DE2723973A1

DE2723973A1 - Integrierte schaltung

Info

Publication number: DE2723973A1
Application number: DE19772723973
Authority: DE
Inventors: Cornelis Maria Hart
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1976-06-09
Filing date: 1977-05-27
Publication date: 1977-12-22
Also published as: JPS52150956A; DE2723973C3; IT1082372B; FR2354634B1; JPS5737258B2; NL7606193A; FR2354634A1; GB1572059A; CA1090431A; US4137465A; DE2723973B2

Description

I6-2-I977.

Integrierte Schaltung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Schaltung mit Transistoren, deren Basis-Elektroden mit Strominjektoren und mit einem Kollektor eines oder mehrerer anderer Transistoren verbunden sind, wobei die Schaltung in mherere elementare Gruppen aufgeteilt ist, die in bezug auf die Speisung in Reihe geschaltet sind, so dass die Gruppen übereinander angeordnete Stufen bilden, über die eine Teilung der Speisespannung auftritt, wobei für die Signalübertragung von einer ersten Stufe auf eine tiefer liegende zweite Stufe der Kollektor eines ersten das Signal liefernden Transistors einen Hilfstransistor vom ent-

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gegengesetzten Leitungstyp ansteuert, dessen Kollektor mit der nicht mit einem Strominjektor verbundenen Basis eines zweiten Transistors in der zweiten Stufe verbunden ist.

Derartige integrierte Schaltungen sind in

der Literatur unter der Bezeichnung "I L-Schaltungen" bekannt (siehe z.B. die französische Patentanmeldung 2.138.905^ Es handelt sich um Schaltungen, die u.a. mindestens einen Strominjektor enthalten, der meistens aus einer Anzahl aufeinanderfolgender Halbleiterschichten (z.B. drei oder fünf Schichten) abwechselnden Leitungstyps besteht, die verschiedene aufeinanderfolgende gleichrichtende Übergänge bilden. Der erste dieser Übergänge wird in der Durchlassrichtung vorgespannt, so dass Ladungsträger über diesen übergang injiziert

werden. Dabei ist vor allem der Strom von Ladungsträgern von Bedeutung, der aus dem Typ von Ladungsträgern besteht, die in der zweiten Schicht des Strominjektors und in den Schichten des Strominjektors, die den gleichen Leitungstyp wie die zweite Schicht aufweisen, die Minorität bilden.

Der Strom, der auf diese Weise dauernd in die Struktur einer derartigen integrierten Schaltung injiziert wird, dient zur Einstellung des Arbeitspunktee der Transistoren, die die genannte Schaltung enthält. Dieser eingestellte Arbeitspunkt kann dann durch

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das Anlegen von Steuersignalen geändert werden.

Es ist bekannt, dass dank der Anwendung einer Strominjektorstruktur die integrierten Schaltungen mit Strominjektoren mit sehr niedrigen Speise— spannungen, z.B. etwa 0,7 V für eine integrierte aus Silicium hergestellte Schaltung, arbeiten. Dies trägt dazu bei, dass mit diesen Schaltungen Anordnungen hergestellt werden können, deren Speisungsleistung und somit auch deren Verlustleistung sehr niedrig sind.

Veiter ist es bekannt, dass ein sehr interessanter Vorteil dieser Technik darin besteht, dass die Anzahl von Leiterbahnen, die dazu benötigt wird, den verwendeten Transistoren die zur Einstellung der Arbeitspunkte erforderlichen Einstellströme zuzuführen, erheblich herabgesetzt wird. Dadurch wird die Herstellung vereinfacht und wird ausserdem die für die Schaltung benötigte Halbleiteroberfläche erheblich verkleinert.

Eine der eingangs angegebenen ähnliche integrierte Schaltung ist aus der deutschen Patentanmeldung P 2.4^3.171 bekannt. Die aus dieser Patentanmeldung bekannte Schaltung weist den Nachteil auf, dass der zweite Transistor in der zweiten Stufe von dem Hilfstransistor zwar schnell eingeschaltet wird, aber beim Ausschalten des Hilfstransistors kann die Basisladung des zweiten Transistors nicht niederohmig abfliessen, so dass dieser Transistor nur langsam ausgeschaltet

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wird. Dadurch lassen sich keine hohe Schaltgeschwindigkeiten erzielen, wenigstens nicht für die betreffende Signalflanke.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung für das obengenannte Problem zu schaffen. Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass die Basis des zweiten Transistors ausserdem mit dem Kollektor eines dritten Transistors vom gleichen Leitungstyp wie der zweite Transistor verbunden ist, wobei die Basis des dritten Transistors einerseits mit einem Kollektor des zweiten Transistors und andererseits mit dem Kollektor eines zweiten Hilfstransistors vom entgegengesetzten Leitungstyp verbunden ist und der zweite Hilfstransistor von dem Kollektor eines vierten Transistors gesteuert wird, der in einer Stufe über der zweiten Stufe liegt, und ein zu dem vom ersten Hilfstransistor gelieferten Signal inverses Signal liefert.

Durch die Massnahme nach der Erfindung wird die Zuverlässigkeit des logischen Endzustandes vergrössert. Weiter wird durch die auftretende regenerative Wirkung eine zusätzliche Vergrösserung der Geschwindigkeit erzielt.

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine I L-Schaltung vom

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erfindungsgemässen Typ,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Schal« tung nach der Erfindung, und

Fig. 3 eine veitere Ausgestaltung des Aus—

führungsbeispiels nach Fig. 2.

2 ·. ' Fig. 1 zeigt eine I L-Schaltung, die drei

Stufen enthält, die in Reihe zwischen den Polen einer Speisespannungsquelle angeordnet sind, so dass eine höhere Speisespannung besser ausgenutzt werden kann, wodurch u.a. Leistung eingespart wird. Xn der oberen Stufe, die direkt mit dem postiven Pol +V der Speise-Spannungsquelle verbunden ist, sind drei Stufen parallel geschaltet, die durch die Transistoren T₁₁, T₁₂ und T₁- dargestellt werden. Jede Stufe enthält Strorainjek toren, die durch die Stromquellen I₁₁I I₁₂ ^un(* ¹I** ^dar~ gestellt sind. Die niedriger liegenden Stufen, die durch die Transistoren T₁ r und T₁- dargestellt werden, sind in Reihe mit der oberen Stufe angeordnet. Die Basis-Elektroden der Transistoren Tr und T₁- sind mit den Strominjektoren 1..^ bzw. I₁- verbunden. Wenn die Schaltgeschwindigkeit der Transistoren von der Grosse des Injektionsstroms abhängt, werden die drei Transistoren in der oberen Stufe langsamer als die Transistoren in den darunterliegenden Stufen schalten. Dies braucht aber nicht bedenklich zu sein und kann z.B.

in Teilern ausgenutzt werden, in denen die ersten Stufen

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— /ο —

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bestimmt schneller als die darauffolgenden Stufen arbeiten sollen.

Der Signaltransport von einer höheren Stufe zu einer niedrigeren Stufe ergibt jedoch Probleme, wie an Hand der Fig. 2 beschrieben werden wird. Die Schaltung nach Fig. 2 enthält zwei Stufen, die in bezug auf die Speisung in Reihe geschaltet sind. Die erste Stufe enthält die Transistoren 10, 11, 12 und 13 und die beiden Strominjektoren 20 und 22. Der Emitter 3I des Transistors 10 und der Emitter 36 des Transistors 12 sind mit einem Speisungspunkt 2 verbunden. Die Basis 30 des Transistors 10 ist einerseits über den Strominjektor 20 mit einem Speisungspunkt 1 und andererseits mit dem Eingang verbunden, dem das logische Signal A zugeführt wird. Der Kollektor 33 des Transistors 10 ist mit der Basis des Transistors 12 und weiter über den Strominjektor 22 mit dem Speisungspunkt 1 verbunden. Der Kollektor 32 des Transistors 10 ist mit dem Emitter des Transistors 11 vom entgegengesetzten Zeitfähigkeitstyp verbunden, dessen Basis 35 mit dem Speisungspunkt 2 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 11 ist weiter über die Stromquelle 21 mit dem Speisungspunkt 1 verbunden.

Der Kollektor 37 des Transistors 12 ist einerseits mit dem Emitter des Transistors 13 ^un<* andererseits über die Stromquelle 23 mit dem Speisungspunkt

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1 verbunden. Die Basis 38 des Transistors 13 ist mit dem Speisungspunkt 2 verbunden. Wie in Fig. 3 näher angegeben ist, kann der Strominjektor 20 mit Hilfe eines pnp-Transistors gebildet werden, dessen Kollektor mit der Basis JO des Transistors 10, dessen Basis mit dem Emitter des Transistors 10 und dessen Emitter mit dem Speisungspunkt 1 verbunden ist. Auf gleiche Weise kann die Stromquelle 21 gebildet werden, wie in Fig. 3 näher angegeben ist.

Die zweite Stufe aus der Schaltung nach Fig. 2 enthält die Transistoren lh und 15, deren Emitter 43 und ^5 mit dem Speisungspunkt 3 verbunden sind. Der Kollektor ^O des Transistors ~\h ist mit der Basis h6 des Transistors 15 verbunden. Der Kollektor kk des Transistors I5 ist mit der Basis hZ des Transistors 14 verbunden.

Der Kollektor 3k des Hilfstransistors 11 ist mit der Basis k2 des Schalttransistors 14 in der niedriger liegenden Stufe über den Leiter P verbunden.

Wie in der vorgenannten deutschen Patentanmeldung beschrieben ist, ist im Gegensatz zu den anderen Transistoren aus dieser Stufe die Basis des Transistors 1*» nicht mit einem Strominjektor verbunden, weil es sonst unmöglich ist, diesen Transistor 14 auszuschalten.

Wenn angenommen wird, dass das Signal A einen hohen Vert aufweist, wirdt der Transistor 10 von dem Strominjektor

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20 eingeschaltet, und der Strom des Strominjektors 21 fliesst durch den Transistor 10. Dies bedeutet, dass sich der Hilfstransistor 11 im nichtleitenden Zustand befindet. Da kein Strom in dem Leiter P fliesst, ist der Transistor 14 auch nichtleitend.

Wenn angenommen wird, dass das Eingangssignal A einen niedrigen Wert aufweist, ist der Transistor 10 nichtleitend, und der Strom des Strominjektors 21 fliesst nun durch den Hilfstransistor 11 zu der Basis des Transistors 14, der schnell eingeschaltet wird, so dass am Kollektor 41 das Signal A mit nur geringer Verzögerung auftritt. Der Einfachheit halber sei hier angenommen, dass die Verbindungen zwischen dem Kollektor 40 des Transistors 14 und der Basis 46 des Transistors 15 und zwischen dem Kollektor 44 des Transistors 15 und der Basis 42 des Transistors 14 fehlen. Nimmt das Signal A nun wieder einen hohen Wert an, so wird der Transistor 10 schnell vom Strominjektor 20 eingeschaltet, und der Strom des Strominjektors 21 durchfliesst dadurch den Transistor 10, so dass der Strom in dem Leiter P schnell verschwindet. Die Basisladung des Transistors 14 kann aber nur sehr langsam abfliessen, so dass der Kollektorstrom des Transistors 14 auch langsam abnehmen wird, wodurch diese Flanke des Signals A nach einer gewissen Verzögerung an dem Kollektor 41 des Transistors 14 erscheinen wird. Dies

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bedeutet, dass die Gesamtübertragungszeit der unteren Stufe wesentlich verschlechtert vird.

Die genannte Übertragungszeit kann erheblich verbessert verden, wenn entsprechend der Erfindung zusätzlichen Elemente hinzugefügt werden. Um die Wirkung der vollständigen Schaltung nach Fig. 2 näher zu erläutern, wird angenommen, dass das Signal A einen hohen Wert aufweist, wodurch also der Transistor 10 mittels des Strominjektors 20 leitend gemacht wird. Der Strom des Strominjektors 21 fliesst also zum Kollektor 32 des Transistors 10, wodurch der Transistor 14 in der niedriger liegenden Stufe keinen Basisstrom über den Leiter P empfängt. Dem anderen Kollektor 33 des Transistors 10 wird der Strom des Strominjektors 22 zugeführt, wodurch der Transistor 12 nichtleitend ist und der Strom des Strominjektors 23 über den Transistor und den Leiter Q zu dem Transistor I5 fliesst, der dann schnell eingeschaltet wird. Dadurch kann die Basisladung des Transistors 14 schnell abgeführt werden und wird der Transistor 14 in dem nichtleitenden Zustand gehalten. Die dargestellte Signalflanke des Signals A wird nun nur mit einer geringen Verzögerung an den Kollektoren k0 und *H des Transistors 1Ί erscheinen. Das schnelle Ausschalten des Transistors 1^ wird noch weiter durch die vorhandene regenerative Rückkopplung zwischen dem Kollektor *t0 des Transistors 1^ und der Basis 46 des

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XS -

Transistors 15 gefördert.

Wenn das Signal A anschliessend wieder einen niedrigen Wert annimmt, wird der Transistor 10 ausgeschaltet, so dass der Strominjektor 22 den Transistor 12 einschaltet und der Strom des Strominjektors 23 den Transistor 12 durchfliesst. Nun fliesst kein Strom mehr durch den Hilfstransistor I3 und den Leiter Q zu der Basis h6 des Transistors 15» wodurch die Kollektoren des Transistors I5 keinen Strom führen. Wenn der Transistor 10 ausgeschaltet wird, fliesst der Strom des Strominjektors 21 wieder über den Hilfstransistor 11 und den Leiter P zu der Basis des Transistors 14 und schaltet also diesen wieder schnell ein. Das schnelle Einschalten des Transistors 14 wird weiter durch die vorhandene regenerative Rückkopplung zwischen den Transistoren 14 und I5 gefördert. Die zuletzt behandelte Signalflanke wird also gleichfalls mit einer geringen Verzögerung an den Kollektoren ^O und h"\ erscheinen. Dadurch, dass nun sowohl das Ein- wie auch das Ausschalten des Transistors 1*1 gleich schnell (symmetrisch) erfolgt, ist die Gesamtansprechzeit der vollständigen Schaltung nach Fig. 2 erheblich verkürzt. Das Vorhandensein der regenerativen Rückkopplung zwischen den Transistoren 1*1 und 15 weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass die Zuverlässigkeit des logischen Endzustandes an dem Kollektor 4i des Transistors 1^ erheblich vergrössert wird.

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Leerseite

Claims

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-VT-PATENTANSPRUCHE .

M. J Integrierte Schaltung mit Transistoren, deren Basis-Elektroden mit Strominjektoren und mit einem Kollektor eines oder mehrerer anderer Transistoren verbunden sind, wobei die Schaltung in mehrere elementare Gruppen aufgeteilt ist, die in bezug auf ihre Speisung in Reihe geschaltet sind, so dass die Gruppen übereinander angeordnete Stufen bilden, über die eine Teilung der Speisespannung auftritt, wobei für die Signalübertragung von einer ersten Stufe auf eine tiefer liegende zweite Stufe der Kollektor eines ersten das Signal liefernden Transistors einen Hilfstransistor vom entgegengesetzten Leitungstyp ansteuert, dessen Kollektor mit der nicht mit einem Strominjektor verbundenen Basis eines zweiten Transistors in der zweiten Stufe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis des zweiten Transistors ausserdem mit dem Kollektor eines dritten Transistors vom gleichen Leitungstyp wie der zweite Transistor verbunden ist, wobei die Basis des dritten Transistors einerseits mit einem Kollektor des zweiten Transistors und andererseits mit dem Kollektor eines zweiten Hilfstransistors vom entgegengesetzten Leitungstyp verbunden ist und der zweite Hilfstransistor von dem Kollektor eines vierten Transistors gesteuert wird, der in einer Stufe über der

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ORlGHNAL INSPECTED

- V2 -

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zweiten Stufe liegt, und ein inverses zu dem von dem ersten Hilfstransistor gelieferten Signal liefert.
2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass die Basis des vierten Transistors mit einem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist.

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