständen liegt und eine gute Diskriminierung erhalten wird. Dabei können die erwähnten koexistenten Signale aus5chlieSi_. dann auftreten, wenn die erwähnte eingebaute Redundanz durch einen Defekt unterbrechen is*.

Es ist vorteilhaft, wenn zwisc·«··;· den erwähnten getrennten ersten Widerständen ~.ν* den erwähnten miteinander verbundenen Ε'λ * roden vorhandene Ausgänge mit Steuerelektroden weiterer Transistoren verbunden sind, von denen jeweils eine erste weitere Elektrode durch einen getrennten Widerstand mit der ersten Speiseklemme und eine zweite weitere Elektrode durch einen für die weiteren Transistoren gemeinsamen Widerstand mit der zweiten Speiseklemme verbunden ist Dies ergibt eine vorteilhafte linear arbeitende Ausgangsschaltung für die bistabile Schaltung. Durch eine derartige Schaltung kann das Prüfsignal einem Ausgang zugeführt werden, auch wenn der Ausgang (die Ausgänge) der Schaltung mit Eingängen weiterer Logikschaltungen verbunden ist (sind). Auf diese Weise ist es gut möglich, zwischen den drei möglichen Stellungen zu diskriminieren.

Es ist vorteilhaft, wenn von dem erwähnten ersten und zweiten Transistorsatz jeweils eine weitere Steuerelektrode mit einer weiteren Eingangsklemme der Schaltung verbunden ist Dadurch vergrößert sich die Anzahl Verwendungsmöglichkeiten der Schaltung.

Es ist vorteilhaft, wenn eine einzige erste weitere Elektrode aer erwähnten weiteren Transistoren mit einer Ausgangsklemme der Schaltung verbunden ist Es reicht aus, nur einen einzigen Ausgang der integrierten Schaltung zu verwenden. Dies ist vorteilhaft im Zusammenhang mit dem allgemeinen Bestreben, die Anzahl dieser Ausgänge herabzusetzen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger Figuren näher erläutert Es zeigt

Fig. ι symbolisch ein weiter in der Beschreibung universal benutztes logisches Gatter,

Fig.2 ein Schema einer Schaltung, bei der die Zielsetzungen der Erfindung nicht verwirklicht sind,

F i g. 3 eine erfindungsgemäße Schaltung, bei der die gesonderten Transistoren angegeben sind und

Fig.4 die gleiche Schaltung, bei der eine symbolischere Kennzeichnung benutzt worden ist

h ι g. l giDt eine symbolische Kennzeichnung tar ein logisches Gatter mit UND/NICHT-UND-Funktion. Das Gatter hat zwei Eingänge 50,51 und zwei Ausgänge 52, 53. Wenn die Eingänge 50 und 51 ein logisches »!«-Signal führen, führt der Ausgang 52 auch ein logisches »!«-Signal (UND-Funktion). In allen anderen Fällen führt der Ausgang 53 ein logisches »1 «-Signal. Der Ausgang 53 führt ein in bezug auf den Ausgang 52 immer invertiertes Signal. Diese logische NICHT-UND-Funktion wird mit einem Querstrich angegeben. Eine Anzahl der Verbindungen 50 ... 53 kann ausgelassen werden. Wenn beispielsweise 51 und 53 ausgelassen werden, arbeitet die Schaltung wie ein Verstärker.

Werden 51 und 52 ausgelassen, wirkt die Schaltung wie eine Umkehrstufe.

F i g. 2 gibt eine Schaltung, bei der die erfindungsgemäßen Zielsetzungen nicht verwirklicht worden sind.

Die Schaltung enthält sechs logische Gatter 11,12,13, 14, 60, 61 nach Fig. 1, zwei Eingänge 17, 18, zwei Ausgänge 62,63 und weiter die Leitungen 21,22,23,24, 25. Am Ausgang 62 liegt das Signal Q, auf der Leitung 24 das Signal E und auf der Leitung 25 das Signal F. Die

ίο Klemme 63 führt also das Signal: E ■ Q. Die Klemme 62 führt also das Signal:

E- Q- F=EQ+F=Q.

Hierbei indiziert der Punkt eine logische UND-Funktion, das Pluszeichen die logische ODER-Funktion und der Horizontalstrich den invertierten Wert der Variabein. Die kombinatorische Schaltung, die aus den

/~Ln+*aw-n * i 1O 13 AA r,_nnU Cl ~ 1 t^,.«.U 1 * C- l_» l«

vAiivi u si, A^, ii/) i-T ltabil ι 1 g. I ÜCDlClll, 11O.L lUlgCUUC Funktion: an der Klemme 17 liegt das Eingangssignal A, an der Klemme 18 das Eingangssignal 8. Das Gatter 11 arbeitet wie ein Verstärker. An der Lotung 21 liegt also das Signal A Das Gatter 12 arbeitet wie ein Verstärker (Leitung 22) und wie eine Umkehrstufe (Leitung 23). Die Gatter 13 und 14 arbeiten wie logische NICHT-ÜND-Gatter. Die Leitung 22 führt somit das Signal B; auf der Leitung 23 ist also das Signal B vorhanden^ auf der Leitung 24 liegt also das Signal A ■ B=A + B. Auf der Leitung 25 liegt also das Signal A ■ B=A +B. Für die ganze Schaltung gilt somit:

Q=EQ+F~=(A~+B)Q+AB=A~Hq + A-B.

r\:<» u:.»u;t~ e„i~i*. :_i _: j. r-i_^ n:_

flop, bei dem der B-Eingang der Dateneingang ist Wenn das Signal A logisch 0 ist, ist der haltende Zustand verwirklicht Ist das Signal A logisch 1, reduziert sich die Gleichung nach:

In diesem Falle nimmt Q den invertierten Wert von B an. is ist klar, daß im letzten Fall einer der beiden Terme B redundant ist (überflüssig). In Fig.2 kommt dies darauf heraus, daß eine der Verbindungen des Gatters 12 zu den Gattern 13 und 14 überflüssig ist und also keinen Einfluß auf die statischen Erscheinungen ai-sübt Dies gilt nicht für die dynamischen Erscheinungen. Hs

sei angenommen, daß die Leitung 23 fortgelassen ist und die Leitung 22 führt ein logisches »1 «-Signal. Wenn sich nun das Signal an der Leitung 21 ändert, ändern sich die

so beiden Signale auf den Leitungen 24 und 25. Dadurch können beide Tenne im jetzt gehenden Ausdruck für Q-.

im entgegengesetzten Sinne ändern, so daß es in bestimmten Fällen /nögiich ist, daß der Ausgang 62 für kurze Zeit in ungerechtfertigtes logisches Signal abgibt Wenn beide Verbindungen 22 und 23 vorhanden sind, tritt diese Erscheinung jedoch nicht auf.

Auf folgende \veise kann die Schaltung auf das Vorbandensein redundanter Verbindungen geprüft werden: das Signal A sowie das Signal B können logisch 1 gemacht werden. Ist die Leitung 23 unterbrochen, sind jetzt beide Signale £und Fgleich NuIL Dadurch liegt an beiden Ausgängen 62 und 63 eine logische 1: dies bedeutet einen Fehler. Die Anwesenheit dar Leitung 22.

wird dadurch geprüft daß das Signal A logisch 1 und das Signal B logisch 0 gemacht wird. Auch dabei gibt eine Unterbrechung gleiche logische Signale an den

Ausgängen 62 und 63, Wenn es nur einen Ausgang gibt, kann die bistabile Schaltung nicht geprüft werden» Die Notwendigkeit zweier Ausgänge ist sehr beschwerlich: es ist ein bekanntes Bestreben, die Anzahl der Verbindungen zu minimalisiereit

F ί g. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung. Neben einer rait Fig.2 identischen kombinatorischen Logik' schaltung gibt es zwei weitere Eingangsklemmen 19 und 20, acht Transistoiien 32> 33 j 34/35^36,37,44,45, sechs Widerstände 33,33,40142,43,4£ eine Ausgängstfemtne 31 und Speasklemsnen ;1.47 und 48. Weiter sind

Bk 5peissL -<«iiff4s ist a^a eine &sKuwungiq»ie3i£ von 0 Volt angeschlossen, und die SpeiseSdemmen 47 und 48 an eine Spannungsquelle von — 2 Volt Die Transistoren 32,33 und 34. sowie 35,36 und 37 bilden jeweils einen Satz, von denea je Satz die Emitter- und die Koltektoretektroden miteinander verbunden sind Die Basiselektroden der Transistoren 34 und 35 sind kreuzweise ms: den verbundf-nen Kollektorelektroden des anderen Transistorsatzes verbunden. Es se) angenommen, daß die ^Traiirsioreij 32» 33, 36 und 37 gesperrt sind und ^r Transistor 34 leitet ist. Dadurch führt die Ldöu*. 2g ün verbSltatsniäSig nkdriges Potential, ebenso ·* -3 dk iiasis^ieklrodc des Tranasiors 35. Dadurch epe«¹ 5er Transistor 35 und die Leitung 29 führt ein verhäte-ίτί^β·- hofas Γοΐ,,,ιΐηΰ. toeaso wie die Basiseieküeie £es Transistors 34 Di« entspricht dem leitenden Zbv»jd dta Traasisiors 34. Wenn durch ein hohes Signal *' der Basiselektrode des Transistors 32 oder 33 dieser vc^übergehend fdiead wird hai dies für die Schaltung »"sse bltsöeiädsn Folgen. Wenn durch ein hohes Signal as '-■ Basiselektrode der Transistor 36 oder 37 vorSforge«--«⁷::! Iei-.2t "sird di? Badsdsktrode des Transistors 34 ^ sdrig, und wird er gesperrt Dadurch tämm* d!~ Sssisetektrede des Transistors 35 ein verhältnismäßig I^- jhes Potential an, wodurch er in den leitenden Zustand übergeht Dieser geänderte Zustand hält sich aufrecht, wenn durch Beendung des hohen Signals an ihren Basen die Transistoren 36 und 37 wiederum beide gesperrt sind Auf diese Weise sind zwei stabile Zustände definiert

Die Widerstände 40 und 39 haben beispielsweise gleiche Werte an Ber£-ti zwbchec 30 taid 300 Qhs. Der Wert des Wkfersfc«u?es 3? ist ζ R das Sechsfache. Wenn einer der Transistoren 34 osd 35 leitet und die Widerstände haben die Werte 100 bzw. 6000hm, beträgt der Strom ungefähr 1,72 rnA, unter Berücksichtigung eines Spannungsabfalls von ungefähr OJS Volt am Basis-Emitter-EIektrodenübergang des leitenden Transistors. Leitet der Transistor 34, beträgt das Potential der Leitung 29 ungefähr C₁ Vo!*. Leitet «fcr Transistor 35, istdasPDtsntizlderLeitung2Ssingefähr -172mV.

Die kombinatorische Scnaknng {Gaiter if ... ί4) wurde bereits oben beschriefesn. Wie bekannt geben bekannte kombinatorische Schaltungen mit eingebauter Redundanz keine ungerechtfertigten kurzen Logiksigna!e ab. Das Umgekehrte ist keine Regei weil üblicherweise diese Redund^az keinen merklichen Einfluß auf das Ausgangssigisä? ausübt: die Fehlsielluogen werden erst bemerkbar, ssan bestimmte Toleranzen überschritten werdea. D»es kernt ?. B. gassierw! bsi einem sehr bestimmten TeDJpSTa¹SrIjCrEiCiI odet im bei einer gewissen Stoning der vcrgeschrkbeBea Impulsform. Auch andere Ursachen können wirksam sein, gegebenenfalls sogar durch einen spezifischen Informationszostand benachbarter logischer Bausteine in Verbindung nrit einer oder mehreren der obenerwähnten Ursachen. Wenn die Toleranzen nicht überschritten werden, treten die Fehlstellungen nicht auf, sogar nicht, wenn die Redundanz gestört ist Letzteres kann durch eine unterbrochene Verbindung verursacht sein oder, bei einer integrierten Schaltung, durch einen der vielen Hmtellungsfehler, die darin auftreten, Der Zusammenbau der kombinatorischen Logikschaltung, die aus den Galtern 11... 14 und!der bistabilen Schaltung besteht, die aus den Transistoren 32 ... 37 besteht, mächt die kombinatorische Schaltung auf das Vorhandensein der redundanten Verbs?<!ung zwischen den Gssttsra YZ at. J ii,'"4 i-r?£jtx f it *-:**· *<* S-iidtur^ ce 'i Ί totr^c w^e die nach F ι g. 2 die Fw&tj^.; -ines einfachen Datenflipflops (D-latch). Bekannte Datenflipflops haben nur zwei

Is stabile Zustände ErfindungsgemäS ist durch den Zusammenbau einer redundanten kombinatorischen und einer bistabilen Schaltung die Redundanz der Erstgenannten prüfbar. Dies geschieht dadurch, daß bei der Unterbrechung der Redundanz eine stationäre Zwischenstellung erzeugbar ist bei der beide Transistoren 33 und 36 unter der Steuerung einer logischen »0« an den Ausgingen der Gatter 13 und 14 gesättigt werden. Dieser ieiteade Zusta--vj zmstthi. wenn das Signa! A logisch \ ist 'J?iri f-te V < indung des GaiU-iä £2 nach einem der Craiizr i? &*:· -i fährt ebenfalls eine logiscäi »I« (das andere «rd ^-?ieit»Ochen angenommen^ Beide Le:ii.ngen 7A up-i JS fähren dabei eine logische JH. was bei der hier benutzten negstivcn Logik einen höh?» Zr&uufjeg?* bedeutet Dad-jrcb

& treten beide Transistoren 33 und 36 in den leitenden Zustand, infolgedessen wetusr, äk Widerstände 39 und 40 stromführend parallel gesci,ni=i'„ Da"· Potential der Leitungen 28 und 29 wird bn?t ti^ ssu gleichbleibendem Strom durch den Widerstand .Ss snge'ähr -g^mV.

Diese Spannung läßt sich gui d^tekHwen.

Die Transistoren 44 und 4* beiden eine lineare Endftufe Die Emitterelektrode«« sind über einen gemeinsamen Widerstand von beispielsweise 300 Ohm mit einer Spannungsquelle von —2 V, die Kollektorelektroden über getrennte Widerstände 42 und 43 von beispielsweise 50 Ohm mit der Speiseklemme 41 verbunden. An der Ausgangsklemme 31 kann außer den zwei stabilen Spannungszuständen zuch bei Abwesenheit einer redundanten Verbindung sine Zsnschenstelhmg abgenommen werden, wodurch ein Fehler detektierbar ist Nach Fig. 2 mfiSten immer zwei Messungen zum Detektieren der Unterbrechung ausgeführt werden. Die Zwischenstelhnig ist auch an der Klemme 31 detektierbar, wenn sis außerdem mit den Eingängen weiterer Gatterschaltungen verbündet, ist wie z. & einer weiteren Gatterscnaltong nach F i g. 3. Die weiteren Emgangskleimnen 19 and 29 gehen noch eins Erweiterung an, wodurch die Schaltung nach F ä g. 3 auch als SR-F5püop brauchbar ist: eis h&hes Sigcal an der Klemme 19 bzw. 20 steuert den Transistor 37 bzw. 32 auf und macht damit den Transistor 35 bzw. 32 leitend

Fig.4 gibt eine mehr symboEschs KeniraeiciHiung der Fig-3. Die Lehmigen sind analog numeriert Die bistabile Schaltung (Transistoren 32 ... 37) ist als ein einziges Element mit vier äußeren Eingängen 19,25,20, 24 und zwei RückkoppIungsschJeHee 28 und 2S, die punktiert sind, dargestellt Letzte*-? cüispreciien aiso den kreuzweise gekoppelten Leitungen zu den Steuerelektroden der Transistoren 34 und 35 in Fig.3. Die Endstufe nach Fig.3 (Transistoren 44 nnd 45) ist jetzt als ein einziges rautenförmiges Element f 6 mit einem einzigen Ausgang dargestellt

Selbstverständlich beschränkt sich der Erfindungsgedanke weder auf die dargestellte kombinatorische Schaltung, noch auf die gegebenen Widerstandswerte. Durch die Erfindung wird jedoch Redundanz dadurch prOfbar. daß eine kombinatorische und eine sequentielle Schaltung auf spezifische Weise zusammengefügt worden sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Bistabile Schaltung mit einem ersten und einem zweiten Transistorsatz, wobei von jedem Satz die Emitter- und Kollektorelektroden miteinander verbunden sind, wobei erste gleichnamige miteinan verbundene Elektroden jeweils durdi einen getrennten ersten Widerstand mit einer ersten Speiseklemme und zweite gleichnamige miteinander verbundene Elektroden durch einen für beide Sätze gemeinsamen zweiten Widerstand in einer Stromquellenschaltung mit einer zweiten Speiseklemme verbunden sind, wobei pro Satz jeweib mindestens eine Steuerelektrode mit den ersten erwähnten gleichnamigen miteinander verbundenen Elektroden des anderen Satzes kreuzweise gekoppelt ist, und wobei mindestens eine weitere Steuerelektrode jedes Satzes mit dem Ausgang einer additioneilen kombinator^chen Logikschaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine eingebaute Redundanz der erwähnten kombinatorischen Logikschaltung dadurch prüfbar ist, daß unter der Steuerung koexistenter Signale an den erwähnten weiteren Steuerelektroden beide Transistorsätze gemeinsam leitend gemacht werden können, wodurch die erwähnten ersten Wsderstände mit einem in bezug auf den erwähnten zweiten Widerstand kleinen Widerstandswert ungefähr gleiche Ströme führen, wodurch ein Ausgangssignal der bistabilen Schaltung eiir.-n stationären Zwischenwert aufweist

2. Bistabile Schaltung nach Anspruch 1, dadurch

iCrarc!, uSu Ζϊπγϊ5Ο-«Π uCIs

getrennten ersten Widerständen and den erwähnten miteinander verbundenen Elektroden angeordnete Ausgänge mit Steuerelektroden weiterer Transistoren verbunden sind, von denen jeweils eine erste weitere Elektrode durch einen getrennten Widerstand mit der ersten Speiseklemme und eine zweite weitere Elektrode durch einen für die weiteren Transistoren gemeinsamen Widerstand mit der zweiten Speiseklemme verbunden ist

3. Bistabile Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine weitere Steuerelektrode des erwähnten ersten und zweiten Transistorsatzes mit einer weiteren Eingangsklemme der Schaltung verbunden ist

4. Integrierte Schaltung mit einer Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige erste weitere Elektrode der erwähnten weiteren Transistoren mit einer Ausgangskiemme der Schaltung veibunden ist