DE2723386C3

DE2723386C3 - Logik Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2723386C3
Application number: DE19772723386
Authority: DE
Inventors: Thomas Joe Krehbiel
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1976-06-01
Filing date: 1977-05-24
Publication date: 1981-08-13
Also published as: NL7705979A; FR2354001A1; NL173004B; DE2723386A1; JPS52147053A; FR2354001B1; DE2723386B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Logik-Schaltungsanordnung mit einer Differential-Stromschaltstufe, welche einen Schalttransistor und einen Bezugsspannungstransistor aufweist, wobei die Emitter der beiden Transistoren gemeinsam mit einer ersten Energieversorgungsleitung verbunden sind, wobei die Basis des Schalttransistors ein veränderliches Eingangssignal aufnimmt, wobei der Kollektor des Schalttransistors mit einer zweiten Energieversorgungsleitung verbunden ist und wobei parallel zu der Basis-Kollektor-Strecke des Bezugsspannungstransistors eine Schottky-Diode angeordnet ist.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus dem Technical Disclosure Bulletin von IBM, Band 18, Nr. 8, Januar 1976, Seite 2510 bekannt. Bei dieser bekannten Schaltung wird die normalerweise sperrende Schottky-Diode, welche parallel zur Basis-Kollektor-Strecke des Bezugsspannungstransistors angeordnet ist, durch Überspannungen auf der Spannungsversorgung leitend geschaltet. Bei dieser bekannten Schaltung ist zusätzlich zu den Transistoren, die in einer Differentialschaltung angeordnet sind, ein besonderer Ausgangstransistor erforderlich, um eine Pegelanpassung vorzunehmen. Weiterhin benötigt diese bekannte Schaltungsanordnung eine verhältnismäßig hohe Versorgungsspannung.

Eine ähnliche Schaltungsanordnung ist aus der US-PS 22 446 bekannt. Diese bekannte Schaltungsanordnung hat eine an eine nichtstabilisierte Versorgungsspannung angeschlossene Differential-Stromschaltstufe, die wenigstens einen Schalttransistor aufweist, dessen Basis ein zwischen einem oberen und einem unteren Spannungspegel veränderliches Eingangssignal aufnimmt und in Reaktion auf intern erzeugte Signale ein vorgegebenes Ausgangssignal am Kollektor des Schalt- _ transistors erzeugt Dieser bekannten Schaltungsanordnung ist der Nachteil eigen, daß zusätzliche Transistoren erforderlich sind, um entweder die Spannungspegel des Eingangssignals auf ein niedrigeres Potential zu bringen

ίο oder um den Spannungspegel des Ausgangssignals auf einen niedrigeren Pegel zu führen. Weiterhin wird bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ein Ausgangs-Emitterfolger dazu verwendet, die Spannungspegel der Eingangsseite mit denjenigen der Ausgangsseite zu

koordinieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine temperaturkompensierte Logik-Schaltungsanordnung der eingangs näher genannten Art zu schaffen, welche auch bei erheblichen Temperaturschwankungen und großen Schwankungen der Versorgungsspannung einer besonders gleichmäßigen Ausbreitungsverzögerungszeit arbeitet

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß ein dritter und ein vierter Transistor als Schalt- bzw. Bezugsspannungstransistor in einer Differentialschaltung vorgesehen sind, daß die Emitter des dritten und des vierten Transistors miteinander verbunden sind und daß die Basis des dritten Transistors direkt mit dem Kollektor des Schalttransistors in der Differential-Stromschaltstufe verbunden ist.

Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß auch ohne Verwendung eines besonderen Ausgangstransistors eine Pegelanpassung vorgenommen werden kann. Außerdem erweist sich die erfindungsgemäße Schaltung dadurch als vorteilhaft, daß diese Schaltung mit einer besonders geringen Versorgungsspannung auskommt.

Bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist auch der Vorteil erreichbar, daß bei verhältnismäßig geringem Energieverbrauch zugleich ein besonders guter Rauschabstand gewährleistet wird.

Die erfindungsgemäße Schaltung läßt sich weiterhin mit einer besonders hohen Packungsdichte fertigen, wobei zugleich eine minimale Anzahl von Bauelementen erforderlich sind, die mit Hilfe eines vereinfachten Metallisierungsmusters zusammengeschaltet werden können.

Gemäß der Erfindung wird eine integrierte Logikschaltung geschaffen, welche keine Ansprüche an eine geregelte Energieversorgung stellt und zugleich die Möglichkeit beinhaltet, eine logische Invertierfunktion durchzuführen.

Die erfindungsgemäße Schaltung arbeitet auch über einen besonders großen Temperaturbereich, ohne daß eine geregelte Energieversorgung erforderlich ist.
Die erfindungsgemäße Schaltung ist auch in der Lage, besonders starke Schwankungen des Eingangssignals zu verarbeiten, und sie gewährleistet, daß die logische Schaltung ein zuverlässiges Ausgangssignal liefert, wenn die Temperatur abnimmt, während gleichzeitig die Arbeitsgeschwindigkeit erhalten bleibt, indem die Transistorsättigung bei erhöhten Temperaturen vermieden wird.

Weiterhin wird gemäß der Erfindung eine integrierte Differential-Logikschaltung geschaffen, welche dazu in

der Lage ist, Eingangssignalschwankungen zu verarbeiten, die normalerweise die Schaltung bei höheren Temperaturen als der Nenntemperatur in die Sättigung treiben wurden, und die erfindungsgemäße Schaltung ist auch in der Lage, bei wesentlich geringeren Temperaturen ordnungsgemäß zu arbeiten, wobei auch starke Energieversorgungsschwankungen auftreten können, wie sie normalerweise von Differentiallogikschaltungen nicht verarbeitet werden können, die mit einer Strommoduslogik, mit einer Emitter-gekoppelten Logik oder mit einer Emitterfunktionslogik arbeiten

Die erfindungsgemäße Schaltung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, daß ihre Arbeitsgeschwindigkeit weder durch Temperaturschwankungen noch durch Schwankungen der Versorgungsspannung beeinträch- '5 tigt wird.

Weiterhin zeichnet sich die erfindungsgemäße Schaltung dadurch aus, daß eine Differential-Logikschaltung geschaffen ist, welche dazu geeignet ist, zu besonders großen integrierten Schaltungen verarbeitet zu werden, die mit einer Eingangsklemme verbunden werden können, um ein logisches Eingangssignal mit erheblichen Schwankungen aufzunehmen und die auch mit einer Energieversorgungsklemme verbunden werden kann, über welche verhältnismäßig starke Spannungs-Schwankungen geliefert werden, wobei in Phase befindliche und außer Phase befindliche logische Ausgangssignale bei Umgebungstemperaturen geliefert werden, welche oberhalb und unterhalb der Nennbetriebstemperatur liegen, und zwar bei einer im wesentlichen konstanten Schaltgeschwindigkeit

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 ein elektrisches Schaltschema, welche eine bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes in einer Strommodus-Logikschaltung veranschaulicht,

Fig.2 ein elektrisches Schaltschema einer Ausführungsform, bei welcher eine Eingangsstufe in einer Strommoduslogikschaltung und eine gekoppelte Ausgangsstufe in einer Emitterfunktionslogikschaltung angeordnet sind bzw. für eine in Reihe angeordnete logische Strommoduslogikschaltung, und

F i g. 3 eine grafische Darstellung von Basis-Kollektor-Vorwärtsvorspannungen über Zeitverzögerungen bei drei verschiedenen Temperaturen, wobei veranschaulicht wird, daß die erfindungsgemäßen logischen Schaltanordnungen wie eine Strommodusiogik, eine Emitterfunktionslogik, ein Rückführstromschalter und eine in Reihe angeordnete logische Strommodusschaltung oberhalb und jenseits der Nennarbeitstemperaturen und Versorgungsspannungsveränderungen im wesentlichen mit konstanten Geschwindigkeiten arbeiten.

In der F i g. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung dargestellt. Ein geklammertes Schottky-Strommodus-Logikeingangsgatter 10 ist mit einer Vorspannungstreiberschaltung 12 verbunden. Ein digitales Eingangssignal wird von dem geklammerten Schottky-Eingangstransistor 14 an der Eingangsbasisklemme 16 aufgenommen. Ein Bezugs-Spannungstransistor 18 ist an seiner Ba&is mit dem Vorspannungstreiber 12 verbunden, der einen Widerstand 20, eine Diode 22 und einen Widerstand 24 aufweist, die in Reihe zwischen einer Spannungsversorgung Vcc von etwa 0,0 Volt und einer Spannungsquelle Vee von —2,0 Volt angeordnet sind. Gemäß den obigen Ausführungen ist die Spannungsversorgung Vee eine nichtgeregelte Spannungsquelle, welche Toleranzveränderungen im Bereich von ± 10% aufweisen kann, ohne daß die Arbeitsweise der logischen Schaltung nachteilig beeinträchtigt wird. Die Kollektorklemmeti des Transistors 14 und des Transistors 18 sind jeweils mit der Spannungsversorgung Vcc· über einen Widerstand 26 bzw. 28 verbunden, und ihre zusammengeschalteten Emitter sind mit der Spannungsversorgung Vee über den Widerstand 38 verbundea

Der geklammerte Schottky-Transistor 14 stellt schematisch einen herkömmlichen bipolaren npn-Transistor dar, der zwischen seiner Basis und seinem Kollektor eine Schottky-Sperrdiode aufweist Bei herkömmlichen "PL-Schottky-Dioden-Logikschaltungen oder bei entsprechenden Ersatzschaltungen ist ebenfalls eine Schottky-Diode zwischen der Basis und dem Kollektor angeordnet Im vorliegenden Fall ist jedoch gemäß der Erfindung die Funktion der Schottky-Sperrdiode wesentlich anders als bei herkömmlichen "PL-Logikschaltungen. Bei Nenntemperatur ist die Schottky-Diode gemäß der Erfindung praktisch aus der Schaltung heraus, und die Arbeitsweise und die Zuverlässigkeit der Schaltung werden durch die Schottky-Diode nicht nennenswert beeinträchtigt Auch bei Betriebstemperaturen, die wesentlich unter den Nenntemperaturen liegen, hat die Schottky-Diode kaum einen Einfluß auf die Arbeitsweise der Schaltung. Dies ist bei der herkömmlichen "PL-Schottky-Logikschaltung grundsätzlich anders, bei welcher die Schottky-Sperrdiode einen Strom von etwa 1 Milliampere bei Nennarbeitstemperaturen zieht, und zwar ebenso wie bei wesentlich höheren und niedrigeren Betriebstemperaturen.

Im Gegensatz dazu ist die Schottky-Sperrdiode gemäß der Erfindung in Betrieb, wenn die Nennbetriebstemperaturbedingungen, welche durch die Kurve 40 in der F i g. 3 dargestellt werden, in der Weise überschritten werden, wie es beispielsweise durch die Kurve 42 veranschaulicht ist Selbst in diesem Fall führt die Schottky-Sperrdiode gemäß der Erfindung einen Strom, der einen Wert aufweist, der um eine Größenordnung niedriger liegt als bei der typischen 'PL-Schottky-Dioden-Logikschaltung. Gemäß der Erfindung beträgt nämlich der Strom etwa 0,1 Milliampere, im Gegensatz zu etwa 1,0 Milliampere bei T²L-Ausführungen.

Gemäß den obigen Ausführungen braucht die einzige Spannungsversorgung gemäß der Erfindung (Vee) nicht gut geregelt zu sein, und teuere Versorgungseinrichtungen, wie sie bei anderen, oben diskutierten Differentiallogikschaltungen erforderlich wären, erübrigen sich. Gemäß der Erfindung wird Vee derart gewählt, daß diese Spannung -2,OVoIt beträgt und sich in einem Bereich von ±10% ändern kann, ohne daß die Geschwindigkeit beeinträchtigt wird.

Für den Fall, daß die Energieversorgung sich beispielsweise auf —2,2 Volt ändern sollte, würde dann die Schottky-Diode etwa 0,1 Milliampere Strom führen, um den Transistor 14 aus der Sättigung herauszuhalten, so daß eine Beeinträchtigung der Geschwindigkeit vermieden wird, wie es durch die horizontalen Abschnitte der Kurve 40,42 und durch die Kurve 44 in der F i g. 3 veranschaulicht wird.

Für den Fall, daß die nicht-geregelte Energieversorgung Vee sich auf —1,8 Volt ändern sollte, würde dann die Schottky-Diode nicht weiter eine aktive Rolle für die Arbeitsweise der gesamten Schaltung spielen, sondern die ODER- oder NOR-Signale, welche an den Ausgangsklemmen 50 bzw. 48 erzeugt werden, würden

durch die verminderte Spannung nicht nachteilig beeinträchtigt, und zwar aufgrund der Tatsache, daß gemäß der Erfindung das an der Eingangsklemme 16 aufgenommene Signal größer ist als es normalerweise dazu sein müßte, um eine Differentiallogikschaltung der in der F i g. 1 veranschaulichten Art zu treiben. Insbesondere würde typischerweise eine Auslenkung oder Veränderung der logischen Spannung von etwa 400 Millivolt verwendet, während jedoch gemäß der Erfindung eine Größe von etwa 500 Millivolt für diese Spannung verwendet wird, um die entsprechende Betriebssituation zu steuern, wenn die nicht-geregelte Spannungsversorgung Vee wesentlich über den Nennwert von —2,0 Volt ansteigt, d. h. die erhöhte Rauschtoleranz gewährleistet eine zuverlässige Erzeugung von Ausgangssignaien.

Die F i g. 2 veranschaulicht, wie die erfindungsgeimäße Anordnung bei einem geklammerten SchoUky-Strommodus-Logikgatter 50 angewandt wird, dessen NOR-Ausgangsklemme mit einem Schottky-Emitterfunktionslogikgatter52 verbunden ist Das Eingangsgatter 50 weist ein Paar von geklammerten Schottky-Eingangsschalttransistoren 54 und 56 sowie einen Bezugsspannungstransistor 58 auf, wobei die miteinander verbundenen Emitterklemmen mit der Spannungsversorgung Vee über einen Widerstand 60 verbunden sind. In ähnlicher Weise sind die Kollektorklemmen der Transistoren 54 und 56 mit einem Lastwiderstand 62 verbunden, und die Kollektorklemme des Transistors 58 ist mit derselben Energieversorgung über einen Widerstand 64 verbunden. Das Eingangslogikgatter 50 liefert eine ODER-Funktion an der Ausgangsklemme 66, und die NOR-Funktion wird der Ausgangsklemme 68 zugeführt, welche mit dem Gatter 52 verbunden ist

Das Ausgangsgatter 52 weist Eingangsschalttransistoren 70, 72 und 74 auf, deren Emitter jeweils mit Vee über Widerstände 76, 78 und 80 verbunden sind. Der geklammerte Ausgangs-Schottky-Transistor 82 hat seine Mehrfachemitterklemmen mit den Emitterklemmen der Transistoren 70, 72 und 74 verbunden. Die Basisklemme des Transistors 82 ist mit der Bezugsspannungsquelle '/«β verbunden, und sein Kollektor erzeugt ein logisches Ausgangssignal an einer Ausgangsklemme

84. Der Widerstand 86 und die Diode 88, welche zwischen der Spannungsversorgung Vcc und dem Kollektor des Transistors 82 angeordnet sind, verhindern, daß der Transistor 82 in die harte Sättigung geht und halten die Ausgangsklemme 84 zwischen 600 und 800 Millivolt.

Obwohl dies in der Zeichnung nicht speziell dargestellt ist, ist die erfindungsgemäße Anordnung in gleicher Weise für Schaltungen verwendbar, die als logische Rückführstrommodus-Schaltungen aufgebaut sind, wobei die Basis des bei 18 dargestellten Transistors bei der in der F i g. 1 veranschaulichten Strommoduslogikschaltung ohne Rückführung mit dem Kollektor des Eingangsschalttransistors wie des Schalttransistors 16 verbunden wird.

Wenn die in der Fig.! dargestellte Schaltung bei Strompegeln von 1 Milliampere arbeitet, bei einer Versorgungsspannung von —2,0 Volt so werden bei einem minimalen Energieverbrauch von etwa 2,0 Milliwatt Gatterverzögerungen von 1 Nanosekunde erreicht. Eingangssignalveränderungen von 500 Millivolt erzeugen Ausgangssignalschwankungen an den Klemmen 48 oder 50 von 500 Millivolt
Ähnliche Arbeitsergebnisse werden für die in der Fig.2 veranschaulichte Schaltung erreicht Wenn im Ausgangstransistor 82 nur ein einziger Emitterstrom führt wird an der Ausgangsklemme 84 eine Signalveränderung von 500 Millivolt erreicht Wenn mehr als ein Emitter des Transistors 82 Strom führt würde die Ausgangssignalveränderung, welche an der Ausgangsklemme 84 erzeugt wird, die Tendenz zeigen anzusteigen, während jedoch die Diode 88 dazu dient, die Ausgangsspannungs-Signalschwankung an der Klemme 84 im Bereich von 600—800 Millivolt zu halten.

Bei der Rückführ-Strommoduslogik werden ähnliche Ergebnisse erreicht wie sie oben für die in der F i g. 1 veranschaulichte Schaltung dargestellt wurden, mit der Ausnahme, daß die Schaltzeit oder die Ausbreitungsverzögerungen etwas größer sind als eine Nanosekunde, und zwar bei entsprechenden Eingangsbedingungen, auf der Natur der Rückführ-Strommoduslogikschaltung selbst

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Logik-Schaltungsanordnung mit einer Differential-Stromschaltstufe, welche einen Schalttransistor und einen Bezugsspannungstransistor aufweist, wobei die Emitter der beiden Transistoren gemeinsam mit einer ersten Energieversorgungsleitung verbunden sind, wobei die Basis des Schalttransistors ein veränderliches Eingangssignal aufnimmt, wobei der Kollektor des Schalttransistors mit einer zweiten Energieversorgungsleitung verbunden ist und wobei parallel zu der Basis-Kollektor-Strecke des Bezugsspannungstransistors eine Schottky-Diode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter und ein vierter Transistor (70, 82) als Schalt- bzw. Bezugsspannungstransistor in einer Differentialschaltung vorgesehen sind, daß die Emitter des dritten und des vierten Transistors miteinander verbunden sind und daß die Basis des dritten Transistors (70) direkt mit dem Kollektor des Schalttransistors (56) in der Differential-Stromschahstufe (56,58) verbunden ist

2. Logik-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des vierten Transistors (82) mit der Bezugsspannungsklemme (Vbb) verbunden ist.

3. Logik-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung in einem Bereich zwischen 1,8 und 2,2 Volt liegt

4. Logik-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung zur Verarbeitung von Schwankungen des veränderlichen Eingangssignals ausgebildet ist, deren Nennwert 500 Millivolt beträgt.