DE2640653A1 - Binaere frequenzteilerschaltung - Google Patents

Description

te uipl.-Ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Giipfher ζ Dipl.-Phys. Dr.Tino |-lC

Dip!.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

8. SEP. 1976

Datum:

Unser Zeichen: 15 588 - Fk/Ne

Centre Electronique Horloger S.A. Neuchätel / Schweiz

Binäre Frequenzteilerschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf eine binäre Frequenzteilerschaltung mit komplementären Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode gemäß Hauptpatent

(deutsche Patentanmeldung P 22 57 256.1). In dieser Hauptpatentschrift ist eine binäre Frequenzteilerschaltung mit komplementären Feldeffekttransistoren mit isolierten Steueroder Gitterelektroden beschrieben, die aus einer konstanten Spannungsquelle betrieben wird, und die einen Eingang zur Zuführung eines Eingangssignals sowie zumindest drei logische Knoten aufweist, wobei jeder logische Knoten eine Verbindung zwischen den Anodenelektroden von zumindest einem n-Transistor und zumindest einem p-Transistor ist und jeder logische Knoten durch zumindest einen anderen dieser Knoten gesteuert und so aufgebaut ist, daß er als Ausgang verwendbar ist und wobei die Kathodenelektrode eines ersten Transistors zumindest eines der Knoten mit einer Klemme der Spannungsquelle verbunden ist, während die Kathodenelektrode des zweiten Transistors des gleichen Knotens mit der Anodenelektrode eines dritten Transistors vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der zweite Transistor und von entgegengesetztem LeitfäWigkeitstyp wie der erste Transistor verbunden ist. Die Kathodenelektrode dieses

709812/0992 ./.

dritten Transistors ist mit der anderen Klemme der Spannungsquelle verbunden und zwei Signale, einerseits das Eingangssignal und andererseits ein Signal, das von einem der anderen logischen Knoten stammt, steuert jeweils die Gitterelektrode eines der Transistoren vom gleichen Typ, wobei das eine dieser Signale außerdem die Gitterelektrode des Transistors vom entgegengesetzten Ißitfähigkeitstyp steuert, so daß der durch diese beiden Signale gesteuerte Knoten schwimmen kann, wenn der erste durch das eine dieser Signale gesteuerte Transistor und der von dem anderen Signal gesteuerte Transistor der beiden Transistoren vom zum ersten Transistor entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp gesperrt sind.

Es ist bereits eine Anzahl von durch zwei teilenden Frequenzteilerschaltungen mit komplementären Transistoren bekannt. Hierbei können statische und dynamische Frequenzteilerschaltungen unterschieden werden. Die statischen Frequenzteilerschaltungen können dadurch erzielt werden, daß die logischen Gleichungen direkt mit Hilfe von Verknüpfungsgliedern mit zwei Pegeln ausgeführt werden. Die Betriebsweise dieser Schaltungen ist sichergestellt, wenn die Eingangsfrequenz unterhalb eines Grenzwertes liegt. Die einfachste dieser Schaltungen umfaßt 16 Transistoren, (siehe Literaturstelle ISSOCDigest, I967, Seiten 52 und 53) doch erfordert diese Schaltung zwei zueinander komplementäre Eingangssignale und weiterhin eignet sich der Aufbau dieser Schaltung schlecht für eine kompakte Integration. Es kann jedoch ein einziger Eingang erforderlich sein und die einfachste dieser statischen Schaltungen mit einem einzigen Eingang weist dann 19 Transistoren auf und ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in der Fig. 5 der deutschen Offenlegungsschrift 2 227 702 gezeigt. Die dynamischen Frequenzteilerschaltungen können dadurch erzielt werden, daß aus den statischen Frequenzteilerschaltungen alle Transistoren entfernt werden, die an den Umschal tvorgängen nicht teilnehmen. Diese Schaltungen sind sehr viel einfacher, ihre Betriebs-Grenzfrequenz ist höher und ihr Leistungsverbrauch ist geringer, doch können sie nur dann betrieben werden, wenn die Arbeitsfrequenz über einem unteren

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Grenzwert liegt (der bei einigen kHz liegt). Die einfachsten dynamischen Schaltungen weisen 9 Transistoren auf und ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in Fig. 9 der deutsehen Offenlegungsschrift 2 257 256 gezeigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Vereinfachung der statischen Frequenzteilerschaltungen zu schaffen, die keine untere Grenzfrequenz sowie keinen zusätzlichen statischen Verbrauch ergibt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Frequenzteilersehaltung gemäß dem Hauptpatent dadurch gelöst, daß für den einen der beiden logischen Zustände des Einganges' jeder Knoten über einen oder mehrere leitende Transistoren mit dem einen oder anderen Pol der konstanten Spannungsquelle derart verbunden ist, daß die Knoten dieser Frequenzteilersehaltung dann nicht schwimmend s ind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Frequenzteilersehaltung ergibt sich gegenüber bekannten statischen Frequenzteilerschaltungen eine Verringerung der Anzahl der Transistoren, ohne daß sich eine untere Betriebs-Grenzfrequenz oder ein zusätzlicher statischer Leistungsverbrauch ergibt. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird das bekannte Prinzip des Fortlassens eines oder mehrerer Transistoren, die nicht an den Umschaltvorgängen teilnehmen, beibehalten, so daß der Betriebsleistungsverbrauch niedrig bleibt, doch werden einige Transistoren derart beibehalten, daß. sichergestellt ist, daß für einen der beiden Zustände der Eingangsvariablen kein Knoten schwimmend ist, während für den zweiten Zustand dieser Eingangsvariablen einer oder mehrere Knoten schwimmen können. Die auf diese V/eise vereinfachte Schaltung arbeitet einwandfrei, ohne untere Betriebsgrenzfrequenz, wobei die einzige Bedingung darin besteht, daß der Eingang nur für eine sehr kurze Dauer (Impuls) in dem zweiten Zustand

verbleibt. 709812/0992

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Frequenzteilerschaltung;

Fig. 2 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Betriebsweise der ersten AusfUhrungsform;

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform der Frequenzteilerschaltung;

Fig. 4 Impulsdiagramme zur Erläuterung der Betriebsweise der zweiten Ausführungsform.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen frequenzteiler schaltung dargestellt. Diese Schaltung wurde ausgehend von einer dynamischen Frequenzteilerschaltung entwickelt, wie sie in der deutschen Cffenlegungsschrift 2 257 in Fig. 9 gezeigt ist, die die Transistoren 1, 2, 4, 5, 8, 9, 10, 12 und 13 umfaßt, denen vier Transistoren 3Λ, 15, l8 und 19 hinzugefügt wurden, die dazu bestimmt sind, die stabilen Zustände aufrechtzuerhalten, wenn am Eingang I der Pegel "c" anliegt. Diese vier Transistoren waren in der entsprechenden statischen Frequenzteilerschaltung vorhanden (Fig. 8 der deutschen Offenlegungsschrift 2 257 256) sie wurden lediglich nicht fortgelassen.

Fig. 2 zeigt die logischen Signale, die der Schaltung nach Fig. 1 entsprechen. Die voll durchgezogenen Linien stellen die durch die Transistoren aufrechterhaltenen Zustände dar, während die gestrichelten Linien die Zustände darstellen, die durch die Streukapazitäten an dem Knoten A oder E aufrechterhalten werden.

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Wenn die positiven Impulse am Eingang I ausreichend kurz sind, arbeitet die Schaltung einwandfrei ohne untere Grenzfrequenz. Andererseits wird, weil diese Frequenzteilerschaltung durch Fortlassen bestimmter Transistoren der entsprechenden statischen Schaltung erzielt wurde (Transistoren j5> 6, J, 11, 16 und 17 gemäß Fig. 8 der DOS 2 257 256) der statische Stromverbrauch durch die sehr schwachen Leckströrne der Transistoren bectimmt, (weil keine weiteren leitenden Verbindungen zwischen den positiven und negativen Klemmen der Betriebsspannung vorhanden sind) .

Fig. 5 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Frequenzteilerschaltung. Die den Ausgangspunkt bildende dynamische Frequenzteilerschaltung, die durch die Transistoren 1, 2, 4, 5, 8, 9, 10, 12 und 13 gebildet ist, ist ebenfalls bekannt ("Electronics Letters" 25. August 1973, Vol. 9, Nr. 17 Fig. l6; die Variablen B und C dieser Fig. l6 entsprechen den Variablen D bzw. E der beigefügten Fig. 3). Dieser bekannten Schaltung wurden die vier Transistoren 14, 15j 16 und IJ hinzugefügt, um die stabilen Zustände beizubehalten, während I den logischen Pegel "θ" aufweist.

Fig. 4 zeigt die entsprechenden logischen Signale, die mit denen der Fig. 2 vergleichbar sind, wobei lediglich die Reihenfolge des Zurückkehrens auf den Pegel "θ" bei den Variablen B und E vertauscht ist.

Im folgenden wird die Betriebsweise dieser beiden Schaltungen ausführlicher erläutert.

Für die in Fig. 1 dargestellte Schaltung wird von dem Zustand I =0, A =l,B=0, D=I,E=O ausgegangen. Entsprechend leiten die Transistoren 1, 5* 8, 10, 15 und l8 während die Transistoren 2, 4 9 j 12, ljj, 14 und I9 gesperrt sind. Dieser Zustand ist stabil.

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annimmt

Wenn der Pegel am Eingang I den Viert ⁿlⁿf₃ werden die Transistoren 1 und 5 gesperrt, während die Transistoren 2 und 12 leitfähig werden. Weil die Transistoren 12 und 10 leitend sind, während die Transistoren 5 und 13 gesperrt sind, nimmt die Variable D den Viert "θ" an. Das Übergehen des Pegels von D auf "θ" sperrt die Transistoren 8 und 18, während die Transistoren 9 und 19 leitfähig gemacht werden. Die Veränderliche B nimmt daher den Wert "l" an, wodurch der leitfähige Zustand des Transistors 14 (parallel zum bereits leitenden Transistor 12) undjäie Sperrung des Transistors 15 (in Reihe mit dem bereits gesperrten Transistor 5) hervorgerufen wird. Dieser neue Zut

vorübergehend .

stand istySuabil. V/eil jedoch die Transistoren 1 und 4 gesperrt sind, ist der Knoten A schwimmend. Dieser Knoten verbleibt im logischen Zustand "l", insofern die Leckströme nichfc

genügend Zeit haben, den Ladungszustand der Streukapazität des Knotens A wesentlich zu ändern. Dies trifft ebenfalls für den Knoten E (mit dem Pegel "θ") zu, weil die Transistoren 8 und 5 gesperrt sind.

Wenn der Eingang I auf den Pegel "θ" zurückkehrt, werden die Transistoren 2 und 12 gesperrt, während die Transistoren 1 und 5 leitfähig werden. Der Knoten E wird über die Transistoren 5 und 9 auf den Pegel ^vl" gebracht, so daß der Transistor k leitfähig gemacht wird, was jedoch keine Wirkung ergibt, weil der Transistor 2 gesperrt ist. Dieser Zustand ist unabhängig von den Leckströmen stabil.

Wenn der Eingang I erneut den Pegel "l" einnimmt, werden die Transistoren 1 und 5 gesperrt und die Transistoren 2 und 12 werden leitfähig. Weil der Transistor 4 bereits leitet, nimmt A den Pegel "θ" an, so daß der Transistor 10 gesperrt wird, während der Transistor 1J5 leitend gemacht wird. D nimmt dann den Pegel "l" an,°durch eine Sperrung der Transistoren 9 und 19 hervorgerufen wird und die Transistoren 8 und l8 leitfähig gemacht werden. B nimmt daher den Pegel ¹¹O" an, wodurch der Transistor 14 blockiert wird (ohne Wirkung, weil der Transistor 12 leitend ist) und wodurch der Transistor 15 leitend

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gemacht wird (ohne Wirkung weil der Transistor 5 gesperrt ist).

vorübergehend
Dadurch wird ein neuerestabiler Zustand erreicht, für den die Variable E schwimmend den Pegel "l" aufweist (die Transistoren 5, 9 und 10 sind gesperrt).

Bei Rückkehr des Einganges I auf den Pegel "θ" werden die Transistoren 1 und 5 wieder leitend, während die Transistoren 2 und 12 gesperrt werden. Der Knoten Λ nimmt den Pegel "l" an, wodurch der Transistor 15 gesperrt und der Transistor 10 leitend gemachtjwird, Weil die Transistoren 8 und 10 leitend sind, nimmt E den Pegel "θ" an, so daß der Transistor 4 gesperrt wird (ohne Wirkung, weil der Transistor 2 bereits gesperrt ist). Auf diese Weise wird ein neuer stabiler Zustand erreicht, der zum Ausgangszustand identisch ist.

Während dieser Betriebsperiode hat die Eingangsvariable I ihren Pegel viermal geviechselt, während die Ausgangsvariable A nur zweimal ihren Pegel gewechselt hat. Es wurde daher eine Teilung durch 2 erzielt.

Der Leitfähigkeitszustand (C) oder Sperrzustand (B) jedes Transistors während dieser Betriebsperiode ist in der folgenden Tabelle dargestellt:

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-Z-

I	A	B	D	E	ι :	C	J	I	C C	C	i	B I	1	5	1	9	2 4 j	B	C	C	- C	B	10	C I	1	2	14	L8
.0	1	0	1	0	3 *						I	C	B	3					C	I	B	B	C
r-l	r-l	0		.0	3 13							BBC							C
	1	0	0	0	CCBB						C		•
1	1	1	0	0	B B				C							B
,0 I	i-l	1	0	0
0	1	1	0	1			B						C
r-l	1	1	0	1						B		B.
1	0	r-l	0	1
1	O	1	1	1	C C				B
1	0	0	1	1								C
0	0	0	1	1
0	1	0	1	1	B I
0	1	0	1	0
						B
			B					C
		c-			1	B	B

stabil.Zug'

stabil.Zust

Ausgehend von dem gleichen logischen Zustand kann für die "ig. ~t, eine vergleichbare .Eetriebsfolge aufgestellt werden, ϊ us Vere^ri'aeh gründen v;ird diese Folge nur in der folgenden Tabelle zusarr.mengefci3

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COPY

'.ί

A

B

D

E

1 ί

3

C

C C

C

B

C C

B

15

]

•

B

2

4 1

B

C

C

C

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B

]

L6

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C

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E

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C

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ο

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1

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O

B B

6

C B B <

O 1

1

1

O

O

O

1

1

O

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B

1

1

1

O

r-t

1

O

1

O

1

B

1

O

1

1

1

1

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1

O

O

O

1

1

O

C

O

i-l

1

1

O

O

1

O

1

O

C

B

stabil

stabil

CtEt)I

BAD ORIGINAL

264U653

Bei beiden beschriebenen Schaltungen liefert der Knoten A ein Signal, das lange im Zustand 1 und kurzzeitig im Zustand G verbleibt. Dieses Signal kann direkt dem Zingang einer v,^reitercn Frequenzteiler-Stufe zugeführt werden, deren Schaltung die zu der Schaltung der treibenden Stufe duale Form aufv7eist, Die duale Schaltung v.'ird bei den Figuren 2 oder 3 durch Vertauschen der η-Kanal und p-Kanal-Transistoren sowie der Polaritäten der Betriebsspannungen erzielt.

Patentansprüche:

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ORiGSNAL INSPECTED COPY

Claims (5)

1. Patentansprüche

   y Binäre Frequenzteilerschaltung mit komplementären Feldeffekttransistoren mit isolierten Steuerelektroden, die einen Eingang zur Zuführung eines Eingangssignals sowie zumindest drei logische Knoten aufweist, wobei jeder logische Knoten eine Verbindung zwischen den Anodenelektroden von zumindest einem η-Transistor und zumindest einem p-Transistor ist und jeder logische /knoten durch zumindest einen anderen dieser Knoten gesteuert und so aufgebaut ist, daß er als Ausgang verwendbar ist und wobei die Kathodenelektrode eines ersten TransJisbors zumindest eines der Knoten mit einer Klemme der Spannungsquelle verbunden ist, während die Kathodenelektrode des zweiten Transistors des gleichen Knotens mit der Anodenelektrode des dritten Transistors vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der zweite Transistor und von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp der erste Transistor verbunden ist, und bei der die Kathodenelektrode dieses dritten Transistorsyder anderen Klemme der Spannungsquelle verbunden ist und zwei Signale, einerseits das Eingangssignal und andererseits ein Signal, das von einem der anderen logischen Knoten stammt, jeweils die Gitterelektrode eines der Transistoren vom gleichen Leitfähigkeitstyp steuern,wobei das eine dieser Signale außerdem die Gitterelektrode des Transistors vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp steuert, so daß der durch diese beiden Signale gesteuerte Knoten schwimmen kann, wenn der erste durch das eine dieser Signale gesteuerte Transistor und der von dem anderen Signal gesteuerte Transistor der beiden Transistoren vom ersten Transistor entgegengesetzten

   Leitfähigkeitstyp gesperrt sind, gemäß Hauptpatent

   (deutsche Patentanmeldung P 22 57 256.1-31), dadurch gekennzeichnet, daß für einen der beiden logischen Zustände des Einganges (I) jeder Knoten (A, B, D, E)

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   durch einen oder mehrere leitende Transistoren (14, 15, 18, 19; 14, 15j l6, 17) mit dem einen oder dem anderen Pol der konstanten Spannungsquelle derart verbunden ist, daß die PCnoten (A, B, D, E) dann nicht schwimmend sind.
2. 2. Frequenzteilerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzteilerschaltung zumindest eine Eingangsklemme (i) und zumindest eine Ausgangsklemme (A) sowie 13 Transistoren aufweist, von denen sechs (1, 5i 9j 13» 15» 19) von einem ersten p- oder n-Leitfähigkeitstyp und sieben andere (2, 4, 8, 10, 12, 14, 18) vom komplementären n- bzw. p-Leitfähigkeitstyp sind, daß jeder Transistor eine Kathodenelektrode (Sl, S2, S4...,) eine Gitterelektrode (Gl, G2, G4...) und eine Anodenelektrode (Dl, D2, D4...) aufweist, daß die Frequenzteilerschaltung eine positive Betriebsspannungsklemme (B+), eine negative Betriebsspannungsklemme (B-) aufweist, daß die Kathodenelektroden (Sl, SI3, S5, SI9) mit einer dieser Betriebsspannungsklemmen verbunden = ~nd, daß die Kathodenelektroden (S2, SlO, SI8) mit der anderen dieser Betriebsspannungsklemmen verbunden sind, daß die Transistoren, deren Kathodenelektroden mit der positiven Betriebsspannungsquelle (B+) verbunden sind, vom p-Leitfähigkeltstyp sind und daß die Transistoren wie folgt verbunden sind:

   s4/D2

   DI3/DI5/DIVDI2/G8/G9/GI8/GI9
   S12/S14/S8/D10

   D5/S15/S9

   D8/D9/G4

   D19/D18/G14/G15

   I/G1/G2/G12/G5.

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3. 3. Frequenzteilerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzteilerschaltung eine Eingangskleirane (I)₅ zumindest eine Ausgangsklemme (A) und 13 Transistoren aufweist, von denen sechs (;, 5* 9» 13* 15, 17) von einem ersten p- oder n-Leitfähigkeitstyp sind, während die sieben anderen (2, 4, 8, 10, 12, 14, l6) vom komplementären n- "bzw. p-Leitfähigkeitstyp sind, daß jeder Transistor eine Kathodenelektrode (Sl, S2, S4...), eine Gitterelektrode (Gl, G2, G4...), und eine Anodenelektrode (Dl, D2, D4...), aufweist, daß die Frequenzteilerschaltung eine positive Betriebsspannungsklemme (B+), eine negative Betriebsspannungsklemme (B-) aufweist, daß die Kathodenelektroden (Sl, SI3, S5, SI9) mit einer dieser beiden Betriebsspannungsklemmen verbunden sind, daß die Kathodenelektroden (S2, SlO, SI8) mit der anderen Betriebsspannungsklemme verbunden sind, daß die Transistoren, deren Kathodenelektroden mit der positiven Betriebsspannungsklemme (B+) verbunden sind, vom p-Leitfähigkeitstyp sind und daß die Transistoren wie folgt verbunden sind: A/D1/D4/O1O/G13
   S4/D2

   D17/D16/G15

   DI3/DI5/DI4/DI2/G8/G9/GI6/GI7
   S12/S14/S16/D1O

   D5/S15/S9
   D9/D8/G4/G14

   I/G1/G2/G12/G5
4. 4. Frequenzteilersehaltung nach Anspruch 2 oder 3j dadurch gekennzeichnet, daß die sechs Transistoren vom ersten Leitfähigkeitstyp vom p-Leitfähigkeitstyp sind.
5. 5. Frequenzteilerschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennze lohne t, daß die sechs Transistoren vom ersten Leitfähigkeitstyp vom n-Leitfähigkeitstyp sind.

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   6, Frequenzteilerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze ichne t , daß mehrere Frequenzteilerschaltungen mit abwechselnder dualer Form in Reihe geschaltet sind.

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   ORiGJNAL eNSPECTED