DE2538910C3

DE2538910C3 - Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit einer integrierten Schaltung

Info

Publication number: DE2538910C3
Application number: DE2538910A
Authority: DE
Inventors: A. George Dipl.-Ing. Eindhoven Govaert (Niederlande); Rolf Dipl.-Ing. 2086 Ellerau Heuser
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1975-09-02
Filing date: 1975-09-02
Publication date: 1980-01-10
Also published as: US4109162A; DE2538910A1; GB1564011A; FR2323234A1; IT1067765B; JPS5230370A; CA1070779A; FR2323234B1; JPS5339726B2; DE2538910B2

Description

als die jeweils darauffolgenden Stufen.

Bei einer Aufteilung der Schaltungsteile nach F i g. I 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 gelegenen Ebene zu einer höheren Ebene ist nicht problematisch, da die Kollektoren der Transistoren in einer tieferen Ebene (beispielsweise der Kollektor des Transistors 715) direkt mit der Basis eines Transistors in einer höheren Ebene (beispielsweise 713 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 Fig.2 erläutert werden soll. Darin erhält der Transistor 71 das zu übertragende Signal A. Die Basis dieses Transistors ist mi* einem Strominjektor /1 verbunden, und ein Kollektor dieses Transistors führt auf den Emitter des Hilfstransistors HTi. der außerdem mit einem weiteren Strominjektor /3 verbunden ist. Der Hilfstransistor ist in dem dargestellten Beispiel ein pnp-Transistor, der damit die entgegengesetzte Leitfähigkeit wie der steuernde npn-Transistor Ti hat Die Basis des Hilfstransistors ist mit dem Emitter des steuernden Transistors, d. h. mit einer Bezugsspannung verbunden. Der zweite Kollektor des steuernden Transistors Ti sowie die weiteren Transistoren in dieser Ebene sollen für die folgende Betrachtung zunächst unberücksichtigt bleiben.

Der Kollektor des Hilfstransistors HTX ist nun über die Leitung Pmit der Basis eines Transistors 72 in einer tiefer gelegenen Ebene verbunden. Diese Basis ist im Gegensatz zu den übrigen Transistoren in dieser Ebene nicht zusätiüch mit einem Strominjektor verbunden. Wenn nun zuerst angenommen wird, daß das Signal A einen hohen Pegel hat, ist der Transistor Π durch den Strominjektor /1 eingeschaltet, und sein Kollektor übernimmt damit den Stiom des Strominjektors /3. Dabei ist also der Hilfstransistor HTi gesperrt und somit auch eier Transistor 7 2. Nimmt nun das Signal A einen tiefen Pegel an, wird der Transistor Ti gesperrt, und damit fließt der Strom des Strominjektors /3 durch den Hilfstransistor HTi 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 7Ί durch den Strominjektor /1 /war schnell ein und übernimmt den Strom des Strominjektors /3, so daß der Strom in der Leitung P schnell verschwindet, jedoch wird die Basisladung des Transistors 72 nicht niederohmig abgeführt, so daß auch dessen Kollektorstrom nur langsam abnimmt und damit diese Flanke des Signals A nur mit merklicher Verzögerung an seinem Kollektor abgibt, so daß iKe gesamte Überträgüngszeit für das Signal A auf die untere Ebene erheblich verlängert wird.
_ Diese Übertragungszeit wird durch die in Fig.2

weiter dargestellten Elemente erheblich verkürzt. Dabei ist ein weiterer Kollektor des steuernden Transistors Ti mit der Basis eines Transistors 74 sowie mit einem Strominjektor /2 verbunden. Der Kollektor dieses Transistors 74 ist mit einem weiteren Strominjektor /4 sowie mit dem Emitter eines zweiten Hilfstransistors HT2 verbunden, dessen Basis mit den Emittern der steuernden Transistoren verbunden ist. Der Kollektor dieses zweiten Hilfstransistors ist mit der Basis des weiteren Transistors 73 in der tiefer gelegenen Ebene verbunden. Der eine Kollektor dieses Transistors ist mit seiner Basis und der andere Kollektor mit der Basis des Transistors 72 und damit mit dem Kollektor des Hilfstransistors HTi verbunden. Der Transistor 73 wirkt also als Stromspiegel, der die Kollektorströme der beiden Hilfstransistoren HTi und HT2 in den Leitungen fund Q miteinander vergleicht, d. h. wenn in der Leitung P ein kleinerer Strop-, Hießt als in der Leitung Q, kann der damit verbundeiie '<üi!ektur des Transistors 73 einen Strom entsprechend dieser Stromdifferenz zum Entladen bzw. zum Sperren aus der Basi·. des Transistors T2 führen. Wenn dagegen der Strom in der Leitung Pgrößer ist als der in der Leitung Q. steht entsprechend dieser Stromdifferenz ein Basisstrom zum Einschalten des Transistors 7"2 zur Verfugung. Durch die Stromspiegelschaltung ist also auch bei relativ hohen Restströmjn durch die Hilfstransistoren HTi und //72 ein völlig sicheres Schalten des Transistors T2 gewährleistet.

Zur Erläuterung der Funktion wi--d zunächst angenommen, daß das Signal A einen honen Pegel annimmt und damit über den Strominjektor / I den Transistor TX einschaltet. Damit übernimmt einer seiner Kollektoren den Strom des Strominjektors /3, so daß der Transistor T2 in der unteren Ebene keinen Basisstrom mehr erhält. Der andere Kollektor übernimmt den Stron des Strominjektors /2, so daß der Transistor 74 gesperrt is! und der Strom des Strominjektors /4 durch den Hilf iransistor HT2 über die Leitung ζ) zum Transistor Ti fließt. Die Basis des Transistors 72 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 des Transistors T2 erscheint. Wenn nun das Signal A wieder einen niedrigen Pegel annimmt, wird der Transistor Ti gesperrt, so daß der Strominjektor / 2 den Transistor T4 einschaltet und den Strom des Strominjektors /4 übernimmt. Durch den Hilfstransistor HT2 fließt nun praktisch kein Strom mehr über die Leitung O in die Basis und den einen Kollekto" des Transistors Γ3, so daß dessen anderer Kollektor ebenfalls praktisch kein Strom mehr zieht. Mit dem Sperren d~3 Transistors 71 fließt ferner der Strom des Strominjektors /3 wieder über den Hilfstransistor HTX und die Leitung Pin die Basis des Transistors 72 und schaltet diesen daher schnell ein. Damit erscheint atoh diese Flanke des Signals A mit geringer Verzögerung am Kollektor des Transistors 72. 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 Trasisistol-s 72 erhalten, indem die Verbindungen zwischen den Kollektoren der Hilfstransistoren HTX und HT2 mit den Basen der Transistoren 72 und 73 vertauscht werden.

In dem beschriebenen Beispiel ist zunächst angenommen worden, daß die Signalumkehr zur komplementä-

reft 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 Kollektor der entsprechenden Transistoren in der Vorangehenden Schaltung gesteuert werden können. Ein Beispiel für eine derartige, zumindest zürn Teil cjuasi direkter Ansteuerung ist in F i g. 3 dargestellt. Darin Ist je ein Kollektor der Transistoren 721 und T22 zur Bildung einer logischen Verknüpfung miteinander sowie mit dem Strominjektor /1 und der Basis des Transistors TX verbunden, an dessen Kollektor bzw. Kollektoren das Verknüpfungsergebriis abgenommen wird. Ein weiterer Kollektor des Transistors Tl steuert ⁿun wie in F i". 2 beschrieben den mit einem

Strominjektor /2 verbundenen Emitter des Milfstransistors /-/7*1 an, um über die Leitung Q das VeltknüpfungS' ergebnis auf den entsprechenden Transistor in einer unteren Ebene zu übertragen. Der mit dem Slrominjektor /3 verbundene Emitter des Hilfstransistors HTI wlfd dagegen direkt von zusätzlichen Kollektoren der Transistoren Γ21 und T22 angesteuert, um das komplementäre Verknüpfungsergebnis über die Lel· tung P zu dem entsprechenden anderen Transistor in der unteren Ebene zu übertragen. Auf diese Weise ist ein besonderer invertierender Transistor entsprechend dem transistor Γ4 in Fig.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 Sicuening anwenuefi.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Schallgeschwindigkeit einer integrierten 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des zweiten Transistors (T2) außerdem mit dem Kollektor eines dritten Transistors (T 3) 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 Ehene angeordneten Transistors (T4) angesteuert ist.

2. Schaltuagsanordnusig nach .Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß det bzw. ein Kollektor des ersten Transistors (Ti) mit eil :m Sirominjektor (13) und mit dem Emitter des ersten Hilfstransistors (HT 1) verbunden ist, daß der bzw. ein Kollektor des vierten Transistors (T4) mit einem weiteren Strominjektor (14) und mit dem Emitter des zweiten Hilfstransistors (HT2) verbunden ist und daß die Basen der Hüfstransistoren mit dem Emitter des ersten bzw. des vierten Transistors verbunden sind.

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur ^v' Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit einer integrierten Schaltung mit Transistoren, deren Basen mit Strominjektoren und mit einem Kollektor eines oder mehrerer •nderer Transistoren verbunden sind, wobei die Schaltung in verschiedene Schaltungsteile aufgeteilt ist, «lie bezüglich der Versorgungsspannung in Reihe geschaltet sind und mehrere Ebenen bilden, und wobei turn Übertragen eines Signals von einer ersten Ebene zu •iner liefer gelegenen zweiten Ebene der Kollektor •ines ersten, das Signal liefernden Transistors einen ^r> Hilfstransistor entgegengesetzter Leitfähigkeit an-•teuert, dessen Kollektor mit der Basis eines zweiien Transistors in der zweiten Ebene verbunden ist.

Eine derartige integrierte Schaltung ist aus der DB-OS 24 43 171 bekannt. Diese bekannte Schaltung ^hn hat jedoch den Nachteil, daß der zweite Transistor in der zweiten, unteren Ebene durch den Hilfstransisl.or zwar schnell eingeschaltet wird, daß jedoch beim Ausschalten des Hilfstransistors mindestens die Basisla^ dung des zweiten, das übertragene Signal empfangenden Transistors nicht nach außen abfließen kann_f so daß dieser Transistor nur langsam abschaltet und hohe Schallgeschwindigkeiten 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 komplementäre Signal in die tiefergelegene Ebene übertragen, wodurch zwar ein geringer zusätzlicher Aufwand entsteht, der aber in 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 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 Hüfstransistoren 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, ^s zeigt

Fig. 1 die schematische Anordnung von mehreren Schallungsteilen in mehreren Ebenen,

F i g. 2 eine Anordnung zur Übertragung eines Signals zu einer tieferen Ebene.

Fig. 3 eine Ansteuerungsmöglichkeit eines der Hüfstransistoren.

In F i g. I 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 F.bene. die hier direkt mit der Versorgungsspannung + V verbunden ist, sind drei Schaltungsteile parallel geschaltet, die durch die Transistoren 7Ml, 7M2 und 7M3 angedeutet sind, leder Schaltungsteil enthält Strominjekioren. die wieder vereinfacht durch die Stromgeneratoren /11, /12 und /13 angedeutet sind. Zu dieser Parallelschaltung sind in Reihe die Schaltungsteile geschaltet, die durch die Transistoren Γ14 und T15 mit den zugehörigen Strominjektoren /14 und /15 angedeutet sind. Bei dieser Anordnung fließt also der Strom, der durch die oberen, päralleigeschalteten 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 parallelgeschalteten Schaltungsteile langsamer als die unteren Schalturtgsleile. Dies ist beispielsweise bei Teilerschältungen zweckmäßig, wo die ersten Stufen naturgemäß schneller schalten müssen