DE2727139C2

DE2727139C2 - Exklusiv-Oder-Verknüpfungsglied für hohe Schaltgeschwindigkeiten

Info

Publication number: DE2727139C2
Application number: DE19772727139
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr.-Ing. 8032 Gräfelfing Meyer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-06-16
Filing date: 1977-06-16
Publication date: 1983-01-05
Also published as: DE2727139A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Logikschaltung mit einem, zwei Verstärkerstufen mit jeweils einen Transistor enthaltenden Differenzverstärker, bei dem der KollektoranschiuB dieses Transistors mit jeweils einem Signalausgang verbunden ist, die Basisanschlüsse der beiden Transistoren, die vorzugsweise vom npn-Typ sind, miteinander und über 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 zweiten Verstärkerstufe über einen weiteren Widerstand mit dem Anschluß für die erste Betriebsspannung und außerdem mit den zusammengeführten Emitteranschlüssen weiterer Emitterfolger .rrbunden 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.

Eine derartige Logikschaltung ist aus der DE-OS 25 24 044 bekannt.

Die DE-OS 25 24 044 betrifft ein universell verwendbares Verknüpfungsglied, dessen innere Impulsverzögerungen im Subnanosekundenbereich liegen, daß gute Voraussetzungen für eine Integrierung bietet und zur Durchführung der logischen Grundoperationen UNO. ODER sowie NICHT geeignet ist. Zu diesem Zweck enthält die Logikschaltung nach der DEOS 25 24 044 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 dem

EriiitteranschluD jeweils eines Emitterfolgers verbunden sind. Die Zahl der mit jcoer der beiden Verstärkerstufen verbundenen Emitterfolger entspricht dabei mindestens der Zahl der zu verknüpfenden Eingangssignale, da die Basisanschlüsse der Emitterfolger die Signaleingänge darstellen.

Die Logikschaltung nach der DE-OS 25 24 044 beruht auf der Erkenntnis, daß eine Verbesserung scr basisgekoppelten Logikschaltung durch Ansteuerung derselben mit Gegentaktspannungen möglich ist. Die Notwendigkeit der Erzeugung nicht nur des Steuersignals sondern auch des invertierten Steuersignals ist daDCi Kern wesentlicher Nachteil, da bei den anderen basisgekoppelten Schaltungen ohnehin neben dem Ausgangssignal auch das invertierte Ausgangssignal zur Verfügung steht und da bei den vorzugsweise zur Anwendung kommenden sehr hohen Impulsfolgefrequenzen vorzugsweise ein aus zwei Einzelleitern bestehender Wellenleiter verwendet wird. Durch die Gegentaktansteuerung kommt man bei den Logikschaltungen nach der DE-OS 25 24 044 bei einem bestimmten Ausgangsspannungshub mit dem halben Eingangsspannungshub aus, so daß sich die Leistungsaufnahme vermindert, oder — falls der volle Eingangsspi^nungshub von anderen Baugruppen ohnehin zur Verfügung steht — die Logikschaltung bis zu wesentlich höheren Impulsfolgefrequenzen betrieben werden kann. Die Verringerung der benötigten Eingangsspannung der Gegentaktansteuerung ergibt sich dabei dadurch, daß die Differenz der beiden zueinander inversen Signale als Steuerspannung wirkt. Die Logikschaltung nach der DE-OS 25 24 044 bietet die Möglichkeit, die logischen Grundfunktionen UND. ODER sowie NICHT in einfacher Weise zu realisieren.

Aus der DE-OS 24 51 579 ist bereits eine Logikschaltung mit einem, zwei Verstärkerstufen mit jeweils einem npn-Transistor enthaltenden Differenzverstärker bekannt, bei der die Basisanschlüsse der beiden Transistoren des Differenzverstärkers miteinander und über einen Widerstand mit Masse verbunden sind, der Emitteranschluß des Transistors der ersten Verstärkerstufe unmittel' ar an den Signaleingang und über einen Widerstand an die erste Betriebsspannung und der Emitteranschluß des Transistors der zweiten Verstärkerstufe unmittelbar an eine zweite Betriebsspannung angeschlossen sind. Die zweite Betriebsspannung ist bei dieser Logikschaltung so gewählt, daß bei fehlendem Eingangssignal der zweitv Transistor gesperrt ist. außerdem ist der Signalausgang mit dem Kollektoranschluß eines der beiden Transistoren verbunden. Bei einer derartigen Logikschaltung ist es außerdem bereits bekannt, als Transistor in der ersten Verstärkerstufe einen Multiemittertransistor mit wenigstens zwei gitrennt herausgeführten Emitteranschlüssen vorzusehen und jeden Emitteranschluß getrennt über je einen Widerstand mit der ersten Betriebsspannung zu verbinden. Aus der DE-OS 24 51 579 ist es außerdem bereits bekannt, eine derartig ausgebildete Logikschaltung zur Realisierung einer Exklusiv-OPER-Verknüpfung oder einer ODER-UND-Nicht-Verknüpfung mit mindestens vier Signaleingängen zusätzlich mindestens vier Emitterfolger vorzusehen, deren Emitteranschlüsse paarweise miteinander verbunden sind und bei der außerdem jedes Anschlußpaar mit jeweils einem Emitteranschluß des Multiemittertransistors der ersii-n Verstärkerstufe verbunden ist und der Signalausgang mit dem Kollektoranschluß des Transistors der zweiten Versiärkerstufe verbunden ist.

ίο

Bei der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe gestellt, eine mit Gegentaktansteuerung zu betreibende Logikschaltung zu entwickeln, die eine Exklusiv-ODER-Verknüpfung zweier eingangssignal gemattet 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 Kompatihihut mit anderen basisgekoppelten Logikschaltungen ergibt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Realisierung einer Exkulsiv-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 Tsten und des 7weiten 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 _;-rste 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 Emittcranschlüssen 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 Eingangssignal inverse Eingangssignal verbunden ist. Der Hauptvortei) der erfindungsgemäßen Logikschaltung liegt in der niedrigen '.eistungsaufnähme bei hohen Frequenzen und außerdem darin, daß vergleichsweise sehr niederohmige Emitterwiderstände verwendet werden können und sich durch die dadurch insgesamt sehr niedc-ohmige Schaltung parasitäre Kapazitäten nur in geringem Maße auswirken können. Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, daß handelsübliche Doppelemittertransistoren verwendet werden können, von denen nur die beiden Differenzverstärkertransistoren annähernd gleiche Verstärkungseigenschaften besitzen müssen, außerdem benötigt die erfindui.gsgemäße 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.

Da bei der Herstellung in integrierter Schaltungstechnik Transistoren in vielen Fällen leichter als Widerstände erzeugt werden können, ist eine Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft, bei der wenigstens einer der zwischen den Emitteranschlüssen der Multiemittertransistoren iimi dem BeHebsspannungsanschluß angeordneten Widerstände durch einen gesteuerten npn-Transi-

stör ersetzt ist. 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.

Eine weitere besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dadurch, daß wenigstens zwei der zwischen den Emitteranschlüssen der Multiemittertransistoren und dem Betriebsspannungsanschluß an- h> geordneten 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 ι ■ Doppelkollektortransistor oder alle vier Emitterwiderstände durch einen Vierfachkollektortransistor zu ersetzen, der in integrierter Schaltungstechnik leicht herstellbar ist und außerdem die bereits erwähnten

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schaltung bietet.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

Fig. I ein erfindungsgemäßes Exklusiv-Oder-Ver- r> knüpfungsglied und

Fig. 2 eine Wahrheitstabelle für das Verknüpfungsglied nach der Fig. I.

Das in der Fig. I dargestellte Exklusiv-Oder-Verknüpfungsglied enthält 6 npn-Doppelemittertransisto- jn ren, von denen die vier Transistoren T3, 7" 4, T5. 7~6 als Emitterfolger und die Transistoren Ti und 7"2 als basisgekoppelter Stromschalter betrieben werden. Bei den Transistoren TX und Γ2 handelt es sich um Exemplare, die hinsichtlich ihrer Verstärkungseigen- js schäften etwa gleich sind, während die Verstärkungseigenschaften der Transistoren Γ3, 7" 4, 7"5, T% wegen des Betriebs als Emitterfolger die Eigenschaften der Schaltung nicht wesentlich mitbestimmen. 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 Γ3 mit der Quelle für das erste Eingangssignal A, der Basisanschluß des Transistors TA mit der ·»> Quelle für das zweite Eingangssignal B, der Basisanschluß des Transistors Γ5 mit einer Quelle für das erste invertierte Eingangssignal A und der Basisanschluß des Transistors 7"6 mit einer Quelle für das zweite invertierte Eingangssignal B verbunden. Die Verbin- >o dung zwischen den Emitteranschlüssen der Emitterfolgertransistoren u-..d den Differenzverstärkertransistoren erfolgt in der Weise, daß der erste Emitteranschluß I des Transistors TX der ersten Verstärkerstufe mit den ersten Emitteranschlüssen des ersten und des zweiten Emitterfolgertransistors T3, T4 verbunden ist. der zweite Emitteranschluß Il des Transistors T2 der ersten Verstärkerstufe mit den ersten Emitteranschlüssen des dritten und des vierten Emitterfolgers T5 und 7"6 verbunden ist, der erste Emitteranschluß IH des w> Transistors Tl der zweiten Verstärkerstufe mit den zweiten Emitteranschlüssen des ersten und des vierten Emitterfolgers T1. Γ6 verbunden ist und der zweite Emitteranschlull IV des Transistors 72 der zweiten Verstärkcrstufe mit den /.weiten Emittcranschlüsscn des zweiten und des dritten Emitterfolgers T 4. 7'5 verbunden ist. Die Verbindungspunkte der Emitter.inschlüsse sind leweils über Emiiti-i'widerstünde R 1. R 2, Ri. R 4 an die iietricbsspunnungsqucllc - LIB angeschlossen. Hei einem praktischen Ausfuhrungsbeispiel konnten die Emitterwiderstände zu 100 Ohm gewählt werden, so daß die Schaltung noch bei einer Betriebsspannung von - 2.2 Volt befriedigend arbeitete. 7tir Erläuterung der Wirkungsweise der Lngikschallung nach der F ι g. I wird die F i g. 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 F i g. 2 sind mit A und fldie Eingangssignale, mit Kdas Ausgangssignal am Kollektor des Transistors Ti der ersten Verstärkerstufe bezeichnet. In der Spalte

Differenzverstärkertransistoren Ti. T2 angegeben. Durch die Schaltungsanordnung nach der F i g. I wird erreicht, daß sich die Differenzverstärkertransistoren Ti und T2 nach dem Abklingen der Umschaltvorgänge stets in verschiedenen logischen Zuständen, also entweder leitend oder gesperrt, befinden. Dadurch sind die Signale an den Kollektoranschlüssen der Differenzverstärkertransistoren Ti und T2. also an den Ausgär.^n Kund ^zueinander komplementär. An den Emitteranschlüssen des Differenzverstärkertransistors Ti wird durch die überdie Emitterfolger angekoppelten Eingangssignale A. Ä. B. BiYic Exklusiv-Oder-Funktion entsprechend der Zeile

y= (A ₊ B)- (Ä+B)

erzeugt, die am Kollektoranschluß des Transistors TX. also am Ausgang /abgenommen werden kann. An den Emitteranschlüssen des Transistors T2 wird durch die gleichen Eingangssignale in entsprechender Weise die inverse Exklusiv-Oder-Funktion

Υ=(Α + Β)·(Ά+Β)

realisiert. Damit ist sichergestellt, daß die im Stromschalterbetrieb arbeitenden Differenzverstärkertransistoren 7"! und Γ2 stets im Gegentaktbetrieb angesteuert werden. Dies geht auch aus der Wahrheitstabelle aus der F i g. 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 Fl leitend. Bei einem Signal A gleich logisch Null und B gleich logisch Eins ergibt sich ein Signal am Ausgang V zu logisch Eins, der Emiucr III des Transistors T2 ist leitend. 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 Eingangssignal A und B gleich logisch Eins ein Signal am Ausgang Vgleich logisch Null abgegeben, wobei der Emitter II des Transistors 7Ί leitet

Mit dem angegebenen Exklusiv-Oder-Verknüpfungsglied konnten in der praktischen Erprobung Umschaltfrequenzen von mehr als 1 GHz erreicht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Logikschaltung mit einem, zwei Verstärkerstufen mit jeweils einen Transistor enthaltenden Differenzverstärker, bei dem der Kollektoranschluß dieses Transistors mit jeweils einem Signalausgang verbunden ist, die Basisanschlüsse der beiden Transistoren, die vorzugsweise vom npn-Typ sind, miteinander und über eine Stromquelle mit Masse to 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 Emitteran-Schlüsse 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 Verstärker- 2« stufe zusätzlich über einen Widerstand mit Masse verbunden sind, der EmitteranschiuB des Transistors der zweiten Verstärkerstufe über einen weiteren Widerstand mit dem Anschluß für die erste Betriebsspannung und außerdem mit den zusammengeführten Emitteranscnlüssen 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 M Zahl der zu verknüpfenden Eingangssignale ist. dadurch {, .'kennzeichnet, daß zur Realisierung einer Exklusiv-Oder-Verknüpfung für zwei Eingangssignale und deren komplementäre Signale vier Emitterfolger (TX TA. Γ5. ⁷^) vorgesehen sind und für die Emitterfolgertransistoren und die Transistoren der ersten und der zweiten Verstärkerstufe Mulitemitiertransistoren mit wenigstens zwei Emitteranschlüsseii vorgesehen sind und jeder Emitteranschluß der Transistoren (TX. T2) der «ι ersten und der zweiten Verstärkerstufe über einen Widerstand mit dem Anschluß für die Betriebsspannung (- UB) verbunden ist, daß der erste Emitteran Schluß (f)des Transistors der ersten Verstärkerstufe mit den ersten Emitteranschlüssen des ersten und *^r< des zweiten Emiiterfolgers (T3. TA) verbunden ist. daß der zweite Emitteranschluß (II) des Transistors (Ti) der ersten Verstärkerstufe mit den ersten Emitteranschlüssen des dritten und des vierten Emitterfolgers (T5. 7"6) verbunden ist, daß der erste ^5(l Emitteranschluß (III) des Transistors (TT) der zweiten VerstärkTstufe mit den zweiten Emitteranschlüssen des ersten und des vierten Emitterfolgers (TX 7"6) verbunden ist. daß der zweite Emitteranschluß (IV) des Transistors (TT) der zweiten ^M Verstärkerstufe mit den zweiten Emitteranschlüssen des zweiten und des dritten Emitterfolgers (TA. Γ5) verbunden ist. daß der Basisanschluß des ersten Emitterfolgers (T3) mit einer Quelle für das erste Eingangssignal (A) verbunden ist. daß der Basisan-Schluß des zweiten Emitterfolger* (TA) mit einer Quelle für das zweite Eingangssignal (B) verbunden ist. daß der ßasisanschluß des dritten Emitterfolgers (T5) mit einer Quelle für das zum ersten inverse Eingangssignal (Ä) und der Basisanschluß des ^H vierten Emitterfolgers mit einer Quelle für das zum /weiten Eingangssignal inverse Eingangssignal (B) verbunden ist.

2. Logikschaltung nach Patentanspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der zwischen den Emitteranschlüssen der Multiemittertransistoren und dem BetriebsspannungsanschluG angeordneten Widerstände durch einen gesteuerten npn-Transistor ersetzt ist.

3. Logikschaltung nach Patentanspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der zwischen den Emitteranschlüssen der Multieminertransistoren und dem Betriebsspannungsanschluß angeordneten Widerstände durch die Transistorstrecken eines für beide gemeinsamen Multikollektortransistors mit wenigstens zwei Kollektoranschlüssen ersetzt sind.