DE2538910A1 - Integrierte schaltung - Google Patents
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Description
75-138 Φθ/Pr
PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, 2 Hamburg 1, Steindamm 94
Integrierte Schaltung
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Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung mit Transistoren,
deren Basen mit Strominjektoren und mit einem Kollektor eines oder mehrerer anderer Transistoren verbunden sind, wobei die
Schaltung in verschiedene Schaltungsteile aufgeteilt ist, die bezüglich der Versorgungsspannung in Reihe geschaltet sind und mehrere
Ebenen bilden, und wobei zum Übertragen eines Signals von einer ersten Ebene zu einer tiefer gelegenen zweiten Ebene der Kollektor
eines ersten, das Signal liefernden Transistors einen Hilfstransistor entgegengesetzter Leitfähigkeit ansteuert, dessen Kollektor
mit der Basis eines zweiten Transistors in der zweiten Ebene verbunden ist.
Eine derartige integrierte Schaltung ist aus der DT-OS 2 443 171 bekannt. Diese bekannte Schaltung hat jedoch den Nachteil, daß der
zweite Transistor in der 'zweiten, unteren Ebene durch den Hilfs-
- 2 - OaiÖiNÄL INSPECTED
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transistor zwar schnell eingeschaltet wird, daß jedoch beim
Ausschalten des Hilfs trans is tors mindestens die Basisladung des zweiten, das übertragene Signal empfangenden Transistors
nicht nach außen abfließen kann, so daß dieser Transistor nur langsam abschaltet und hohe Schaltgeschwindigkeiten zumindest
für die betreffende Signalflanke nicht zu realisieren sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine integrierte .Schaltung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die
Signalübertragung von einer Ebene in eine tiefer gelegene Ebene mit im wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit erfolgt.wie
die Verarbeitungsgeschwindigkeit der übrigen Transistoren. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch
angegebenen Merkmale gelöst. Es wird also außer dem zu übertragenden Signal auch das kompelementäre Signal in die tiefergelegene
Ebene übertragen, wodurch zwar ein geringer zusätzlicher Aufwand entsteht, der aber im Anbetracht der großen Anzahl von
Transistoren in jeder Schaltung und der bei günstiger Aufteilung der Schaltung geringen Anzahl notwendiger Verbindungen zwischen
den Schaltungsteilen praktisch vernachlässigbar ist. In vielen Fällen kann der Aufwand durch einfache Schaltungsmaßnahmen
unter Beibehaltung des Prinzips der komplementären Steuerung noch weiter verringert werden. Das komplementäre Signal wird in
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der tiefer gelegenen zweiten Ebene einem zusätzlichen, als Stromspiegel geschalteten Transistor zugeführt, von dem ein
Kollektor mit der Basis des anderen Transistors in dieser Ebene verbunden ist. Dadurch kann die Basisladung dieses
Transistors niederohmig abgeführt und der Transistor somit auch schnell gesperrt werden.
Die Ansteuerung der Hilfstransistoren kann dadurch erfolgen,
daß der Kollektor des steuernden Transistors mit dem Emitter des Hilfstransistors und außerdem mit einem Strominjektor verbunden
ist, wobei die Basis des Hilfstransistors mit dem Emitter des steuernden Transistors, d. h. mit einer Bezugsspannung
verbunden ist. Diese Anordnung ist besonders einfach und platzsparend integrierbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand
der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
Es zeigen:
Figur 1 die schematische Anordnung von mehreren Schaltungsteilen in mehreren Ebenen,
- 4 70981 1/0876
Figur 2 eine Anordnung zur Übertragung eines Signals zu einer tieferen Ebene,
Figur 3 eine Ansteuerungsmöglichkeit eines der Hilfstransistoren
In Figur 1 sind mehrere Schaltungsteile der integrierten Schaltung
in drei Ebenen bezüglich der Versorgungsspannung in Reihe geschaltet, wodurch bekanntlich eine höhere gegebene Versorgungsspannung
optimal, d. h. leistungssparend ausgenutzt werden kann. In der oberen Ebene, die hier direkt mit der Versorgungsspannung +V verbunden ist, sind drei Schaltungsteile parallel
geschaltet, die durch die Transistoren T11, T12 und T13 angedeutet
sind. Jeder Schaltungsteil enthält Strominjektoren, die wieder vereinfacht durch die Stromgeneratoren 111, 112 und 113 angedeutet
sind. Zu dieser Parallelschaltung sind in Reihe die Schaltungsteile geschaltet, die durch die Transistoren T14 und
T15 mit den zugehörigen Strominjektoren 114 und 115 angedeutet
sind. Bei dieser Anordnung fließt also der Strom, der durch die oberen, parallel geschalteten Schaltungsteile insgesamt fließt,
durch jeden der beiden unteren, dazu in Reihe geschalteten Schaltungsteilen. Da die Grenzfrequenz bzw. die Schaltgeschwindigkeit
der Transistoren abhängig von dem Injektionsstrom ist, arbeiten
die in der oberen Ebene parallel geschalteten Schaltungsteile langsamer als die unteren Schaltungsteile. Dies ist beispielsweise
bei Teilerschaltungen zweckmäßig, wo die ersten Stufen
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naturgemäß schneller schalten müssen als die jeweils darauf folgenden Stufen.
Bei einer Aufteilung der Schaltungsteile nach Figur 1 müssen allgemein zwischen den einzelnen Schaltungsteilen einige Signalverbindungen
"bestehen. Die Signalverbindungen zwischen
Schaltungsteilen in der gleichen Ebene bedeuten selbstverständlich keine Schwierigkeiten. Auch die Signalverbindungen von
einer tiefer gä. egenen Ebene zu einer höheren Ebene ist nicht problematisch, da die Kollektoren der Transistoren in einer
tieferen Ebene (beispielsweise der Kollektor des Transistors T15) direkt mit der Basis eines Transistors in einer höheren
Ebene (beispielsweise Transistor T13) verbunden werden können,
wenn dabei nicht die maximal zulässige Kollektorsperrspannung überschritten wird. Anderenfalls muß ein Transistor in einer
mittleren Ebene zwischengeschaltet werden, was jedoch die Schaltgeschwindigkeit ebenfalls nicht nennenswert herabsetzt.
Es können auch Kollektoren von Transistoren aus verschiedenen Ebenen mit der Basis eines Transistors in einer höheren Ebene
verbunden werden, um auf diese Weise gleichzeitig eine logische Verknüpfung zu erreichen.
Die Übertragung eines Signals von einer höheren Ebene zu einer tiefer gelegenen Ebene ist dagegen schwieriger, wie anhand
der Figur 2 erläutert werden soll. Darin erhält der Transistor T1 das zu übertragende Signal A. Die Basis dieses Transistors
ist mit einem Strominjektor 11 verbunden, und ein Kollektor
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dieses Transistors führt auf den Emitter des Hilfstransistors HT1, der außerdem mit einem weiteren Strominjektor 13 verbun-.
den ist. Der Hilfstransistor ist in dem dargestellten Beispiel
ein pnp-Transistor, der damit die entgegengesetzte Leitfähigkeit
wie der steuernde npn-Transistor T1 hat. Die Basis des
Hilfstransistors ist mit dem Emitter des steuernden Transistors, d. h. mit einer Bezugsspannung verbunden. Der zweite Kollektor
des steuernden Transistors T1 sowie die weiteren Tranistoren "in dieser Ebene sollen für die folgende Betrachtung zunächst
unberücksichtigt bleiben.
Der Kollektor des Hilfstransistors HT1 ist nun über die Leitung P mit der Basis eines Transistors T2 in einer tiefer gelegenen
Ebene verbunden. Diese Basis ist im Gegensatz zu den übrigen Transistoren in dieser Ebene nicht zusätzlich mit einem Strominjektor
verbunden. Wenn nun zuerst angenommen wird, daß das Signal A einen hohen Pegel hat, ist der Transistor T1 durch den
Strominjektor 11 eingeschaltet, und sein Kollektor übernimmt damit den Strom des Strominjektors 13. Dabei ist also der Hilfstransistor
HT1 gesperrt und somit auch der Transistor T2. Nimmt nun das Signal A einen tiefen Pegel an, wird der Transistor T1
gesperrt,und damit fließt der Strom des Strominjektors 13 durch
den Hilfstransistor HT1 zur Basis des Transistors T2 und schaltet diesen schnell ein, so daß an seinem Kollektor das Signal A mit
geringer Verzögerung erscheint. Wenn danach jedoch das Signal A wieder einen hohen Pegel annimmt, schaltet der Transistor T1 durch
den Strominjektor 11 zwar schnell ein und übernimmt den Strom des
Strominjektors 13, so daß der Strom in der Leitung P schnell verschwindet,
jedoch wird die Basisladung des Transistors T2 nicht
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niederohmig abgeführt, so daß auch dessen Kollektorstrom nur
langsam abnimmt und damit diese Planke des Signals A nur mit merklicher Verzögerung an seinem Kollektor abgibt, so daß die
gesamte Übertragungszeit für das Signal A auf die untere Ebene erheblich verlängert wird.
Diese Ubertragungszeit wird durch die in Figur 2 weiter dargestellten
Elemente erheblich verkürzt. Dabei ist ein weiterer Kollektor des steuernden Transistors T1 mit der Basis eines
Transistors T4 sowie mit einem Strominjektor 12 verbunden. Der Kollektor dieses Transistors T4 ist mit einem weiteren Strominjektor
I4 sowie mit dem Emitter eines zweiten Hilf s trans is tors HT2 verbunden, dessen Basis mit den Emittern der steuernden
Transistoren verbunden ist. Der Kollektor dieses zweiten Hilfstransistors
ist mit der Basis des weiteren Transistors T3 in der tiefer gelegenen Ebene verbunden. Der eine Kollektor dieses
Transistors ist mit seiner Basis und der andere Kollektor mit der Basis des Transistors T2 und damit mit dem Kollektor des
Hilfstransistors HT1 verbunden. Der Transistor T3 wirkt also
als Stromspiegel, der die Kollektorströme der beiden Hilfstransistoren
HT1 und HT2 in den Leitungen P und Q miteinander vergleicht, d. h. wenn in der Leitung P ein kleinerer Strom fließt
als in der Leitung Q,kann der damit verbundene Kollektor des
Transistors T3 einen Strom entsprechend dieser Stromdifferenz zum Entladen bzw. zum Sperren aus der Basis des Transistors T2
führen. Wenn dagegen der Strom in der Leitung P größer ist als der in der Leitung Q, steht entsprechend dieser Stromdifferenz
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ein Basisstrom zum Einschalten des Transistors T2 zur Verfügung. Durch die Stromspiegelschaltung ist also auch bei relativ hohen
Restströmen durch die Hilfstransistoren HT1 und HT2 ein völlig sicheres Schalten des Transistors T2 gewährleistet.
Zur Erläuterung der Funktion wird zunächst angenommen, daß das Signal A einen hohen Pegel annimmt und damit über den Strominjektor
11 den Transistor T1 einschaltet. Damit übernimmt einer seiner Kollektoren den Strom des Strominjektors 13, so daß der
Transistor T2 in der unteren Ebeno keinen Basisstrom mehr erhält. Der andere Kollektor übernimmt den Strom des Strominjektors 12,
so daß der Transistor T4 gesperrt ist und der Strom des Strominjektors 14 durch den Hilfstransistor HT2 über die Leitung Q zum
Transistor T3 fließt. Die Basis des Transistors T2 wird dadurch über den damit verbundenen Kollektor des Transistors T3 schnell
entladen und gesperrt gehalten, so daß diese Flanke des Signals A mit nur geringer Zeitverzögerung am Kollektor dies Transistors
T2 erscheint. Wenn nun das Signal A wieder einen niedrigen Pegel annimmt, wird der Transistor T1 gesperrt, so daß der Strominjektor
12 den Transistor T4 einschaltet und den Strom des Strominjektors 14 übernimmt. Durch den Hilfstransistor HT2 fließt nun
praktisch kein Strom mehr über die Leitung Q in die Basis und den einen Kollektor des Transistors T3, so daß dessen anderer
Kollektor ebenfalls praktisch keinen Strom mehr zieht. Mit dem Sperren des Transistors Ti fließt ferner der Strom des Strominjektors
13 wieder über den Hilfstransistor HT1 und die Leitung
P in die Basis des Transistors T2 und schaltet diesen daher
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schnell ein. Damit erscheint auch diese Flanke des Signals A mit geringer Verzögerung am kollektor des Transistors T2,
so daß die Schaltgeschwindigkeit der Schaltung wesentlich erhöht worden ist. Falls das Signal A in der tiefer gelegenen
Ebene invertiert benötigt wird, läßt sich dies ohne Verwendung eines weiteren Inverters direkt am Kollektor des Transistors
T2 erhalten, in^dem "die Verbindungen zwischen den Kollektoren der
Hilfstransistoren HT1 und HT2 mit den Basen der Transistoren T2 und T3 vertauscht werdejn.
In dem beschriebenen Beispiel ist zunächst angenommen worden, daß die Signalumkehr zur komplementären Steuerung der Transistoren
in der tieferen Ebene durch einen zusätzlichen Transistor vorgenommen werden mußte. In vielen Fällen liegt jedoch das ansteuernde
Signal A in der vorangehenden Schaltung bereits sowohl normal als auch invertiert vor, beispielsweise, wenn das Signal
durch ein Flip-Flop erzeugt wird, so daß die Hilfstransistoren direkt von zusätzlichen Kollektoren der entsprechenden Transistoren
in der vorangehenden Shaltung gesteuert werden können. Ein Beispiel für eine derartige, zumindest zum Teil quasi- direkter
Ansteuerung ist in Figur 3 dargestellt. Darin ist je ein Kollektor der Transistoren T21 und T22 zur Bildung einer logischen Verknüpfung
miteinander sowie mit dem Strominjektor 11 und der Basis
des Transistors T1 verbunden, an dessen Kollektor bzw. Kollektoren das.Verknüpfungsergebnis abgenommen wird. Ein weiterer
Kollektor des Transistors T1 steuert nun wie in Figur 2 beschrie-
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j NACHe. . -iCHTI
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ben den mit einem Strominjektor 12 verbundenen Emitter des
Hilfstransistors HT1 an, um über die Leitung Q das Verknüpfungsergebnis auf den entsprechenden Transistor in einer unteren
Ebene zu übertragen. Der mit dem Strominjektor 13 verbundene
Emitter des Hilfstransistors HT2 wird dagegen direkt von zusätzlichen Kollektoren der Transistoren T21 und T22 angesteuert,
um das komplementäre Verknüpfungsergebnis über die Leitung P zu dem entsprechenden anderen Transistor in der unteren Ebene zu
übertragen. Auf diese Weise ist ein besonderer invertierender Transistor entsprechend dem Transistor T4 in Figur 2 gespart.
Es ist auch möglich, daß die zueinander komplementären Signale, die zu einer Ebene übertragen werden sollen, in verschiedenen,
darüber liegenden Ebenen auftreten. Auch in solchen Fällen läßt sich grundsätzlich die gleiche Steuerung über Hilfstransistoren
sowie zumindest teilweise deren direkte Steuerung anwenden.
- weiter S. 11 (Patentansprüche; der ursprünglichen Unterlagen v.
1. Sept. 75 -
PHD 75-138
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Claims (2)
- Patentansprüche;j Integrierte Schaltung mit Transistoren, deren Basen mit Strominjektoren und mit^inem Kollektor eines oder mehrerer anderer Transistoren verbunden sind, wobei die Schaltung in verschiedene Schaltungsteile aufgeteilt ist, die bezüglich der Versorgungsspannung in Reihe geschaltet sind und mehrere Ebenen bilden, und wobei zum Übertragen eines Signals von einer ersten Ebene zu einer tiefer gelegenen zweiten Ebene der Kollektor eines ersten, das Signal liefernden Transistors einen Ililfstransistor entgegengesetzter Leitfähigkeit ansteuert, dessen Kollektor mit der Basis eines zweiten Transistors in der zweiten Ebene verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des zweiten Transistors (T2) außerdem mit dem Kollektor eines dritten Transistors (T3) gleicher Leitfähigkeit in der selben Ebene verbunden ist, dessen Basis mit dem Kollektor eines zweiten Hilfstransistors (HT2) entgegengesetzter Leitfähigkeit sowie zur Bildung eines Stromspiegels mit einem weiteren Kollektor dieses dritten Transistors verbunden ist und daß der zweite Hilfstransistor von dem Kollektor eines vierten, das zu übertragende Signal invertiert liefernden, in einer über der zweiten Ebene gelegenen Ebene angeordneten Transistors (T4) angesteuert ist.
- 2. Integrierte Schaltung lach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. ein Kollektor des ersten Transistors (T1) mit einem Strominjektor (13) und mit dem Emitter des ersten Hilfstransistors (HT1) verbunden ist, daß der bzw. ein Kollektor des vier-- 12-70981 1 /0876ten Transistors (T4) mit einem weiteren Strominjektor (l4) und mit dem Emitter des zweiten Hilfstransistors (HT2) verbunden ist und daß die Basen der Hilfstransistoren mit dem Emitter des ersten "bzw. des vierten Transistors verbunden sind.70981 1 /0876Leerseite
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