DE2723987A1 - Stromuebernahmeschalter - Google Patents
StromuebernahmeschalterInfo
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Description
Anmelderin:
2773987
Böblingen, den 26. Mai 1977 I gg-rs/som
International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 1O5O4
Amtliches Aktenzeichen:
Aktenzeichen der Anmelderin:
FI 97 5 054
Vertreter:
7030 Böblingen
Bezeichnung:
ü 9 B 8 1 / U h 7 5
FI 975 054
277398?
Die Erfindung betrifft einen Stromübernahmeschalter bestehend aus einem oder mehreren ersten Transistoren, an deren Basen
die Eingangssignale zugeführt werden und einem zweiten Transistor,
an dessen Basis ein Bezugspotential angelegt ist, wobei mindestens die Kollektoren der ersten Transistoren oder
der Kollektor des zweiten Transistors über einen Lastkreis oder direkt an eine erste Potentialquelle und die verbundenen
Emitter sämtlicher Transistoren über eine erste Stromquelle an eine zweite Potentialquelle angeschlossen sind.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt bei der Entwicklung digitaler Computer und anderer mit Schaltkreisen aufgebauter Systeme
ist, Schaltkreise zur Verfügung zu haben, die eine hohe Schaltgeschwindigkeit gev/ährleisten.
Der erstmalig im US-Patent 2 964 652 vorgeschlagene Stromübernahmeschalter
der eingangs genannten Art ist im Hinblick auf die Schaltgeschwindigkeit allen anderen vergleichbaren und
im Handel verfügbaren Schaltungen überlegen. Bekanntlich ist die Schaltgeschwindigkeit dieses Stromübernahmeschalters etwa
5 bis lOmal höher als die unter den Begriffen Widerstands-Transistor-Logik,
Dioden-Transistor-Logik und Transistor-Transistor-Logik
bekannten Schaltkreisfamilien. Die aus bipolaren Transistoren aufgebauten Stromübernahmeschalter sind
außerdem in dieser Hinsicht allen vergleichbaren, mit Feldeffekttransistoren aufgebauten Schaltungen überlegen. Dazu
kommen die hohe Störunempfindlichkeit und die ausgezeichnete
Gleichstrom-Stabilität des StromUbernahmeschalters.
Aus diesen Gründen hat der Stromübernahmeschalter verbreitete Anwendung gefunden.
7 ο «j ins ι / it ι"· 7 5
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- y-
Dieser bekannte Stromübernahmeschalter weist jedoch auch
einen nicht unerheblichen Nachteil auf. Verglichen mit den anderen bekannten, eine entsprechende Funktion erfüllenden
Schaltungen ist der Leistungsbedarf des Stromübernähmeschalters
relativ hoch, da stets einer seiner Zweige leitend ist.
Dieser Leistungsbedarf führt zu einer Begrenzung der in integrierter
Halbleitertechnik auf einem Halbleiterchip gegebener Größe unterzubringenden Anzahl von entsprechenden Schaltkreisen.
Als Grenze kann derzeit etwa ein Leistungsverbrauch von 5 Watt angesehen werden, oberhalb der es unmöglich ist, die
entstehende Viarme von einem Halbleiterchip so abzuführen,
daß die Funktionsfähigkeit erhalten bleibt. Aus diesem Grunde ist es gegenwärtig nur möglich, eine Anzahl von etwa 6OO Stromübernahmeschaltern
auf einem Halbleiterchip der Größe 5 χ 5 mm unterzubringen, obwohl es strukturell, verdrahtungsmäßig und
anschlußmäßig möglich wäre, wesentlich mehr derartige Schaltkreise auf einem Halbleiterchip unterzubringen. Da aus Kosten-
und Zuverlässigkeitsgründen bekanntlich anzustreben ist, möglichst viele Schaltkreise auf einem Halbleiterchip unterzubringen,
ist man etwas von der Verwendung des Stromübernahmeschalters als logischen Schaltkreis abgegangen. Gegenwärtig
ist das für den Entwickler von logischen Schaltkreisen maßgebliche Produkt aus Schaltgeschwindigkeit und Leistungsbedarf
bei hochentwickelten Transistor-Transistor-Logikschaltuncjen und Stromübernahmeschaltern etwa gleich groß. Eine
Ursache für den relativ hohen Leistungsbedarf der bekannfifft
Stromübernahmeschalter sind die erforderlichen Lastwiderstände, über die der gesamte Strom fließt. Diese Widerstände
erzeugen einen Großteil der störenden Wärme und verbrauchen bei ihrer integrierten Verwirklichung im Vergleich zu Transistoren
eine qroße Halbleiterfleiche.
7 5
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Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, das Geschwindigkeits-Leistungsprodukt
des Stromübernahmeschalters zu verringern.
Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen niedergelegt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungs-
gemäßen Stromübernahmeschalters,
Fig. 2 eine vereinfachte Version des Stromübemalune-
schalters nach Fig. 1,
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromübernahmeschalters und
Fig. 4 ein Beispiel für die Kombination von mehreren
erfindungsgemäßen Stromübernahmeschaltern der in Fig. 3 gezeigten Version.
Der in Fig. 1 dargestellte, als logische Schaltung verwendbare Stromübernahmeschalter besteht im wesentlichen aus einer
Mehrzahl von NPN-Transistoren T1, T2, T3 und TR, die zwischen
einer ersten Potentialquelle VCC und einer Konstantstromquelle ICS,4Wre mit einer zweiten Potentialquelle VEE verbunden ist,
angeordnet sind. In bekannter Weise kann die Stromquelle ICS aus einem NPN-Transistor gebildet werden, dessen Kollektor
mit den Emittern der erstgenannten Transistoren, dessen Basis mit einem Bezugspotential und dessen Emitter mit der zweiten
Potentialquelle VEE verbunden ist. Eine andere bekannte Verwirklichung der Stromquelle ist ein hochohmiger Widerstand.
H 1 / DI-7B
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Die Basis des den Bezugskreis bildenden Transistors TR ist ,
an ein Bezugspotential VREF gelegt, das vorzugsweise etwa i in der Mitte zwischen den Pegelwerten liegt, die einer binären
"Eins" und einer binären "Null" entsprechen. Die gegenphasigen Ausgänge liegen an den Kollektoren der Transistoren T1, T2
und T3 (V ) und am Kollektor des Transistors TR (V.) · In einem
A A
bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt die Bezugsspannung VREF bei -1,25 Volt, die logischen Pegel der Eingangssignale der
Transistoren T1, T2 und T3 haben einen oberen Pegelwert von -1 Volt und einen unteren Pegelwert von -1,5 Volt. Als Lastkreis
für die die logischen Eingänge bildenden Transistoren T1, T2 und T3 sind Transistoren TEO und TPO, ein Widerstand RCC
eine Diode DO und eine Potentialquelle VT vorgesehen. Der Transistor TPO ist vom komplementären Typ und 1st im Kollektorkreis
der Transistoren T1, T2 und T3 angeordnet. Der Emitter des Transistors TPO ist mit der ersten Potentialquelle
VCC über den Widerstand RCC verbunden. Der Widerstand RCC, die Diode DO und die Potentialquelle VT bestimmen den vom
Transistor TPO den Kollektoren T1, T2 und T3 zugeführten Strom. D. h., der Transistor TPO bildet eine zweite Stromquelle
für die die Transistoren T1, T2 und T3. Der von der breiten Stromquelle gelieferte Strom ICPO ist geringer als
der von der ersten Stromquelle gelieferte Strom ICS. In einem praktischen Ausführungsbeispiel weist der Widerstand RCC einen
Wert von 0,7 kOhm auf.
j
pie Diode DO ist zwischen dem Kollektor und der Basis des
j
pie Diode DO ist zwischen dem Kollektor und der Basis des
transistors TPO angeordnet. Die Kathode der Diode DO liegt in einem Bezugspotential VT. Die Diode DO und die Potentialquelle
VT bilden einen Stromabzweigpfad für den Strom ICPO, wenn sämtliche erste Transistoren TI, T2 und T3 gesperrt sind.
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A weise ist die Diode DO als Schottky-Diode ausgebildet, was
eine hohe Schaltgeschwindigkeit und einfache Integrierbarkeit !gewährleistet. Im betrachteten Ausführungsbeispiel weist VT
Seinen Wert von -1,5 Volt auf und die Durchlaßspannung der Diode DO ist 0,5 Volt. Das bedeutet, daß die logischen Pegel am
Ausgang V etwa -1,5 Volt und -1,0 Volt betragen. A
fr)er Transistor TEO ist zwischen der ersten Potentialquelle VCC
und den Kollektoren der ersten Transistoren T1, T2 und T3 angeordnet. Dieser Transistor bildet eine dritte zusätzliche
Stromquelle, die einen Strom IENO liefert, der der Differenz zwischen den Strömen ICS und ICPO entspricht, wenn einer der
ersten Transistoren T1, T2 oder T3 leitend ist. Es gilt also:
i (1) ICS ■ ICPO + IENO
3er Transistor TEO definiert außerdem den unteren logischen
I I
'schalters bildenden zweiten Transistor TR besteht aus den Transistoren TEI und TPI, der Diode DI, dem Widerstand RCC und ;
der Bezugspotentialquelle VT. Der zweite Transistor TR ist mit diesen Elementen in derselben Weise verbunden wie dies für
üe entsprechenden Elemente bei den ersten Transistoren T1,
Γ2 und T3 geschehen ist. Da die aktiven Lastkreise jeder Seite
äes Stromübernahmeschalters voneinander unabhängig, d. h. also
gegeneinander isoliert sind, müssen die Ströme ICPO der die zweite und dritte Stromquelle bildenden Transistoren TPO und
I nicht identisch sein. In der Praxis kann es angebracht sein;
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den Strom ICPO durch den Transistor TPO größer zu wählen als den Strom durch den Transistor TPI, da die Kollektoren der
Transistoren T1, T2 und T3 eine höhere Kapazität darstellen als der Kollektor des Transistors TR. In diesem Falle 1st der
Widerstand RCC durch zwei Widerstände RO und R1 zu ersetzen. Außerdem sind die Verbindungen 1 und 2 zu entfernen. Diese
Schaltung 1st durch gestrichelte Linien In Flg. 1 angedeutet. Brauchbare Werte für die Widerstände RO und R1 sind 1,3 kOhm
und 1,5 kOhm.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die Ströme der ersten, zweiten und dritten Stromquelle in gleicher Richtung zwischen der ersten Potentialquelle und der zweiten
Potentialquelle fließen.
Es ergibt sich folgende Wirkungsweise des StromÜbernahmeschalters nach Fig. 1. Die jeweils die zweite Stromquelle bildenden
Transistoren TPO und TPI sind ständig leitend. Wichtig 1st, daß die von diesen Stromquellen gelieferten Ströme niedriger
sind als der Strom der ersten Stromquelle im Emitterkreis der ersten und zweiten Transistoren. Es sei zunächst angenommen,
daß an den Eingängen IN1, IN2 und IN3 der untere logische Pegel anliegt, der niedriger ist als das Bezugspotential VREF
an der Basis des zweiten Transistors TR. Unter dieser Annahme sind die ersten Transistoren T1, T2 und T3 gesperrt und der
zweite Transistor TR ist leitend und zieht den Strom ICS. Da ICS größer ist als ICPO, beginnt der die dritte Stromquelle
bildende Transistor TEI den zusätzlichen Strom IENO zu ziehen.
pas Ausgangssignal am Ausgang VA ist dann gleich dem Bezugspotential VT und entspricht mit -1,5 Volt dem unteren logischen
A
Transistor TR führt den Strom ICPO. Da jedoch die ersten Tran-
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sistoren T1, T2 und T3 gesperrt sind, fließt der gesamte Strom
jICPO von Transistor TPO über die Diode DO zum Bezugspotential
! A
jtial VT an, das gleich der Vorwärtsspannung der Diode DO ist.
Wie bereits erwähnt, wählt man als Diode DO vortei lhaf texweise ;
leine Schottky-Diode, die einen Spannungsabfall von etwa 0,5 Volt
hervorruft. Am Ausgang V ergibt sich also eine Pegel von
i Ä
1-1,5 Volt + 0,5 Volt ■ -1 Volt, was dem oberen logischen Pegel
ntspricht.
!Die Wirkungsweise der Schaltung ist entsprechend, wenn einer oder mehrere der ersten Transistoren T1, T2 und T3 durch ein
Eingangssignal von -1 Volt in den leitenden Zustand gebracht werden. Sobald also mindestens einer der Transistoren T1, T2
oder T3 leitend wird, wird der zweite Transistor T3 gesperrt. Der Strom ICPO des Transistors TPO wird dann über den oder
Sie leitenden Transistoren T1, T2 oder T3 geleitet. Da ICS größer als ICPO ist, wird der Transistor TEO leitend. Da der
Iraneistor TR gesperrt ist, ist auch der Transistor TEI gesperrt. Das Potential am Ausgang V fällt auf VT, also auf
Ä
-1,5 Volt ab, und das Potential am Ausgang V. steigt auf
-1,0 Volt an. Die Vorteile des Stromübernahmeschalters nach
Fig. 1 sind dadurch begründet, daß die erreichbaren Schaltzeiten proportional dem Strompegel ICS und dem Beta der komplenentären Transistoren TPO und TPI ist. Beispielsweise erreicht
Ban mit einem Beta von 3 der komplementären Transistoren, »inem ICS von 0,75 mA und einem ICPO von 0,5 mA eine mitt-Lere Schaltverzögerung von 0,5 Nanosekunden. Der Leistungsverbrauch liegt bei etwa 3,0 mW bei einem Geschwindigkeite-Leistungsprodukt von 1,5 Pico-Joules. Mit steigender Geschwindigkeit steigt auch der Leistungsverbrauch und ist abhängig
von den eingestellten Strömen über einen weiten Bereich wähl-
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bar. Der übergang zum unteren Pegelwert ist in erster Näherung
eine Funktion der Differenz zwische:
d. h., dem zusätzlichen Strom IENO.
eine Funktion der Differenz zwischen den Strömen ICS und ICPO,
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht
darin, daß die oberen und unteren logischen Pegelwerte an den Ausgängen völlig unabhängig von Widerstandstoleranzen
und Gleichlauf sind. Die Pegelhübe am Ausgang sind lediglich eine Funktion der VBE's der Transistoren TEO, TPO, TEI und
TPI und der Vorwärtsspannung der Schottky-Dioden DO und DI.
Die Schaltung benötigt nur einen oder zwei Widerstände, die sich mit auf dem Halbleiterchip integrieren lassen.
Das einfachere Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist dann angebracht, wenn nur der komplementäre Ausgang V_ benötigt wird.
A In diesem Fall wird im Kollektorkreis des zweiten Transistors
TR kein aktiver Lastkreis benötigt. Das heißt also, die Tran-Isis tor en TEI, TPI und die Diode DO können entfallen. Da der
Strombedarf nur etwa halb so groß ist, ist der Widerstand RCC durch einen Widerstand RCC* ersetzt, dessen Wert etwa doppelt
so groß ist und also damit etwa 1,4 kOhm beträgt. Im übrigen !entspricht die Schaltung nach Fig. 2 völlig der der Fig. 1.
Wird nur der gleichphasige Ausgang VA benötigt, so kann der
aktive Lastkreis in den Kollektorkreisen der ersten Tran-Isis tor en T1, T2 und T3 entfallen. In diesem Fall werden also
jdie Transistoren TEO, TPO und die Diode DO der Schaltung nach Fig. 1 nicht benötigt. In den betrachteten Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und Fig. 2 sind als erste und zweite
Transistoren NPN-Transistoren und für die jeweils zweite Stromquelle komplementäre PNP-Transistoren verwendet. Selbstverständlich ist ein entsprechender Stromübernahmeschalter
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auch unter Verwendung von Traneistoren des entgegengesetzten
Leitungstyps aufbaubar, wenn die Polaritäten der Potentiale und Signale entsprechend geändert werden.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das im wesentlichen
dem der Fig. 1 entspricht mit der Ausnahme, daß für eine
Vielzahl von Stromübernahmeschaltern nur ein einziger Widerstand RB benötigt wird. Beispielsweise lassen mit dem Wideretand RB und der Diode TPB die Ströme von vier Stroraübernahmeschaltern einstellen. Da die wesentlichen Teile der Ausführungsbeispiele nach Fig. 3 und Fig. 1 identisch sind, sind
diese Teile auch mit identischen Bezugszeichen versehen,
wobei in Fig. 3 lediglich ein zusätzlicher Strichindex verwendet ist. Beispielsweise entspricht der Transistor TEO im
Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dem Transistor TEO1 im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 usw.. Bei der Beschreibung des
Wusführungsbeispieles nach Fig. 3 kann in weitem Umfange
auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1
zug genommen werden. Die Transistoren TEO1 und TPO1 sind
parallel zwischen der ersten Potentialquelle VCC1 und dem
Kollektor des Transistors TR* angeordnet. Wie in der Schaltung pach Fig. 1 muß der von den Transistoren TPO* und TPI1 gelieferte Strom ICPO' geringer sein als der Strom ICS1. Der Strom
[ECPO1 ist durch das Bezugspotential VT', die B as is-Emitterspannung Vgg des Transistors TPB und den Widerstand RB nach
folgender Gleichung festgelegt:
(2) ICPO1 « [VCC'-Vßg (von TPB)-VT1]/RB.
)er als Diode geschaltete Transistor TPB liegt in Durchlaßrichtung gepolt zwischen VCC und VT' und liefert eine Vor- I
spannung, über die die Ströme der Transistoren TPO' und TPI1 ;
eingestellt und die Basisansteuerung der Transistoren TEI1 und i
JTEO' erfolgt. !
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Es ergibt sich folgende Wirkungsweise des Stromübernahmeschalters
nach Fig. 3. Sind die Transistoren T1' T21 und T3' gesperrt,
so ist der Transistor T31 leitend. Da ICS' größer als
ICPO1 ist, leitet der Transistor TEI1 und liefert den Differenzstrom
IENO1. Da der Transistor TEI* leitet, erhält man
am Ausgang V. eine Spannung, die um VßE geringer als Vßx ist,
d. h., also etwa -1,6 Volt beträgt. Gleichzeitig fließt der Strom ICPO1 von Transistor TPO1 über die Schottky-Diode DO1,
so daß am Ausgang V_ eine Spannung einstellt, die um einen
A
Spannungsabfall der Diode DO1 in Durchlaßrichtung höher als VT1 ist, und damit dem oberen logischen Pegel von -1,0 Volt entspricht.
Spannungsabfall der Diode DO1 in Durchlaßrichtung höher als VT1 ist, und damit dem oberen logischen Pegel von -1,0 Volt entspricht.
Ist einer oder mehrere der Transistoren T11, T2', T31 leitend,
so ist der Transistor TR* gesperrt. An den Ausgängen ergeben sich die umgekehrten Pegelwerte.
Wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 hängt die Schaltgeschwindigkeit
vom Beta des PNP-Transistors und dem Strom ICS* ab. Für ein Beta von 3, ein ICS von 0,6 mA und ein ICPO* von
0,4 mA erhält man eine mittlere Verzögerung von 600 Picosekunden bei einem Leistungsverbrauch von weniger als 3 mW. Man
erhält also ein Geschwindigkeits-Leistungsprodukt von 1,8 Pico-Sekunden.
Da der Widerstand RB und der Transistor TPB nur für die Einstellung des Stromes ICPO' benötigt werden, können sie,
wie bereits erwähnt, auch für weitere Stromübernahmeschalter gleichzeitig verwendet werden. Das Blockschaltglied einer
mehrere Stromübernahmeschalter umfassenden Schaltung ist in Fig. 4 dargestellt. In Verbindung mit einem Widerstand RB und
einem Transistor TPB sind vier Stromübernahmeschalter vorgesehen. Die Potentialquellen VCC, VEE' und VT' sind über Lei-
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tungen 16, 17 und 14, 15 an die einzelnen Stromübernahmeschal·
ter 10 geführt. Normalerweise werden diese Bezugspotentiale außerhalb des Halbleiterchips, indem die Stromübernahmeschalter
integriert sind, erzeugt.
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Claims (8)
- FI 975 054PATENTANSPRÜCHEStromübernahmeschalter bestehend aus einem oder mehreren ersten Transistoren, an deren Basen die Eingangssignale zugeführt werden, und einem zweiten Transistor, an dessen Basis ein Bezugspotential angelegt ist, wobei mindestens die Kollektoren der ersten Transistoren oder der Kollektor des zweiten Transistors über einen Lastkreis oder direkt an eine erste Potentialquelle und die verbundenen Emitter sämtlicher Transistoren über eine erste Stromquelle an eine zweite Potentialquelle angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastkreis aus zweiten und dritten gleich gerichtete, aber geringere Ströme als die erste Stromquelle liefernden Stromquellen besteht, wobei die zweite Stromquelle ständig und die dritte Stromquelle nur bei einem oder mehreren leitenden Transistoren, in deren Kollektorkreis der Lastkreis liegt, Strom liefert, und daß an die zweite Stromquelle eine Stromabzweigschaltung angeschlossen ist, die den Strom der zweiten Stromquelle ableitet, wenn kein Transistor leitend ist, in dessen Kollektorkreis der Lastkreis liegt.
- 2. Stromübernahmeschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kollektorkreis des zweiten Transistors ein gleichartiger Lastkreis und eine gleichartige Strom—' abzweigschaltung wie im Kollektorkreis der ersten Transistoren vorgesehen ist.
- 3. Stromübernahmeschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stromquelle aus einem zu den ersten Transistoren komplementären dritten Transistor und die dritte Stromquelle aus einem vierten Transistor des Leitungstyps der ersten Transistoren7 09«« 1 / η t.7 5 OWQtNAL INSfECTEDFI 975 054besteht, daß der Kollektor des dritten und der Emitter des vierten Transistors mit den Kollektoren der Transistoren, in deren Kollektorkreis der Lastkreis liegt, und der Emitter des dritten und der Kollektor des vierten Transistors mit der ersten Potentialquelle verbunden ist und daß die Stromabzweigschaltung aus einer, den Kollektor des dritten Transistors mit einem Bezugspotential verbindenden Impedanz besteht.
- 4. StromUbernahmeschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Stromabzweigschaltung bildende Impedanz aus einer Schottky-Diode besteht.
- 5. Stromübernahmeschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des vierten Transistors mit dem über einen Widerstand an die erste Potentialquelle angeschlossenen Emitter des dritten Transistors verbunden ist.
- 6. Stromübernahmeschalter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen des dritten und vierten Transistors miteinander verbunden und zur Einstellung des von ihnen gelieferten Stromes an den gemeinsamen Verbindungspunkt der Reihenschaltung einer nicht linearen Impedanz und eines Widerstandes angeschlossen sind.
- 7. Stromübernahmeschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht lineare Impedanz aus einem zu den ersten Transistoren komplementären Transistor besteht, dessen Kollektor mit der Basis verbunden und an die Basis des dritten und vierten Transistors geführt ist.7 () 9 8 H 1 / 0 K 7 6FI 975 O54272398?
- 8. Stromübernahiaeschalter nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere derartige StromÜbernahmeschalter an die gleichen ersten und zweiten Potentialquellen angeschlossen sind.7 0 9 i< 8 1 / M ι 7 5
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