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Exklus iv-Oder-VerknUpfungsglied für hohe Schaltgeschwindigkeiten
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Die Erfindung betrifft eine Logikschaltung mit einem, zwei Verstärkerstufen
mit jeweils einen Transistor enthaltenden Differenzverstärker, bei des der Kollektoranschluß
dieses Transistors mit jeweils einem Signalausgang verbunden ist, die Basisanschlüsse
der beiden Transistoren, die vorzugsweise vom npn-Typ sind, miteinander und Uber
eine Stromquelle mit Masse verbunden sind, als Transistor in der ersten Verstärkerstufe
ein Multiemittertransistor vorgesehen ist, dessen Anzahl an Emitteranschlüssen mindestens
gleich der Anzahl der miteinander zu verknüpfenden Signale ist und dessen Emitteranschlüsse
getrennt jeweils über einen Widerstand mit der ersten Betriebsspannung und außerdem
direkt mit dem Emitteranschluß jeweils eines Emitterfolgers verbunden sind, der
Kollektoranschluß der Transistoren der ersten und der zweiten Verstärkerstufe zusätzlich
über einen Widerstand mit Masse verbunden sind, der Emitteranschluß des Transistors
der zeiten Verstärkerstufe über einen weiteren Widerstand mit dem Anschluß für die
erste Betriebsspannung und außerdem mit den zusammengeführten EmitteranschlUssen
weiterer Emitterfolger verbunden ist, die Basisanschlüsse der Emitterfolger die
Signaleingänge darstellen und die Zahl der mit jeder der beiden Verstärkerstufen
verbundenen Emitterfolger mindestens gleich der Zahl der zu verknüpfenden Eingangssignale
ist, nach Patent (Akt.Z. P 25 26 798.5-31) .
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Das Hauptpatent betrifft ein universell verwendbares Verknüpfungsglied,
dessen innere Impulsverzcgerungen im Subnanosekundenberelch
liegen,
daß gute Voraussetzungen für eine Integrierung bietet und zur Durchführung der logischen
Grundoperationen UND, ODER sowie NICHT geeignet ist. Zu diesem Zweck enthält die
Logikschaltung nach dem Hauptpatent einen aus zwei Verstärkerstufen bestehenden
Differenzverstärker, bei dem der Kollektoranschluß jedes der beiden Differenzverstärkertransistoren
mit einem Signalausgang verbunden ist und die Basisanschlüsse der beiden Transistoren
miteinander und außerdem über eine Stromquelle, also beispielsweise eine Spannungsquelle
mit einem hochohmigen Widerstand, mit Masse verbunden sind. Als Transistor in der
ersten Verstärkerstufe des Differenzverstärkers ist ein Multiemittertransistor vorgesehen,
dessen Anzahl an Emitteranschlüssen mindestens gleich der Anzahl der miteinander
zu verknüpfenden Signale ist und dessen Emitteranschlüsse getrennt einerseits über
einen Widerstand mit der ersten Betriebsspannung und andererseits mit den Emitteranschluß
jeweils eines Emitterfolgers verbunden sind. Die 7ahl der mit jeder der beiden Verstärkerstufen
verbundenen Emitterfolger entspricht dabei mindestens der Zahl der zu verknüpfenden
Eingangssignale, da die Basisanschlüsse der Emitterfolger die Signaleingänge darstellen.
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Die Logikschaltung nach dem Hauptpatent beruht auf der Erkenntnis,
daß eine Verbesserung der basisgekoppelten Logikschaltung durch Ansteuerung derselben
mit Gegentaktspannungen möglich ist, Die Notwendigkeit der Erzeugung nicht nur des
Steuersignals, sondern auch des invertierten Steuersignals ist dabei kein wesentlicher
Nachneben teil, da bei den anderen basisgekoppelten Schaltungen ohnehin/dem Ausgangs
signal auch das invertierte Ausgangssignal zur Verfügung steht und da bei den vorzugsweise
zur Anwendung kommenden sehr hohen Impulafolgefrequenzen vorzugsweise ein aus zwei
Einzelleitern bestehender Wellenleiter verwendet wird. Durch die Gegentaktansteuerung
kommt man bei den Logikschaltungen nach dem Hauptpatent bei einem bestimmten Ausgangsspannungshub
mit dem halben Eingangsspannungshub aus, so daß sich die Leistungsaufnahme vermindert,
oder - falls der volle Eingangsspannungshub von anderen Baugruppen ohnehin zur Verfügung
steht - die Logikschaltung bis zu wesentlich höheren Impulsfolgefrequenzen betrieben
werden kann. Die Verringe-
rung der benötigten Eingangsspannung
der Gegentaktansteuerung ergibt sich dabei dadurch, daß die Differenz der beiden
zueinander inversen Signale als Steuerspannung wirkt. Die Logikschaltung nach den
Hauptpatent bietet die Möglichkeit, die logischen Grunafunktionen UND, ODER sowie
NICHT in einfacher Weise zu realisieren.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von dem Hauptpatent
die Aufgabe gestellt, eine mit Gegentaktansteuerung zu betreibende Logikschaltung
zu entwickeln, die eine Exklusiv-ODER-Verknüpfung zweier Eingangssignale gestattet
und bei der sich die gleichen vorteilhaften Verbesserungen wie bei der Logikschaltung
nach dem Hauptpatent hinsichtlich des einsetzbaren Frequenzbereichs, der benötigten
geringen Eingangsspannung und der Kompatibilität mit anderen basisgekoppelten Logikschaltungen
ergibt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Realisierung einer
Exklusiv Oder-Verknüpfung für zwei Eingangssignale und deren komplementäre Signale
vier Emitterfolger vorgesehen sind und für die Emitterfolgertransistoren und die
Transistoren der ersten und der zweiten Verstärkerstufe Multiemittertransistoren
mit wenigstens zwei Emitteranschlüssen vorgesehen sind und jeder Emitteranschluß
der Transistoren der ersten und der zweiten Verstärkerstufe über einen Widerstand
mit dem Anschluß für die Betriebsspannung verbunden ist, daß der erste Emitteranschluß
des Transistors der ersten Verstärkerstufe mit den ersten Emitteranschlüssen des
ersten und des zweiten Emitterfolgers verbunden ist, daß der zweite Emitteranschluß
des Transistors der ersten Verstärkerstufe mit den ersten Emitteranschlüssen des
dritten und des vierten Emitterfolgers verbunden ist, daß der erste Emitteranschluß
des Transistors der zweiten Verstärkerstufe mit den zweiten Emitteranschlüssen des
ersten und des vierten Emitterfolgers verbunden ist, daß der zweite Emitteranschluß
des Transistors der zweiten Verstärkerstufe mit den zweiten Emitteranschlüssen des
zweiten und des dritten Emitterfolgers verbunden ist, daß der Basisanschluß des
ersten Emitterfolgers mit einer Quelle für das erste Eingangssignal verbunden ist,
daß der Basisanschluß des zweiten Emitterfolgers mit einer Quelle für das zweite
Eingangssignal verbunden ist, daß der Basisanschluß des dritten Emitterfolgers mit
einer Quelle für das zum ersten inverse
Eingangssignal und der Basisanschluß
des vierten Emitterfolgers mit einer Quelle für das zum zweiten EingangssignalinrEjnocasignal
verbunden ist. Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Logikschaltung liegt in der
niedrigen Leistungsaufnahme bei hohen Frequenzen und außerdem darin, daß vergleichsweise
sehr niederohmige Emitterwiderstände verwendet werden können und sich durch die
dadurch insgesamt sehr niederohmige Schaltung parasitäre Kapazitäten nur in geringem
MaBe auswirken können. Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, daß handelsübliche
Doppelemittertransistoren verwendet werden können, von denen nur die beiden Differenverstärkertransistoren
annähernd gleiche Verstärkungseigenschaften besitzen müssen, außerdem benötigt die
erfindungsgemäße Logikschaltung keine Referenzspannung, so daß auch keine Schwierigkeiten
hinsichtlich der Stabilisierung einer derartigen Referenzspannung auftreten können
und sich der Aufwand in engen Grenzen hält. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch,
daß bei der Herstellung in integrierter Schaltungstechnik die Ausführung der Transistoren
als Doppelemittertransistoren praktisch nicht ins Gewicht fällt.
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Da bei der Herstellung in integrierter Schaltungstechnik Transistoren
in vielen Fällen leichter als Widerstände erzeugt werden önnen, ist eine Weiterbildung
der Erfindung vorteilhaft, bei der wenigstens einer der zwischen den Emitteranschlüssen
der Multiemittertransistoren und dem Betriebsspannungsanschluß angeordneten Widerstände
durch einen gesteuerten npn-Transistor ersetzt ist.
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Diese Weiterbildung der Erfindung bietet außerdem zusätzlich die Möglichkeit,
die Logikschaltung über den oder die zusätzlich eingeführten Transistoren zu steuern,
um so zusätzliche Verknüpfungen zu erhalten oder die Leistungsaufnahme herabzusetzen.
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Eine weitere besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt
sich dadurch, daß wenigstens zwei der zwischen den Emitteranschlüssen der Multiemittertranistoren
und dem Betriebs spannungsanschluß angeordneten Widerstände durch die Transistorstrecken
eines für beide gemeinsamen Multikollektortransistors mit wenigstens zwei Kollektoranschlüssen
ersetzt sind. Diese Weiterbildung der Erfindung bietet die Möglichkeit, jeweils
zwei Emitterwiderstände durch einen
Doppelkollektortransistor oder
alle vier Emitterwiderstände durch einen Vierfachkollektortransistor zu ersetzen,
der in integrierter Schaltungstechnik leicht herstellbar ist und außerdem die bereits
erwähnten Möglichkeiten zurzusätzlichen Steuerung der Logikschaltung bietet.
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Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert
werden. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Exklusiv-Oder-Verknüpfungsglied
und Fig. 2 eine Wahrheitstabelle für das Verknüpfungsglied nach der Fig. 1.
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Das in der Fig. 1 dargestellte Exklusiv-Oder-Verknüpfungsglied enthält
6 npn-Doppelemittertransistoren, von denen die vier Transistoren Tv, T4, T5, T6,
als Emitterfolger und die Transistoren T1 und T2 als basisgekoppelter Stromschalter
betrieben werden. Bei den Transistoren T1 und T2 handelt es sich um Exemplare, die
hinsichtlich ihrer Verstärkungseigenschatenétwa gleich sind, während die Verstärkungseigenschaften
der Transistoren T3, T4, T5, T6 wegen des Betriebs als Emitterfolger die Eigenschaften
der Schaltung nicht wesentlich mit bestimmen. Die Basisanschlüsse der Emitterfolger
bilden die Signaleingänge der Schaltung, während die Kollektoranschlüsse der Differenzverstärkertransistoren
die Ausgangsanschlüsse der Schaltung darstellen. Dabei ist der Basisanschluß des
Transistors T3 mit der Quelle für das erste Eingangssignal A, der Basisanschluß
des Transistors T4 mit der Quelle für das zweite Eingangssignal B, der Basisanschluß
des Transistors T5 mit einer Quelle für das erste invertierte Eingangssignal A und
der Basisanschluß des Transistors T6 mit einer Quelle für das zweite invertierte
Eingangssignal B verbunden. Die Verbindung zwischen den Emitteranschlüssen der Emitterfolgertransistoren
und den Differenzverstarkertransistoren erfolgt in der Weise, daß der erste Emitteranschluß
I des Transistors Tl der ersten Verstärkerstufe mit den ersten Emitteranschlüssen
des ersten und des zweiten Emitterfolgertransistors T3, T4 verbundenist, der zweite
Emitteranschluß II des Transistors T2 der ersten Verstärkerstufe mit den ersten
Emitteranschlüssen des
dritten und des vierten Emitterfolgers T5
und T6 verbunden ist, der erste Emitteranschluß III des Transistors T2 der zweiten
Verstärkerstufe mit den zweiten Emiteranschlüssen des ersten unddes vierten Emitterfolgers
T3, T6 verbunden ist und der zweite Emitteranschluß IV des Transistors T2 der zweiten
Verstärkerstufe mit den zweiten Emitteranschlüssen des zweiten und des dritten Enitterfolgers
T4, T5 verbunden ist. Die Verbindungspunkte der Emitteranschlüsse sind jeweils über
Emitterwiderstände R1, R2, R3, R4 an die Betriebsspannungsquelle -UB angeschlossen.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel konnten die Emitterwiderstände zu 100
Ohm gewählt werden, so daß die Schaltung noch bei einer Betriebsspannung von -2,2
Volt befriedigend arbeitete.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Logikschaltung nach der Fig.
1 wird die Fig. 2 herangezogen, in der positive Logik vorausgesetzt ist, d.h. das
negativere Potential entspricht dem logischen Zustand Null, das positivere Potential
entspricht dem logischen Zustand Eins. In der Fig. 2 sind mit A und B die Eingangssignale,
mit Y das Ausgangssignal am Kollektor des Transistors T1 der ersten Verstärkerstufe
bezeichnet. In der Spalte E ist der jeweils leitende Emitteranschluß der Differenzverstärkertransistoren
TI, T2 angegeben.
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Durch die Schaltungsanordnung nach der Fig. 1 wird erreicht, daß sich
die Differenzverstärkertransistoren T1 und T2 nach dem Abklingen der Umschaltrorgänge
stets in verschiedenen logischen Zuständen, also entweder leitend oder gesperrt,
befinden. Dadurch sind die Signale an den Kollektoranschlüssen der Differenzverstärkertransistoren
T1 und T2, also an den Ausgängen Y und Y zueinander komplementär. An den Emitteranschlüssen
des Differenzverstärkerstransistors T1 wird durch die über die Emitterfolger angekoppelten
Eingangssignale A, A, B, B die Exklusiv-Oder-Funktion entsprechend der Zeile Y =
(A + B) . (A + B) erzeugt, die am Kollektoranschluß des Transistors T1, also am
Ausgang Y abgenommen werden kann. An den Emitteranschlüssen des Transistors T2 wird
durch die gleichen Eingangssignale in entsprechender Weise die inverse Exklusiv-Oder-Funktion
Y
= (A + B) (A + B) realisiert. Damit ist sichergestellt, daß die im Stromschalterbetrieb
arbeitenden Differenzverstärkertransistoren T1 und T2 stets im Gegentaktbetrieb
angesteuert werden. Dies geht auch aus der Wahrheitstabefle aus der Fig. 2 hervor.
So ergibt sich bei Eingangssignalen mit A und B gleich logisch Null ein entsprechendes
Signal am Ausgang Y zu logisch Null, damit ist der Emitter I des Transistors T7
leitend. Bei einem Signal A gleich logisch Null und B gleich logisch Eins ergibt
sich ein Signal am Ausgang Y zu logisch Eins, der Emitter III des Transistors T2
ist leitend.
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Entsprechend wird bei einem Eingangssignal von A gleich logisch Eins
und B logisch Null ein Ausgangssignal an Y von logisch Eins abgegeben, dabei ist
der Emitter IV leitend. Schließlich wird bei Eingangssignalen A und B gleich logisch
Eins ein Signal am Ausgang Y gleich logisch Null abgegeben, wobei der Emitter II
des Transistore T1 leitet.
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Mit dem angegebenen Exklusiv-Oder-Verknüpfungsglied konnten in der
praktischen Erprobung Umschaltfrequenzen von mehr als 1GHz erreicht werden.
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3 Patentansprüche 2 Figuren
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