DE2548628A1 - Logische schaltung - Google Patents

Description

Patents« O38or

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"Logische Schaltung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine logische Gatterschaltung mit einer ersten Gruppe von Transistoren, deicen Basis-Emitter-Strecken oder Kollektor-Emitter-Strecken parallel geschaltet sind, wobei zu der Kollektor-Emitter-Strecke mindestens eines der Transistoren aus dieser Gruppe die Basis-Emitter-Strecken einer Anzahl von Transistoren einer zw^reiten Gruppe parallel angeordnet sind, und wobei jede der Basis-Elektroden der Transistoren sowohl dor ersten als auch der zweiten Gmrppe mit einer Strom-* quelle verbunden ist, die mit dem Verbindungspunkt

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der Emitter der Transistoren der betreffenden Gruppe gekoppelt ist.

Die genannte Art Gatterschaltung ist in der Literatur auch unter der· Bezeichnung "integrierbare Injektionslogik" oder "I~L" bekannt. Weitgehende Integration ist mit den genannten Gatterschaltungen möglich, die sich sehr einfach und gedrängt in integrierter Form verwirklichen lassen und. eine niedrige Verlustleistung pro Gatterschaltung aufweisen, ohne dass dies in zu grossem Masse die Geschwindigkeit

beeinträchtigt. Diese bekannten I L-Schaltungen bestehen tatsächlich aus Transistoren, die durch Injektion von Minoritätsladungsträgern gespeist werden. Diese Injektion erfolgt entweder durch Beleuchtung von Basis-Emitter-Gebieten oder von einer Injektionsschiene aus, die mit den Emittergebieten einen pn-UbergJang bildet. Durch die Wahl des Strompegels kann die Schaltgeschwindigkeit der Schaltung innerhalb weiter Grenzen geändert werden.

Eine logische Gatterschaltung der genannten Art ist z.Bo aus "Philips Technische Rundschau" 33> Nr. 3, 1973, S. 8k, Fig. 6 bekannt. In dieser Schaltung besteht die erste Gi-uppe aus zwei Transistoren, deren Kollektor-Emitter-Strecken parallel geschaltet sind, während die logischen Eingangssignale den Basis-Elektroden dieser Transistoren zugeführt wer-

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den. Die zweite Gruppe besteht aus zwei Transistoren, deren Basis-Emitter-Strecken parallel geschaltet sind. Weiter enthält die bekannte logische Gatterschaltung eine dritte Gruppe von zwei Transistoren, deren Basis-Emitter-Strecken parallel geschaltet sind. Der Kollektor eines der Transistoren axis der dritten Gx-uppe ist mit dem Kollektor eines Transistors der zweiten Gruppe verbunden. Die Transistoren in der Schaltung erzeugen die logische Inversion des Basissignals, während die Verbindung der Kollektoren eine "wired-AND"-Funktion der Kollektorsignale erzeugt. Dies hat das Ergebnis, dass die Transistoren mit miteinander vex·- bundonen Kollektoren auch als NOR-Gatter betrachtet, werden können« Wie aus Fig. 6 der genannten Veröffentlichung hervorgeht, können die genannten Schaltungen aucli die Form von Mehrkollektortransistoren aufweisen, und auch, auf Grund des Wunsches, jeden Kollektor mittels nur einer Basis speisen zu lassen, können die Transistoren aus der bekannten Schaltung zusammengefügt werden (siehe Fig. 7 auf Seite 85 der genannten Zeitschrift).

Bei einer Betrachtung der Schaltgeschwindig— keiten bei I"L muss ein Unterschied zwischen Situationen mit einem niedrigen und mit einem hohen Strompegel gemacht v/erden. Im ersteren Falle müssen nur Verdi-ahtungs streukapazität en und Er schöpf ungskapa-

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zitäten aufgeladen und entladen werden; im letzteren Falle spielt die Ladungsspeicherung (storage) in den

Transistoren eine grössere Rolle. Wie bei I L bekannt ist, muss j edei' Kollektor einen Basis stx-om aufnehmen Likönnen. Dies erfordert, dass der effektive Stromverstärkung sfaktor /O des Transistors grosser als' 1 ist. Dabei sei bemerkt, dass unter dem effektiven Strom-Verstärkungsfaktor in der I L-Teclmik das /% des npn-Transistors im Betriebszustand dieses Transistors beim Vorhandensein des pnp~Transistors zu verstehen ist. Dieser Faktor kann z.B, als das Verhältnis zwischen dem Kollektor- und dem Basistrom des npn-Transistors gemessen werden, wenn der Emitter-Basis-Übergang des pnp-Transistors kurzgeschlossen ist, so dass der Emitter des letzteren Transistors mit dem Emitter des npn-Transistors verbunden ist. Ein grosses /j bedexitet jedoch, dass der Transistor im "EIN"-Zustand stark in Sättigung geraten wird, wodurch Minoritätsladungsträger in dem Transistor gespeichert werden. Dies bedeutet, dass die Ladungsspeicherung in dem Transistor für die Schaltgeschwindigkeit dieses Transistors entscheidend sein wird. Ein niedriges /> pro Transistor wäre erwünscht. Ein zu .niedriges /S ist jedoch wieder bedenklich aus Störempfindlichkeitserwägungen. Ausserdem ist es mit Rücksicht auf die Ausbeute schwierig, einen

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Herstellungsvorgang derart zu regeln, dass Transistoren mit einem A - 2 erhalten werden können. Hinzu, kommt noch, dass der Faktor /^ geometrieabhängig ist, so dass der gewünschte Wert von A) = 2 an eine bestimmte Geometrie gebunden ist. Ein Mehrkollektortransistor mit z.B. zwei Kollektoren weist praktisch .automatisch einen anderen Stromverstärkungsfaktor pro Kollektor als ein Mehrkollektortransistor mit z.B. vier Kollektoren auf. Es ist viel einfacher, einen Herstellungsvorgang zu verwirklichen, bei dem die Stromverstärkungsfaktoren der integrierten Transistoren in dem Intervall 20 <C /3 ^ 100 liegen. Wie jedoch oben bereits bemerkt wurde, hat dies wieder nachteilige Folgen im Zusammenhang mit den Schaltgeschwindigkeiten der integrierten Transistoren.

Die Erfindung bezweckt, eine Lösung für das oben angegebene Problem zu schaffen, und ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Basis und dem Emitter jedes der Transistoren der beiden Gruppen ein Verbindungsweg zur Aufnahme eines Teiles des von der mit der Basis des betreffenden Transistors verbundenen Stromquelle gelieferten Stromes im leitenden Zustand des betreffenden Transistors angebracht ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Verbindungsweg durch eine Diode gebildet, deren

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Durchlassrichtung gleich der· Durchlassrichtung der Basis-Emitter-ElektrOdo des betreffenden Transistors ist.

Weiter wird vorzugsweise die Diode durch einen Transistor gebildet, dessen Basis und dessen Kolloktor miteinander verbunden sind, wobei die wirksame Emitteroberflache dieses Transistors kleiner als die wirksame EmitteiOberflache des betreffenden Transistors ist.

Die Erfindxmg wir-d nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausfülirungsboispicl einer logischen Gatterschaltung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Stromdlagrainra zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 beim Fehlen der Diocfe 13, und

Fig. 3 ein Stromdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig» 1 beim Vorhandensein der Diode 13·

Die logische Gatterschaltung nach Flg. 1 enthält eine erste Gruppe E von Transistoren 10, 11 und 12, deren Basis-Emitter-Strecken parallel geschaltet sind. Zu der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 12 sind die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 20 und 21 der zweiten Gruppe parallel geschaltet. Die Basis-Elektroden der Transistoren

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10, 11 und 12 der ersten Gruppe E sind über die KoI-lektor-Emitter-Strecke des Trans is tcxrs lh mit einem Speisungspunkt positiver Polarität verbunden. Die Basis-Elektroden der Transistoren 20 und 21 der zweiten Gruppe F sind über die Kollektor-Emittor-Strecke des Transistors 23 mit dem Speisungspunkt positiver Polarität verbunden« Zu den Basis-Emit tex¹-Strecken der Transistoren 10, 11 und 12 der ersten Gruppe E ist eine Diode 13 parallel geschaltet. Die Durchlassrichtung der Diode 13 ist gleich der Durchlassrichtung der Basis-Emitter-Dioden der Transistoren 10, 11 und 12. Zu den Basis-Emitter-Strecken der Ti'ansistoren 20 und 21 der zweiten Gruppe F ist eine Diode 22 parallel geschaltet. Die Durchlassrichtung der Diode 22 ist gleich der Durchlassrichtung der Basis-Emitter-Dioden der Transistoren 20 und 21. Die Basis-Elektz'oden der Transistoren 14 und 23 sind über die Impedanz 30 mit dem Verbindungspunkt der Emitter der Transistoren 10, 11, 12, 20 und 21 verbunden. Dabei sei

2 bemerkt, dass bei den bekannten I L-Schaltungen die Impedanz nicht vorhanden ist, sondern die Basis des Transistors 14 unmittelbar mit dem Emitter des Transistors 10 verbunden ist. Die Impedanz dient zur Vergrösserung der Schaltgeschwindigkeit, wie in der gleichzeitig eingereichten niederländischen

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Patentanmeldung 7·^-13·26Α beschrieben ist.

Vorzugsweise wird die Impedanz durch einen Widerstand gebildet, der vorzugsweise derart bemessen

ist, dass bei dem für die I L-Schaltung gewünschten Strompegel ein Potentialunterschied von mindestens 30 mV und vorzugsweise von mehr als 6θ mV über, diesem Widerstand erhalten wird. Statt des Widei-standes kann jedes andere geeignete Impedanzelement vereendet werden, mit dem der gewünschte Potentialunterschied erhalten werden kann. Z.B. kann zu diesem Zweck besonders gut eine .Schottky-Diode Anwendung finden. Auch kann z.B. extern eine Spannung zwischen den Basis-Elektroden der Transistoren der komplementären Transistorpaare angelegt werden. Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende.

Der Einfachheit halber wird zur Erläuterung der Wirkungsweise der logischen Schaltung nach Fig. 1 angenommen, dass die Kollektoren der Transistoren 10 und 11 mit dem Kollektor des Transistors 12 verbunden sind, was in dieser Figur durch die gestrichelte Linie dargestellt ist. Tatsächlich bilden die Transistoren 10, 11 und 12 dann einen einzigen Transistor, was weiter in der Beschreibung mit dem Transistor 10 (11,12) bezeichnet wird. Die von den Transistoren Ik und 23 gelieferten Ströme sind annahmeweise gleich I. Wenn der Basis des Transistors 1O(11,12) ein lo-

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gisches Signal a angeboten wird, wird an dem Kollektor des Transistors 1O(11,12) das logische Signal a (Negation von a) auftreten, während an ,den Kollektoren der Transistoren 20 und 21 das logische Signal a vorhanden sein wird. Wenn angenommen wird, dass a = 1 ist, wobei positive Logik eingehal fen wird, was bedeutet, dass die Bedingung a = 1 einer hohen Spannung entspricht, wird der Transistor 1O(11,12) leitend sein. Dadurch werden die Diode 22 und die Transistox'en 20 und 21 nichtleitend sein. Beim Fehlen der Diode 13 ist dear Basisstrom des Transistors 10(11,12) gleich I. Durch das Vorhandensein der Diode 13 wird nun ein Teil des Stromes I, der von dem Transistor 14 geliefert wird, durch diese Diode fliessen. Der Basisstrom des Transistors 1O(11,12) wird nun nur einen Teil p.l(p < 1) des StiOines I betragen.

In Fig. 2 ist ein Stromdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 dargestellt. In dieser Figur entspricht die Stromquelle 14 dem pnp-Transistor 14 der Fig. 1, die Stromquelle 23 dem pnp-Transistor 23 und der Transistor 1O(11,12) dem zusammengesetzten Transistor [ 10(11,12) der Fig. 1.

Der Kollektorstrom des Transistors 10(11,12) ist beim Fehlen der Diode 13 gleich dessen Basisstrom,

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so dass der npn-Transistor 1O(11,12) in Sättigung arbeiten wird. Der Gosamtbasisotrom des lYansistors 1O(11,12) kann in zwei Ströme i(i) und i(2) aufgespaltet werden, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Diese zwei Basisströme ergeben zwei innere Ströme /j .i(i) und (i+/3 )«i(i) infolge der in der Durchlassrichtung vorgespannten Emitter—Basis-Diode des Transistors 10(11,12) und zwei innere Ströme /?. ^f.i(2) und (1+ /3 *)i(2) infolge der in der Durchlassrichtung voi-gespannten Kollektor-Basis-Diode des Transistors 10(11,12). In den beiden Formeln ist /3 gleich dem Duirchiasss trοπΓν er stärkungsfaktor des Transistors 10(11,12), der gleich dem effektiven fl ist, und /]> ' gleich dem Stromverstärkungsfaktor des Transistors 1O(11,'I2), wenn dieser Transistor in der Sperrichtung betrieben wird. Die Emitter-Basis-Spannung und die Kollektor-Easis-Spannung des Transistors 1O(11,12) sind derart, dass für die äusseren Ströme die folgenden Gleichungen gelten:

I(b) = I = i(i) ₊ i(2) (1)

I(e) = 21 = (1+yö )±(1)- /3«.i(2) (2) I(c) =1 ΰ/S .±(i)-(i ₊ /2t) i(2) (3),

in denen l(b) den äusseren Basisstrom, l(e) den äusseren Emitterstrom und l(c) den ätisseren Kollektorstrom des Transistors 10('M,12) darstellt;. Wenn z.B. β - A* = 100 gewählt wird, gilt, dass i(i) = 0,507 ί

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und i(2) = O,'l93 I. .Die intern vorlaufenden Kollektorströme sind ein Mass für die Ladungsspeicherung in dem Transistor. Diese Ströme sind in diesem Falle 50,7 I bzw. 49,3 1· Daraus ergibt sich, dass die in der Basis gespeicherte Ladung verhältnismässig gross ist. Dies bedeutet, dass die Schaltgeschwindigkeit des Transistors dementsprechend niedrig sein wird.

In Fig. 3 ist der Fall dargestellt, in dem die Diode zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 1O(11,12) vorhanden ist. Der grösste Teil des Stromes I wird nun duz^ch die Diode 13 fixessen» Die nachstehenden Beziehungen gelten nun:

l(b) = I« = i(i)« + i(2)· (4)

i)t -^ ii(2)« (5) «)i(2)' (6) = P.0 + /3 )±(1)· .(7)

I(d) + l(b) = I (8).

Der Faktor ρ hängt von dem Verhältnis zwischen der Diodenoberflache und der wirksamen Emitteroberfläche des npn-Transistors 1O(11,12) ab. Dabei sei bemerkt, dass bei inversem Gebrauch eines Transistors, wie

■ 2
bei I L üblich ist_s die wirksame Emitterzone gleich der Oberfläche der Kollektorzone des Transistors ist. Venn dieser Faktor z.B. gleich I/3 und /i = /S » = gewählt wird, zeigt eine einfache Berechnung, dass

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i(i)' = 0,02 I und i(2) · = 0,01 I ist. ¥eil «lex* Strom i(i)»</£ i(i) und der Strom i(2)'<f< i(2) ist, sind die inneren Ströme, die durcli den Transistor 1O(11,12) fliessen, in diesem Falle viel kleiner. In diesem Falle sind die einander entgegengesetzt gerichteten Kollektors tröme gleich 21 bzw. II. Dies bedeutet, dass in diesem Falle die in dem Transistor gespeicherte Ladung auch viel kleiner als in dem Falle ohne Diode sein wix-d. Dies bedeutet, dass die Schaltgeschwindigkeit dementsprechend zunehmen wird.

Wie oben nachgewiesen wui-de, wird durch das Anbringen der Diode 13 die Schaltgeschwindigkeit der logischen Schaltung nach Fig. 1 vergrössert. Diese Schaltgeschwindigkeit kann zusätzlich vergrössert werden, indem der Widerstand 30 zwischen der Basis des Transistors 14 und dem Emitter des Transistors 10 angebracht wird. Wenn der Transistor 10(1-1,12) leitend ist, wird beim Vorhandensein des Widerstandes 30 die Kollektcr-Basis-Diode des Transistors 14 in geringerem Masse als beim Fehlen des genannten Widerstandes 30 in der Durchlassrichtung vorgespannt sein. Wenn die Spannung über dem Widerstand etwa 200 bis 300 mV beträgt, wird die Speicherung der Minoritätsladungsträger in der Basis des Transistors Ik im Vergleich zu der Speicherung in der Basis des Transistors 1O(11,12) vernachlässigbar sein. In dem "AUS"-

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■Zustand des Transistors 10(11,12) ist die Kollektor Basis-Diode des Transistors lh dann 200 bis 300 mV in der Sperrichtung vorgespannt. Die Schaltzeit der logischen Schaltung wird somit in diesem Falle nur durch die Ladungsspeicherung in der Basis des Transistors 1O(11,12) bestimmt. Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel kann z.B. auf eine in der niederländischen Patentanmeldung 7«^13»2o't beschriebene Veise integriert werden.In dieser Anmeldung sind die NPN··Transistoren wie vertikale Umkehrtransistoren ausgeführt. In die angegebene Integrationsfarm soll man vorzugsweise die betreffenden Dioden (13 j 22) mit extra Zonen in die Basiszonen der respektiven Transistoren realisieren, welche extra Zonen leitend mit den respektiven Basiszonen verbunden sind. Füi" den Fachmann sind im Rahmen der Erfindung viele Abwandlungen möglich. So kannn es z.B, zur Verbesserung der Störmarge erwünscht sein, dass in Reihe mit der Diode 13 in Fig. 1 ein Widerstand angeordnet wird, wobei dann der· Eingang der logischen Gatterschaltung in diesem Falle durch den Verbindungspunkt dieses Widerstandes und der Diode gebildet; wird.

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Claims (1)

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   Patent an s ρ r ü c Ii ο :

   1.y Logische Gatterschaltung mit einer ersten Gruppe von Transistoren, deren Basis-Emittor-Strocken oder deren Kollektoi'-Emitter-Sti'ecken parallel geschaltet sind j wobei zu der Kollektor-Ernittear-S trecke mindestens eines der Transistoren dieser Gruppe die Basis-Emittei'-S trecken einer Anzahl von Transistoren einer zweiten Gruppe parallel angeordnet sind, wobei jede der Basis-Elektroden der Transistoren sowohl der ersten cils auch der zweiten Gruppe mit einer Stromquelle verbunden ist, die mit dem Verbindungspunkt. der Emitter der Transistoren der betreffenden Gruppe gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Basis und dem Emitter jedes der Transistoren der beiden Gruppen ein Verbindungsweg zur Aufnahme eines Teiles des von der mit der Basis des betreffenden Transistors verbundenen Stromquelle gelieferten Stromes beim leitenden Zustand des betreffenden Transistors angebracht ist.

   2. Logische Gatterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsweg durch eine Diode gebildet wird, deren Durchlassrichtung gleich der der Basis-Emitter-Diode des betreffenden Transistors ist.

   3. Logische Gatterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode durch einen

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   Trans is to χ* gebildet wird, dessen Basis und dessen Kollelf tor miteinander verbunden sind, wobei die wirksame Emitteroberflache dieses Transistors kleiner als die wirksame Emitterobernäche des betreffenden Transistors ist.

   k. Logische Gatterscha]tung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsweg durch einen Widerstand, gebildet wird.

   5. Logische Gatterschaltung nach einem der¹ vorstehenden Anspx-üohe, bei der die Transistoren der ersten und der zweiten Gruppe vom npn-Typ sind, und bei der die Stromquelle durch einen .lateralen ρηρ--Transistor gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis des lateralen pnp-Transistors über einen Widerstand mit dem Emitter dos betreffenden Transistors verbunden ist.

   6. Logische Gatterschaltung'nach den Ansprüchen 2 und 3) dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe mit der Diode ein Widerstand angeordnet ist.

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