DE2603607B1 - Schutzschaltung fuer eine Datenverarbeitungseinrichtung mit Busleitungen - Google Patents

Description

• Gemäß der Erfindung wird die Schutzschaltung zur Lösung dieser Aufgabe derart ausgebildet, daß bei Verwendung peripherer Einrichtungen, die Schaltkreise, insbesondere CMOS-Schaltkreise, enthalten, welche bei Fehlen eines der Versorgungspotential fehlerhafte Signale abgeben können, in den Versorgungsspannungs-Zuleitungen der Schaltkreise wenigstens eine derart gepolte Diode angeordnet ist, daß diese Diode im normalen Betriebszustand für die Versorgungsspannungen durchlässig ist. Die Schaltkreise sind insbesondere CMOS- bzw. McMOS-Schaltkreise; es können jedoch z. B. auch P- oder N-MOS-Schaltkreise oder dergleichen Verwendung finden. Die Dioden können jeweils für einen oder für mehrere Schaltkreise gemeinsam vorgesehen sein. Die hier angegebene Schnittstellen-Schaltung ermöglicht durch zusätzliche Dioden in den Versorgungsleitungen der CMOS-Schaltglieder den direkten Anschluß an die Bus-Schnittstelle. Die Dioden sind so angeordnet, daß sie im normalen Betriebszustand für die Versorgungsspannung durchlässig sind.
• Liegt jedoch das Schaltglied nur einseitig an einem Betriebspotential, so verhindern sie, daß dieses Potential über die Aus- bzw. Eingänge der Schaltkreise auf die Busleitungen durchgreifen und die dort anstehende Information zerstören.
• Durch diese Maßnahmen ergibt sich der Vorteil, daß es die Schutzschaltung mit einfach realisierbarer Maßnahmen ermöglicht, Peripherteile mit diesem Interface auch in einem in Betrieb stehenden System zu ziehen oder zu stecken, ohne daß eine störende Beeinflussung des Datenbusses erfolgt.
• Dabei ist sicher vermieden, daß die CMOS-Glieder bei nicht gleichzeitigem Anlegen der Betriebsspannungen das zuerst anstehende Potential niederohmig zum Ein- oder Ausgang durchschalten können. Die Schutzschaltung bietet ferner den Vorteil, daß bei Verwendung von CMOS-Schaltkreisen in der Logikschaltung an der Bus-Schnittstelle kein Übergang auf eine andere Technologie notwendig ist. Durch die besonderen Schutzmaßnahmen können die Peripherteile auch im Betrieb ausgetauscht werden, ohne daß der Datenbus gestört wird. Durch die Verwendung integrierter Schaltkreise läßt sich dieses Interface platzsparend aufbauen.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die Erfindung wird anhand der in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Interface-Schaltung zum Betrieb von Busleitungen, F i g. 2 den Anschluß der Betriebsspannungen für die Schaltung nach Fig. 1, Fig.3 eine Grundschaltung eines CMOS-lnverters mit Eingangsschutzschaltung, Fig.4 ein CMOS-Schaltglied mit unterbrochener Voo-Zuführung, F i g. 5 ein CMOS-Schaltglied mit unterbrochener V#£rZuführung und Schutzdiode, F i g. 6 ein CMOS-Schaltglied mit unterbrochener Vs#Zuführung und F i g. 7 ein CMOS-Schaltglied mit unterbrochener Vss-Zuführung und Schutzdiode.
• In F i g. 1 ist eine mit integrierten Bausteinen in CMOS-Technologie ausgeführte Schaltungsanordnung dargestellt, die zum Betrieb der Empfangs-Busleitungen BEund der Sende-Busleitungen BSbestimmt ist. Für die Senderichtung sind als Sendeverknüpfungsglieder vier NAND-Verknüpfungsglieder 31... 34 in CMOS-Technologie vorgesehen, an deren erstem Eingang jeweils die zu übertragende Information S1... S4 anliegt Die Ausgänge der Sendeverknüpfungsglieder 31... 34 liegen über die Dioden 411... 414 direkt an den Daten-Sendeleitungen 511. . 514, die an die Sende-Busleitungen BSfür die Sendedaten gelegt sind.
• Für die Empfangsrichtung sind vier SFIip-Flops 11... 14 eingesetzt, die jeweils mit der Versorgungsspannung Vssgespeist sind. Die Eingänge der Flip-Flops 11 14 sind über die Dioden 421... 424 an die für die Empfangsdaten vorgesehenen Busleitungen BEgeschaltet.
• Damit die Eingänge der Empfangs-Kippstufen 11 ...
• 14 nicht ohne Potential sein können, sind sie über je einen der Widerstände 621...624 an Massepotential gelegt Der diesem Interface zugeordnete Takt T gelangt über die Diode 41 auf die parallel geschalteten Takteingänge der Empfangskippstufen 11... 14, die über den gemeinsamen Stützwiderstand 620 an Masse geführt sind. Außerdem wird der Takt T über das NOR-Verknüpfungsglied 2, dessen zweiter Eingang der die Leitung SB zur Sendeblockierung angeschlossen ist und eine Blockierung der Senderichtung ermöglicht, invertiert und parallel auf die zweiten Eingänge der NAND-Verknüpfungsglieder 31...34 der Senderichtung geführt Die Diode 41 verhindert, daß vom Taktgenerator angebotenes Erdpotential bzw. Voo-Potential auf die Takteingänge der Empfangskippstufen und von dort auf die Dateneingänge durchgreifen kann.
• Über die Diode 42 und die parallel geschalteten und über den gemeinsamen Stützwiderstand 626 an Masse geführten Set-Eingänge der Flip-Flops 11... 14 können die Empfangs-Kippstufen 11... 14 blockiert werden, um eine Aufnahme von Empfangsdaten zu verhindern.
• F i g.2 zeigt für die Schaltungsanordnung nach F i g. 1 den Anschluß der Betriebsspannungen.
• Die in F i g 1 gezeigten Kippstufen 11.. 14 werden, was in Fig. 1 nicht näher dargestellt ist, außer mit der Versorgungsspannung Vss auch mit der Versorgungsspannung VDD versorgt Auch das NOR-Glied 2 und die NAND-Glieder3l.. .34 werden jeweils, was aus F i g 1 ebenfalls nicht näher hervorgeht, mit den Versorguagsspannungen Voound Vssgespeist.
• Die aus den Kippstufen 11... 14 nach F i g. 1 bestehende Kippstufenschaltung 1, die aus den NAND-Gliedern 31... 34 nach F i g. 1 bestehende Verknüpfungsanordnung 3 und das NOR-Glied 2 sind mit ihrem Voo-Eingang jeweils an die Versorgungsspannung VDD geführt, wobei in der Zuleitung zu der Verknüpfungsanordnung 3 die Diode 430 liegt. Diese Diode 430 ist derart gepolt, daß sie mit ihrer Anode am Potential VDD liegt Die Kippstufenanordnung 1, das NOR-Glied 2 und die Verknüpfungsanordnung 3 sind ferner mit ihrem VsrAnschluß jeweils an die Versorgungsspannung Vss geführt, wobei in der Zuführung zur Kippstufenanordnung 1 die Diode 410 und in der Zuführung zum NOR-Glied 2 die Diode 420 liegt. Die Dioden 410 und 420 sind derart gepolt, daß sie mit ihrer Kathode am Potential Vss liegen. Die Dioden 410, 420, 430 vermeiden das niederohmige Durchschalten eines Potentials auf die in F i g. 2 nicht näher dargestellten Busleitungen, wenn beim Stecken oder Ziehen der Baugruppe die Bctriebsspannungen Vss und VDD nicht gleichzeitig angeschaltet werden. Die Diode 430 liegt dazu in der Zuführungsleitung der Versorgungsspannung VDD zu der Verknüpfungsanordnung 3, während die Dioden 410 und 420 in den Zuführungsleitungen der Versorgungsspannung Vss liegen, und zwar die Diode 410 bei der Kippstufenanordnung 1 und die Diode 420 bei dem NOR-Verknüpfungsglied 2 für den Takt 71 Um das fälschliche Durchgreifen eines Potentials über die Entkopplungs-Dioden auf die Bus-Leitungen zu verhindern, ist in die Zuführung des anderen Versorgungspotentials die Diode 410, 420, 430 eingefügt Diese Diode verhindert, daß über eine äußere Beschaltung zwischen den Anschlüssen der Versorgungsspannungen an den betreffenden Anschluß und damit an den Anschluß zur Bus-Leitung das falsche Versorgungspotential gelangt.
• Mit der in Fig.1 gezeigten Schaltungsanordnung lassen sich vier Sende- und vier Empfangsleitungen eines Datenbusses betreiben. Dabei wird die Information in Form eines Zeichens mit dem Potential von Vss gesendet bzw. empfangen. Das Potential von VDD bzw.
• Erdpotential dient als Bezugspunkt Die Sendedaten werden an den Leitungen S1... S4 in invertierter Form d. h. als Voo-Potential angelegt Liegt die Sendeblockierleitung SB auf Vs#Potential, so kann der Abfragetakt T auf die Sende-Verknüpfungsglieder 31 34 durchgreifen. Während des Taktimpulses werden dann die an den Leitungen Ski... S4 anliegenden Daten auf die Busleitungen des Sende-Busses BS durchgeschaltet. Die Dioden 411...414 sind dabei für die Sendeinformation durchlässig. Während der Taktpause oder wenn an der Sendeblockierleitung SB das Potential VDD erscheint, liegt an den Takteingängen der Sendeverknüpfungsglieder 31... .34 Vss-Potential z. B. ~12 Volt. Damit liegen die Ausgänge der Sende-Verknüpfungsglieder 31 34 auf Voo-Potential Dieses Potential ist durch die Dioden 411...414 von den Busleitungen des Sende-Busses BS entkoppelt Die Empfangsdaten liegen über die Dioden 421... 424 an den entsprechenden Eingängen der Empfangs-Kippstufen 11... 14. Liegt die Empfangsblockierleitung EB auf Vss-Potential, so werden mit der aktiven Taktflanke des Taktes T die Daten in die Kippstufen 11...14 eingeschrieben und stehen an den Informationsleitungen El... E4 für die Empfangsdaten als Gleichstromzeichen zur Verfügung. Wird die Empfangsblockierleitung EB an VDZ) Potential gelegt, so übernehmen die Kippstufen 11... 14 keine Information.
• Wird eine Baugruppe mit einem Interface dieser Art, ohne die in F i g. 2 gezeigten Zusatzmaßnahmen in den Zuführungsleitungen der Versorgungsspannungen Vss oder VDD, in ein in Betrieb stehendes System gesteckt, so kann bei nicht gleichzeitigem Anliegen der Versorgungsspannungen Vss und VDD über die Ausgänge der Sende-Verknüpfungsglieder 31... .34 Vss-Potential, bzw. über die Eingänge der Kippstufen 11... 14 VorrPotential niederohmig auf die Busleitungen geschaltet werden.
• Um dies zu vermeiden, sind entsprechend F i g. 2 die Dioden 410, 420, 430 vorgesehen. Zur näheren Erläuterung der Funktionsweise dieser Schutzschaltung sei zunächst das Verhalten eines CMOS#Inverters bei Anschalten von nur einem Betriebspotential erläutert.
• Dazu zeigt F i g. 3 den grundsätzlichen Aufbau eines derartigen Inverters mit Eingangsschutzschaltung. Der CMOS-lnverter enthält die beiden komplementären MOS-Feldeffekttransistoren 61 und 62. Die Abflußelektroden der beiden Feldeffekttransistoren 61 und 62 sind an den Ausgang A geführt. Die Quellenelektrode des P-Kanal-Feldeffekttransistors 61 ist an die Versor- gungsspannung Vorx die Quellenelektrode des N-Kanal-Feldeffekttransistors 62 an die Versorgungsspannung Vssgeführt Die Steuerelektroden der Feldeffekttransistoren 61 und 62 sind miteinander und über den Widerstand 7 mit dem Eingang E verbunden. Dieser Widerstand 7 ist Bestandteil einer an sich bekannten Eingangsschutzschaltung, bei der die Quellenelektrode des Feldeffekttransistors 62 über zwei gleichsinnig in Serie geschaltete Dioden 431 und 432 an die Quellenelektrode des Feldeffekttransistors 61 geführt ist, parallel zur Diode 432 die Diode 435 liegt und zwischen dem Eingang E und der Quellenelektrode des Feldeffekttransistors 61 die Diode 433 angeordnet ist. Parallel zur Serienschaltung des P- und N-Kanals liegt die Diode 434. Dabei sind die Dioden so gepolt, daß die Kathoden der Dioden 432...435 miteinander verbunden sind. In F i g. 4 wird für den in F i g. 3 gezeigten Inverter der Fall betrachtet, daß beim Stecken der Baugruppe die Versorgungsspannung Vss anliegt, die Versorgungsspannung VDD jedoch noch abgetrennt ist. Der mit 71 bezeichnete Widerstand stellt den durch die äußere Beschaltung des Inverters gebotenen Widerstand dar. Über diesen Widerstand 71 gelangt das Vss-Potential zum Voo-Anschluß und steuert über wenigstens eine der Dioden 432, 433 und 435 den Feldeffekttransistor 61 niederohmig. Damit kann die Versorgungsspannung Vss niederohmig zum Ausgang A durchgreifen.
• Betrachtet man den Fall, daß die Versorgungsspannung VDD anliegt und die Versorgungsspannung Vss abgetrennt ist, so ergibt sich für den Inverter nach Fig. 3 ein Verhalten, wie es in Fig. 6 dargestellt ist.
• Über den Widerstand 71, die Diode 431 und den Widerstand 7 greift VDD-Potential auf den Eingang E des CMOS-Schaltgliedes durch.
• Der Fall nach Fig.4 bzw. ein Durchgreifen der Versorgungsspannung Vss auf den Ausgang A könnte bei den Sende-Verknüpfungsgliedern 31... 34 der Interface-Schaltung nach Fig. 1 und 2 auftreten. Der Fall nach Fig.6 bzw. ein Durchgreifen der Versorgungsspannung VDD auf den Eingang E, könnte bei den Empfangs-Kippstufen 11...14 der Schaltungsanordnung nach Fig. l und 2 auftreten. In beiden Fällen würde die Information für andere Peripherteile an dem Datenbus BSbzw. BEgestört werden.
• Abhilfe schaffen hier die in F i g. 5 und 7 angegebenen Schutzdioden 45 und 46. In beiden Fällen wird die entsprechende Versorgungsleitung durch eine Diode von der äußeren Beschaltung entkoppelt. Damit kann das jeweils störende Potential nicht mehr durchgreifen.
• In der in F i g. 1 und 2 angegebenen Interface-Schaltung verhindert die Diode 430 das Durchgreifen der Versorgungsspannung Vss über die Ausgänge der Sende-Verknüpfungsglieder 31...34 und die Dioden 410 und 420 das Durchgreifen der Versorgungsspannung VDD über die Eingänge der Empfangskippstufen 11...14 und das NOR-Gliedes 2 auf Busleitungen während der Zeit, bis beide Betriebspotentiale gleichzeitig an den Schaltgliedern anliegen.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Schutzschaltung für eine Datenverarbeitungseinrichtung mit einer zentralen Datenverarbeitungseinheit und mit daran anschließbaren peripheren Einrichtungen, wobei zum Datenaustausch zwischen den peripheren Einrichtungen und der zentralen Datenverarbeitungseinrichtung Busleitungen vorgesehen sind und die Sende- oder Empfangsdaten in Zeitmultiplex-Verfahren auf die Busleitungen geschaltet bzw. von diesen abgenommen werden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß bei Verwendung peripherer Einrichtungen, die Schaltkreise, insbesondere CMOS-Schaltkreise (1,2,3), enthalten, welche bei Fehlen eines der Versorgungspotentiale fehlerhafte Signale abgeben können, in den Versorgungsspannungs-Zuleitungen der Schaltkreise wenigstens eine derart gepolte Diode (410, 420, 430) angeordnet ist, daß diese Diode (410, 420, 430) im normalen Betriebszustand für die Versorgungsspannungen (VDD, Vss) durchlässig ist.
2. 2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Schaltkreise über weitere Dioden (411...414) an die für die Sendedaten vorgesehenen Busleitungen (BS) angeschlossen sind.
3. 3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge von Empfangs-Schaltkreisen (11... 14) über weitere Dioden (421...424) an für die Empfangsdaten vorgesehenen Busleitungen (BE) und über Widerstände (621... 624) an Bezugspotential (Masse) geführt sind.
4. 4. Schutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Takt (T) über eine Diode (41) an die parallel geschalteten, über einen Widerstand (620) am Bezugspotential (Masse) liegenden, Takteingänge der Empfangskippstufen (11 . ..14) geführt ist.
5. 5. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreise an eine Sende- oder eine Empfangs-Blockierleitung (SB, EB) angeschlossen sind.
6. 6. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sende-Bus (BS) NAND-Verknüpfungsglieder vorgeschaltet sind, die jeweils mit einem Eingang an ein taktsteuerbares und über eine Sende-Blockierleitung blockierbares NOR-Glied (2) angeschlossen sind.

   Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschaltung für eine Datenverarbeitungseinrichtung mit einer zentralen Datenverarbeitungseinheit und mit daran anschließbaren peripheren Einrichtungen, wobei zum Datenaustausch zwischen den peripheren Einrichtungen und der zentralen Datenverarbeitungseinrichtung Busleitungen vorgesehen sind und die Sende- oder Empfangsdaten in Zeitmultiplex-Verfahren auf die Busleitungen geschaltet bzw. von diesen abgenommen werden.

   Geräte, die digitale Daten verarbeiten, können so aufgebaut werden, daß um eine zentrale Verarbeitungseinrichtung mehr oder weniger viele periphere Einrichtungen angeordnet sind. Als Verbindungsleitungen für den Datenaustausch zwischen Peripherie und Zentralteil dienen dabei Busleitungen und die Sende- bzw.

   Empfangsdaten werden im Zeitmultiplex-Verfahren auf die Busleitungen geschaltet bzw. von diesen abgenommen.

   Die Sende- und Empfangseinrichtungen der Peripherteile müssen in den Zeitabschnitten, in denen sie nicht über eine zugeordnete Taktleitung aktiviert sind, hochohmig an die Busleitungen geschaltet sein, um nicht die zu dieser Zeit auf dem Datenbus befindlichen anderen Informationen zu zerstören.

   Diese Forderung läßt sich relativ leicht erfüllen, wenn die Peripherteile zu jeder Zeit fest mit den Busleitungen und diese wiederum fest mit dem Zentralteil verbunden sind.

   Schwierigkeiten können aber dann auftreten, wenn die Peripherteile aus steckbaren Einheiten bestehen, die während des Betriebs gezogen oder gesteckt werden können. Dabei kann nicht gewährleistet werden, daß über die Steckverbindung alle notwendigen Betriebsspannungen im selben Moment an die Baugruppe gelegt werden.

   Dienen zum Datenaustausch zwischen peripheren Einrichtungen und einer zentralen Datenverarbeitungseinrichtung Busleitungen, die über eine Schnittstelle zugänglich sind und sollen dabei periphere Einrichtungen mit CMOS-Schaltkreisen als Schnittstelle an die Busleitung über Schalter, einen Stecker oder dergleichen angeschlossen werden, so muß sichergestellt sein, daß während des Schaltens bzw. Steckens oder Ziehens der peripheren Einrichtungen bzw. Baugruppen wegen fehlender Versorgungsleitungen keine unerwünschten Potentiale als Fehlinformation auf den Datenbus gelangen und auf diese Weise eine störende Beeinflussung der Busleitungen eintritt.

   Dies läßt sich z. B. durch Verwendung von Relaiskontakten, Einzeltransistoren bzw. Transistorschaltungen mit offenem Ausgangskreis oder »Open-Collector«-Schaltgliedern in der Schnittstellenstufe realisieren.

   Dies ist jedoch mit einem zusätzlichen Aufwand verbunden, wenn als Schaltkreise CMOS-Schaltkreise Verwendung finden.

   Integrierte Schaltkreise in CMOS-Technik, die vielfach aus mit COS/MOS-Technik bezeichnet wird, sind beispielsweise bereits aus dem Aufsatz »Die COS/MOS-Technik«, Zeitschrift »Elektronik«, Nur.4, April 1971, Seiten 111 bis 116, bekannt. Aus dieser Literaturstelle ist auch eine Standard-Schutzschaltung mit Dioden bekannt, die wegen der Empfindlichkeit der MOS-Transistoren gegenüber statischen Aufladungen infolge des extrem hohen Eingangswiderstandes an jedem einzelnen Eingang vorgesehen sind.

   Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schutzschaltung für eine Datenverarbeitungseinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bezeichneten Art zu schaffen, die es gestattet, periphere Einheiten an einen Datenbus anzuschließen, ohne daß dadurch die Übertragung von Daten über den Datenbus beeinträchtigt wird.