DE2828325A1

DE2828325A1 - Emittergekoppelte logikstufe

Info

Publication number: DE2828325A1
Application number: DE19782828325
Authority: DE
Inventors: Venkappa Laxmappa Gani; Frank Alfred Montegari
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-08-26
Filing date: 1978-06-28
Publication date: 1979-03-01
Also published as: JPS5436170A; GB1598899A; FR2401562B1; IT1112694B; US4112314A; IT7826392A0; FR2401562A1

Description

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iAnmelderin: International Business Machines

I Corporation, Armonk, N.Y. 10504

ίEmittergekoppelte Logikstufe

;Die Erfindung betrifft eine emittergekoppelte Logikstufe/ enthaltend einen Stromübernahnieschalter mit mindestens einem er-Isten und einem zweiten Transistor, deren Emitter an eine gejmeinsame Stromquelle angeschlossen sind, und mit mehreren, den

•Basen der ersten Transistoren zugeordneten logischen Eingängen jund einem gleichphasigen, dem Kollektor des zweiten und einem igegenphasigen den Kollektoren der ersten Transistoren zugeordneten logischen Ausgang, wobei die Signalhübe der Eingangs- und Ausgangssignale definiert gleich groß sind.

'Derartige in integrierter Technik hergestellte Logikstufen jwerden insbesondere in schnellen Datenverarbeitungssystemen leingesetzt.

Es ist eine große Anzahl derartiger emittergekoppelten Logikstufen, die nach dem Stromübernahmeprinzip arbeiten, bekannt. Dieses Stromübernahmeprinzip bietet den Vorteil, daß die verwendeten Transistoren außerhalb der Sättigung und mit relativ kleinen Signalhüben, die in der Größenordnung von Bruchteilen eines Volts liegen, betrieben werden können. Gerade diese Eigenschaften sind die Ursache für die extrem hohe Ansprechgeschwindigkeit .

Eine der bekannten Arten eines derartigen Stromübemahmeschalters enthält mindestens zwei Transistoren, die getrennte Kollektorkreise und einen gemeinsamen Emitterkreis auf v/eisen, in dem eine Stromquelle angeordnet ist. Die Stromquelle kann

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durch eine über einen Widerstand, der auch aus einem aktiven Bauelement bestehen kann, angeschlossene Betriebspotentialquelle verwirklicht werden. Der Strom der Stromquelle kann in Abhängigkeit von zwischen den Basen der Transitoren angelegten Potentialdifferenzen über den Kollektor-Emitterpfad des einen oder des anderen Transistors geleitet werden. Wird ein derartiger Stromübernahme-schalter als Logikstufe verwende-tj., so erreicht man diese Potentialdifferenz dadurch, daß an die Basis des einen Transistors ein aus einem relativ hohen oder aus einem relativ niedrigen Pegel bestehendes binäres Signal angelegt wird, während an der Basis des anderen Transistors ein bestimmtes Bezugspotential vorhanden ist. Das Bezugspotential Vref liegt zwischen dem hohen und dem niedrigen Pegel des binären Signales, so daß über das binäre Signal steuerbar ist, welcher der beiden Transistoren jeweils Strom führt.

Üblicherweise werden bei diesen emittergekoppelten Logikstufen an den Kollektoren der Transistoren komplementäre Ausgangssigna le abgenommen. An jedem der komplementären Ausgänge ist meist ein separater Emitterfolger (Kollektorstufe) angeschlossen. Durch diese Emitterfolger erreicht man eine niedrige Ausgangsimpedanz und eine Signalpegelverschiebung, so daß die Pegel der Ausgangssignale den Pegeln der binären Eingangssignale entsprechen. Die Ausgänge der Emitterfolger können direkt mit Eingängen weiterer Logikstufen verbunden werden.

Zweifellos bieten diese Emitterfolger also gewisse Vorteile, sie bringen aber den Nachteil mit sich, daß sie für etwa 2/3 ies Leistungsverbrauchs der Logikstufe verantwortlich sind. Sin hoher Leistungsverbrauch ist insbesondere bei hochintejrierter Ausführung dieser Logikstufen von großem Nachteil, ia die auftretende Wärme zu einer beträchtlichen Verschlechberung der Eigenschaften führen kann.

üum Stand der Technik sei insbesondere auf die US-Patentschrift nimmer 2 964 652 verwiesen, die sich grundsätzlich mit dem Stromübernahmeschalter beschäftigt. Außerdem ist auf eine FI 977 012

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Beschreibung der erlittergekoppelten Logik in der Veröffentlichung "Integrated Circuits" (Texas Instruments Electronic Series) von R. ΰ. Hibberd, Copyright 1969, McGraw-hill Book Company, auf den Seiten 81 bis 82 beschrieben. Es ist auch eine Anzahl derartiger emittergekoppelter Logikstufen bekannt, axe lediglich über eine Potentialquelle betrieben werden. Ss sei beispielsweise auf die Veröffentlichung "IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 16, Nr. 12, Mai 1974, Seite 3937 verwiesen. Dort wird in einem Stromiibernahmeschalter eine Schottky-Diode zwischen der Basis eines Tansistors und Massepotential eingefügt, um das Bezugspotential zur Verfügung zu stellen. Ausgehend von diesen bekannten Stromübernahmeschalter: löst die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, die Aufgabe, einen in einfacher Weise platzsparend in integrierter Form herstellbaren, schnellen, nur einen geringen Leistungsverbraucii aufweisenden Stromübernahineschalter für eine emittergekoppelte Logikstufe anzugeben, der insbesondere nur eine einzige Betriebspotentialquelle benötigt und ohne gesonderte Ausgangs stufen auskonrat.

Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der

erfindungsgemäßen Logikstufe,

Fign. 2 u. 3 in Draufsicht und Schnittansicht eine

schematisehe Struktur der erfindungsgemäüen, integrierten Logikstufe,

¹?· ⁴ ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen emittergekoppelten Logikstufe und

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Fign. 5 u. 6 wiederum in Draufsicht und in Schnittansicht einen Teil der Halbleiter-Struktur der erfindungsgexnäßen Logikstufe in integrierter Technik.

Der in Fig. 1 dargestellte, nur einen geringen Leistungsverbrauch aufweisende Stromubernahmeschalter benötigt lediglich eine Betriebspotentialquelle und benutzt Massepotential anstelle einer normalerweise erforderlichen Bezugspotentialquellt an der Basis des Transistors T13. Im Emitterkreis des Transistors T13 ist eine Schottky-Diode D3 angeordnet, die einen niedrigen Spannungsabfall von 0,3 Volt in Vorwärtsrichtung aufweist. Dadurch wird erreicht, daß am Emitter des Transistors T10 sich ein um etwa -0,3 Volt negativeres Potential als am Emitter von T13 einstellt. Dieses negativere Potential am Emitter des Transistors T10 ergibt eine negative Singangsschwelle von etwa -0,3 Volt an der Basis des Tansistors T10.

Die Dioden D1 und D2 dienen sowohl der Sättigungsbegrenzung als auch der Signalbegrenzung indem sie die negativen Signalamplituden an den Kollektoren der Transistoren T10 und T13 auf -0,6 Volt begrenzen. Mit Massepotential als dem positivster Potential wird die Vorwärts spannung an den Basis-Kollektorüber·- gangen der Transistoren T10 und T13 auf 0,6 Volt begrenzt, so daß eine Sättigung dieser Transistoren verhindert wird. Durch die Begrenzung der Ausgangssignalamplitude auf -0,6 Volt verbessert man das Ausgangsverhalten der Schaltung, da unter allen Lastverhältnissen ausreichende aber auch nicht zu hohe Signalamplituden unterhalb des Schwellwertes sichergestellt werden. Durch diese Begrenzung wird auch die korrekte Signalamplitude aufrechterhalten, wenn zusätzliche Ströme über

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Kollektoren von Transistoren fließen, die an den Kollektorausgang von Transistor T13 angeschlossen sind.

Durch Vorsehen eines Strompfades für überschüssigen Kollektor-Strom ermöglicht es die Begrenzung, für das Verhältnis des Widerstandes E1O zu den Widerständen RS und R9 einen geringeren Wert zu wählen. Dadurch x/erden die Ausgangs Signalamplitude: unabhängiger von den Widerstünden RQ und R9 und die Widerstandswerte einschließlich der Gleichlaufeigenschaften unkritischer.

Die Dioden D1 und D2 v/erden übex* den Subkollektoren der Transistoren T1O und T13 verwirklicht, so daß die in den Figuren 2 und 3 dargestellte, platzunaufwendige Struktur entsteht.

Die Logik läßt sich dadurch erweitern, daß zusätzliche Transistoren parallel zur Kollektor-Enitterstrecke des Transistor T10 angeordnet werden, wobei die Basen der zusätzlichen Transistoren weitere logische Eingänge bilden. Für diese erweitert Logik werden keine zusätzlichen Dioden D1 benötigt.

Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Stromübernahmeschalters mit nur einer einzigen Betriebspotentialquelle und einem durch Schottky-Dioden D4 verwirklichten Eingang ist in Fig. 4 dargestellt. Auch hier ist anstelle der normalerweis an der Basis von Transistor T15 erforderlichen Bezugsspannung Massepotential vorgesehen.

Ira Emitterkreis des Transistors T15 ist eine Schottky-Diode D7 mit einer Vorwärtsspannung von 0,6 Volt angeordnet. Diese Schottky-Diode bewirkt, daß die Spannung am Emitter des Tansistors T14 einen um etwa 0,6 Volt negativeren Wert annehmen kann als die Spannung am Emitter des Transistors T15. Diese negativere Spannung am Emitter von Transistor T14 er-

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gibt an der Basis des Transistors T14 einen Pegel von etwa -0,6 Volt und über die Dioden G4 einen Eingangsschwellwert von -0,3 Volt.

Die Dioden D5 und D6 wirken wieder als Sättigungs- und Amplitudenbegrenzung, indem sie die negativen Signalamplituden an den Kollektoren der Transistoren T14 und TI5 auf -0,6 Volt i begrenzen. Mit Hassepotential als dem negativsten Potential j ist die Vorwärtsspannung an den Basis-Kollektorübergängen der Transistoren T14 und T15 auf 0,6 Volt begrenzt. Dadurch wird die Sättigung dieser Transistoren verhindert. Die Eigenschaften der Schaltung werden durch die Begrenzung der Ausgangssignalamplitude auf -0,6 Volt verbessert, da auch hier unter sämtlichen Lastbedingungen eine zwar ausreichende, aber nicht zu hohe Amplitude unterhalb des Schwellwertes zur Verfügung gestellt wird. Die Begrenzung wirkt auch dann einvjandfrei, wenn zur Erweiterung der Logik an den Kollektor des Transistors T15 Kollektoren weiterer Transistoren angeschlossen werden, so daß ein zusätzlicher Strom fließt.

Da über die Begrenzung ein Strorapfad für überschüssigen Kollektorstrom geschaffen wird, kann das Verhältnis des Widerstandes R13 zu den Widerständen R11 und R12 niedriger gewählt werden. Dadurch ist das Ausgangssignal in geringerem Maße von den Widerständen R11 und R12 abhängig, die Werte der Widerstände und das Gleichlaufverhalten ist weniger kritisch.

Die Dioden D5 und D6 werden über den Subkollektoren der Transistoren T14 und T15 angeordnet, so daß die in den Fign. 2 and 3 gezeigte platzsparende Struktur entsteht.

Jeder Eingang der Schaltung enthält eine Schottky-Diode D4 liedriger Vorwärtsspannung von 0,3 Volt. Diese Dioden D4 werden durch Aufbringen von Metallkontakten geringer Barrierenaöhe verwirklicht. Die beispielsweise aus Titan-Wolfram oder

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Tantal-Chrom bestehenden Kontakte werden über einem gemeinsamen Subkollektor platzsparend und kapazitätsvermindernd angeordnet. Die Struktur der Schottky—Dioden D4 ist in Fig. und 6 dargestellt.

Bei bekannten emitter gekoppelten Logikstufen v/erden zusätzlich« Transistoren verwendet, um zusätzliche logische Eingänge am verwendeten S tr oitiüber nähme schalter zu schaffen. Diese zusätzlichen Transistoren erhöhen die Kollektor-Substratkapazität am gegenphasigen Ausgang und führen zu unsymmetrischen Ausgangssignalen an beiden Ausgängen. Diese zusätzlichen Transistoren erhöhen auch den Platzbedarf in integrieter Anordnung. Diese Nachteile sind beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel durch den Einsatz von Schottky-Dioden vermieden, deren Kathoden gemeinsam an die Basis des den gegenphasigen Ausgang bildenden Transistors T1 angeschlossen sind. Da diese Schottky-Dioden nur geringe Ströme führen, können sie extrem kleinflächig ausgebildet werden.

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Claims

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Λ .j Emittergekoppelte Logikstufe, enthaltend einen Stromübernahmeschalter mit mindestens einem ersten und j einem zweiten Transistor, deren Emitter an eine ge- ; meinsame Stromquelle angeschlossen sind, mit mehreren, den Basen der ersten Transistoren zugeordneten logi- ! sehen Eingängen und mit einem gleichphasigen, dem Kollektor des zweiten und einem gegenphasigen, j den Kollektoren der ersten Transistoren zugeordneten logischen Ausgang, wobei die Signalhübe der Eingangs- und Ausgangssignale definiert gleich groß sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des zweiten Transistors über eine in Durchlaßrichtung gepolte Schottky-Diode an die gemeinsame Stromquelle angeschlossen ist, daß die Basis des zweiten Transistors zusammen mit den Kollektorkreisen der ersten und zweiten Transistoren an Ziassepotential gelegt ist und daß die gemeinsame Stromquelle von der einzigen erforderlichen Betriebsyotentialquelle gespeist ist.

Emittergekoppelte Logikstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle aus der Reihenschaltung eines Widerstandes und der Betriebspotentialquelle besteht, daß die Kollektoren der ersten und zweiten Transistoren jeweils über einen Widerstand und die Basis des zweiten Transistors direkt mit Massepotential verbunden sind.

Emittergekoppelte Logikstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem in den Kollektorkreisen der Transistoren liegenden Widerstände jeweils eine Schottky-Diode angeordnet ist.

4. Emittergekoppelte Logikstufe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

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ORIGINAL INSPECTED

jeder Eingang über eine jeweils zugeordnete, in Durchlaßrichtung gepolte Schottky-Diode mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist.

5. Emittergekoppelte Logikstufe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Eingang mit der Basis eines jeweils zugeordneten ersten Transistors verbunden ist, wobei sämtliche ersten Transistoren mit ihren Kollektor-Emitterstrecken parallel geschaltet sind.

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