DE2941870C2

DE2941870C2 - Logikschaltung mit einem Strommodlogikkreis

Info

Publication number: DE2941870C2
Application number: DE2941870A
Authority: DE
Inventors: Akira Oisocho Kanagawa Yamagiwa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-10-17
Filing date: 1979-10-16
Publication date: 1982-06-24
Also published as: JPS5553924A; JPS635923B2; DE2941870A1; US4329597A

Description

Die Erfindung betrifft eine Logikschaltung mit einem Strommodlogikkreis. der wenigstens einen Eingangsanschluß für die Anlage eines Eingangssignals, einen Ausgangsanschluß für die Abgabe eines Ausgangssignals und einen als Konstantstromquelle arbeitenden Transistor enthält und mit einem an die Basis des Transistors der Konstantstromquelle angeschlossenen Nebensehlußregelkreis für die Zuführung einer unabhängig von Schwankungen in der Speisespannung konsi.inten Basisvorsprung, der einen zwischen Quellen für unterschiedliche Potentiale angeschlossenen und mit seiner Kollektor/Emitter-Strecke an der Basis des Transistors der Konstantstromquelle liegenden ersten Transistor und eine erste Vorspannungsstufe zum Teilen der Kollektor/Emitter Spannung des ersten Transistors für die Erzeugung einer Basisvorspannung für diesen Transistor aufweist.

Logikschaltungen dieser Art sind in der DE-AS 62 809 und auf den Seiten 168 und 169 von 1973 IEEE International Solid-State Circuit Conference, DIGEST OFTECHNICAL PAPERS, beschrieben.

Bei diesen bekannten Schaltungen ist nun zwar Unabhängigkeit von Schwankungen in der Versorgungsspannung gewährleistet, es verbleibt jedoch ein unkompensierter Einfluß von Änderungen in der Grenzschichttemperatur, die im Ergebnis ungünstige Auswirkungen auf die Rauschgrenze der gesamten Schaltung haben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Logikschaltung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß eine Kompensation sowohl von Schwankungen in der Versorgungsspannung als auch von Temperaturänderungen erreicht wird, so daß die Arbeitsweise der Schaltung weder eine Temperaturabhängigkeit noch eine Speisespannungsabhängigkeit zeigt.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Logikschaltung, wie sie im Patentanspruch 1 angegeben ist; vorteilhafte Weiterbildunger, der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung enthält eine Logikschaltung für kleine Amplituden einen Transistor, der als Konstantstromquelle arbeitet, wobei diese Konstantstromquelle durch Vorspannungsstufen vorgespannt gehalten wird, die sowohl die Speisespannungsabhängigkeii als auch die Temperaturabhängigkeit des Strommodlogikkreises zu kompensieren vermögen. Dabei kommt eine Gegenkopplung auf den Transistor der Konstantstromquelle zur Anwendung, um die Speisespannungsabhängigkeit zu kompensieren, während die Differenz zwischen der Temperaturabhängigkeit der Sperrschichtspannung an einem von zwei Transistoren in einer Steuerstufe und der des zweiten Transistors infolge der unterschiedlichen Emitterstromdichten ausgenutzt wird, um die Abhängigkeit des Konstantstromquellentransistors von der Sperrschicnttemperatur zu kompensieren.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen; in dieser zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild für eine direkt gekoppelte Strommodlogikschaltung für kleine Amplituden,

F i g. 2 ein Schaltbild für oinen vrher für eine solche Schaltung üblichen Vorspannungsgenerator,

F1 g. 3 bis 5 verschiedene Kennlinien für einen Betrieb der Schaltung von Fig. 1 in Verbindung mit dem Vorspannungsgenerator nach F i g. 2,

F i g. 6 ein Schaltbild für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Vorspannungserzeugung gemäß der Erfindung, und

F i g. 7 bi«. 9 die Fig. 3 bis 5 entsprechenden Kennlinien für den Betrieb der Schaltung von Fig. I in Verbindung mit der Vorspannungserzeugung gemäß Fig. 6.

In F i g. 1 sind Transistoren Q_n. Q\ und Qj. welche die Grundschaltungselemente eines im folgenden kurz als CML-Anordnung bezeichneten Strommodlogikkreises bilden, über ihre Emitter mit dem Kollektor eines weiteren Transistors Q> verbunden, der zusammen mit einem Emitterwiderstand Rf eine Konstantstromquelle darstellt. Die Kollektoren der Transistoren Qx und Q₂ sind über einen gemeinsamen Widerstand Rr ν mit einer Konstantpotentialquelle einer Spannung V₍₍ verbunden, während der Kollektor des Transistors Qq über einen weiteren Widerstand Rco an diese Konstantpotentialquelle angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors Qi ist über den Widerstand Re mit einer anderen Konstantpotentialquelle einer Spannung V_EE verbunden, und die Basis des Transistors Qi ist an einen Vorspannungsgenerator 14 angeschlossen, die eine Spannung Vcsabgibt, die höher ist als die Spannung Vee-

Der Vorspannungsgenerator 14 legt außerdem eine Bezugsspannung K_remn die Basis des Transistors Qa.

Wenn im Betrieb der dargestellten CML-Anordnung eines der Eingangssignale IN\ und INi, die an den Basisanschlüssen des Transistors Q\ bzw. des Transistors Q> liegen, den Pegel der vom Vorspannungsgenerator 14 der Basis des Transistors Q> zugeführten Bezugsspannung V_re/überschreitet, wird ein Strom vom Transistor Qa zum Transistor Qi oder Q2 geschaltet. Folglich tritt ΐίη die NOR-Logik der beiden Eingangssignale IN\ und IN2 darstellendes Ausgangssignal Voim an den zusammengeschalteten Kollektoren der Transistoren Q\ und Qi auf, während ein die ODER-Logik der beiden Eingangssignale IN\ und IN2 darstellendes Ausgangssignal Voirrj am Kollektor des Transistors Qo vorliegt

In einer derartigen KJeinamplituden-CM L-Anordnung sind eine Kompensation für die Versorgungsspannungen Vee und Vcc sowie eine Kompensation für die Sperrschichttemperatur erforderlich, um die gewünschte Rauschgrenze zu gewährleisten. Die Hauptfaktoren zur Erfüllung dieser Forderung umfassen den Betrieb der Konstantstromquelle aus dem Transiskor Qs und dessen Emitterwiderstand Re und den Betrieb des Vorspannungsgenerators 14, der die Spannung V_Cs an den Transistor Qi legt Die Grundidee einer Kompensation einer Änderung in den Versorgungsspannungen und einer Änderung in der Temperatur in der in Fi g. 1 gezeigten CML-Anordnung liegt in der Verhinderung jeder Veränderung im Potentialpegel jedes Ausgangssignals Vo(Ti und Voi/T2 ohne Beachtung der Änderungen in den Versorgungsspannungen und der Temperatur. Hierzu muß die vom Vorspannungsgenerator 14 an die Basis des Transistors Qi gelegte Spannung V_Cs so sein, daß der zum Transistor Qi gespeiste Strom keine Veränderung aufgrund einer Veränderung in der Versorgungsspannung Vee und einer Veränderung in der Temperatur unterworfen ist

F i g. 2 zeigt eine herkömmliche Ausführungsform für den Vorspannungsgenerator 14. Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung ist ein Nebenschlußregler, in dem ein Widerstand Rj am Kollektor und der Basis eines Transistors Q_t und ein weiterer Widerstand Rt an der Basis und am Emitter des Transistors Qt liegen und eine Gegenkopplungsschaltung für den Transistor Qa bilden. Der durch diese Gegenkopplungsschaltung fließende Strom wird durch zwei in Reihe geschaltete Widerstände Λι und R₂ begrenzt Die am Kollektor und am Emitter des Transistors Qa auftretende Spannung Vf 5 ir.t durch die folgende Gleichung (1) gegeben:

V_U

mit Vbf<= Emitter-Basis-Spannung des Transistors Qi.

In Gleichung (1) wird der Basisstrom des Transistors Qt nicht berücksichtigt.

Wenn diese Spannung Vcs an der Basis des Transistors Qi liegt und der Widerstand Re mit dem Emitter des Transistors Qi in Fig. 1 verbunden ist, ist der Kollektorstrom des Transistors Qi, d. h. der Schaltstrom Ics durch die folgende Gleichung (2) gegeben:

its

Vr, - V*

BEi

Es wird dabei angenommen, daß Vbei= Vbe4= Vbe gilt und der durch die Gleichung (1) gegebene Wert von VtI- in die Gleichung (2) eingesetzt wird. Das Änderungsmaß des Schaltstromes Ics bezüglich der Änderung der Versorgungsspannung Vee und das Änderungsmaß des Schaltstromes Ics bezüglich der Änderung der Sperrschichttemperatur T₁ ist durch die Gleichungen (3) bzw. (4) gegeben:

A V_E

AT₁

Aus der Gleichung (3) folgt, daß die Verwendung des in F i g. 2 gezeigten Vorspannungsgenerators 14 die Abhängigkeit der Ausgangssignalt Vouti und Voisri von der Versorgungsspannung Vee ausschließt, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist Jedoch ist die gewünschte Kompensaiion für die Sperrschicht smperatur T₁ noch nicht ausreichend, wie dies der Gleichung (4) entnommen werden kann. Es sei z. B. angenommen VOr=O V, VfE=-2 V, Amplitudenwert = 0,4 V, Spannung an Widerstand Re =0,4 V und V_S£=0,8 V. Dann gilt

± + A Vb₁ =

= 0.4V + V_Bt = 1,2V,

und in diesem Fall ist —- =0.5 gewählt. Daher kann die

Gleichung (4) ausgedrückt werden durch:
A h ν 0,5

AT.

AV_uf.

Da die Kollektorwiderstände Rcn und Rco in F i g. 1 Rco^aRegewählt sind, ist das Änderungsmaß des Ausgangssignales Völ bezüglich der Änderung der Temperatur T₁ durch die folgende Gleichung (5) gegeben:

AV₁₁₁ _ Ah, ,
AT, AT₁ '

Ä,„oderß_(V = 0.5 Δ V_B,.

mit Vbej= Basis-Emitwr-Spannung des Transistors Q3.

Das durch die Gleichung (5) gegebene Änderungsmaß ist beträchtlich groß. Der Wert von Δ Vql beträgt 4VOt=IOOmV. wenn z.B. Δ V_BC/ATj= -2 mV/°C bei einer üblichen Sperrschichtspannung und zJ7}=50°C vorliegen.

F i f.. 5 zeigt die Temperaturabhängigkeit eines derartigen Ausgangssignales Vour· Fig.3 zeigt die Übertragungskennlinie der in F i g. 1 dargestellten CML-Anordnung bei Anschluß an den in Fig. 2 gezeigten Vorspannungsgenerator 14.

Daraus folgt also, daß der in F i g. 2 dargestellte Vorspannungsgrnerator 14 aie Temperaturabhängigkeit nich' vollständig kompensieren kann. Wenn das Verhältnis von R₃ zu Ra in der Gleichung (4) ausreichend klein gewählt wird, kann das ÄnderurgsihaÖ von Ics bezüglich 7} klein gemacht werden; jedoch ändert sich der Ausgangspegel nicht zwischen dem niederen Pegel und dem hohen Pegel aufgrund der Zunahme im Verhältnis von Rc Re (&cn zu Re oder Rco zu Re)-Weiterhin kann diese Zunahme im Verhältnis von

Re und damit der erhöhte Verstärkungsfaktor zu einer unerwünschten Schwingung der Schaltung führen. Weiterhin wird der Schallungsbetrieb stark durch die Herstellungstoleranzen dieser Widerstände beeinflußt.

Fig.6 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorspannungsgeneralors. In Fig.6 ist der Schaltungsteil einschließlich des Transistors Qa im wesentlichen mit dem in F i g. 2 dargestellten Schaltungsteil vergleichbar, mit der Ausnahme, daß der Widerstand R₃ für die Vorspannung des Transistors Qa, d. h. in der Gleichstrom-Gegenkopplungsschaltung für den Transistor Qi, in zwei in Reihe geschaltete Widerstände Ria und /?3b geteilt ist. Ein Mehrfachemilter-Transistor Qe ist an seinem Kollektor mit dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände Ria und Rw is verbunden und an seinen Emittern an die Spannungsquelle für die Versorgungsspannung VVf über einen gemeinsamen Widerstand Ri angeschlossen. Der Transistor Qe ist an seiner Basis mit dem Kollektor des Transistors Qa über einen Widerstand Rt und weiterhin S mit der Spannungsquelle für die Versorgungsspannung Vee über einen Transistor D_x verbunden, der als Diode arbeitet und daher im folgenden auch als Diode bezeichnet wird. Der Widerstand /?e und die Diode D_x bilden eine Basis-Vorschaltung für den Transistor Qe.

Damit der in F i g. 6 gezeigte erfindungsgemäße Vorspannungsgenerator die Versorgungsspannungsabhängigkeit und die Temperaturabhängigkeit der in ^

Fig. 1 dargestellten CML-Anordnung vollständig ko'mpensieren kann, wenn er in diese CML-Anordnung eingesetzt wird, werden die Kollektorwiderstände Rcn, Rco und der Emitterwiderstand Re so gewählt, daß sie den gleichen Widerstandswert besitzen, um einen konstanten Strom in den Transistor Qi zu speisen. Das heißt, hinsichtlich der Spannung Vcs müssen für die 35 mit obige vollständige Kompensation folgende Gleichungen erfüllt sein:

die Diode D₁ fließende Strom bzw. der zum Kollektor des Mehrfachemitler-Transistors Qt gespeiste Strom bzw. der durch den Widerstand Ra fließende Strom sind mit I_x bzw. h bzw. Λ bezeichnet. Weiterhin wird zur Vereinfachung der Basisstrom jedes einzelnen Transistors nicht berücksichtigt, da er vernachlässigbar ist.

Die Basis-Emitter-Spannung des Mehrfachemitter-Transistors Qi bzw. die Vorwärts- oder Durchlaßspannung der Diode D_x bzw. die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Qi, sind mit Vbes bzw. Vbei bzw. Vbe4 bezeichnet. Dann gelten die folgenden Gleichungen (8), (9) und (10):

AV.

CS _

A V_n

= 0

Λ V₁

AT,

es _

^yBE}

AT₁

(6)

(7) h =

BEA

Λ4

- Vhf.6

= Ruh +

+ R}_B)h + V_BEA.

(10)

Wenn die durch die Gleichungen (8) und (9) gegebenen Werte von h und h in die Gleichung (10) eingesetzt werden, ergibt sich für Vcs:

Rs

\'bex - V_BEi) -

R4

40 J_x

Jz Boltzmann-Konstante,
Elementarladung,
absolute Temperatur,
Emitterstromdichte in Diode D_x,
Emitterstromdichte in Transistor Qe.

Aus der Gleichung (11) folgt, daß die die Abhängig-. keit der Stromquellen-Spannung Vcs von der Änderung der Versorgungsspannung Vee darstellende Gleichung (6) nunmehr erfüllt isL Dagegen ist die

mit Vfl£= Basis-Emitter-Spannung des Transistors O3. — . ,,_ . , .. u -es

Im folgenden wird der Betrieb des erfindungsgemä- Temperaturabhang.gke.t -^- ßen Spannungsgenerators näher erläutert. Der durch 50 Gleichung(12) gegeben:

durch die folgende

AV₁

AT₁

es ₌

— In

AT₁

(12)

Die EmitteTflache der Diode D_x und die Emitterfläche des Transistor? Q₆ werden nun mit A_Et bzw. A_Fi bezeichnet. Dann folgt für /i/A:

Mit ΑειΙΑ_ελ = η folgt aus Gleichung (12):

-i ΈΤ D V f T V I? -i- I?

^LIS. = "3Λ . _^-in f-y--n ) + AT, R₅ q \h J iU

AT₁

Daher kann die Temperaturabhängigkeit der CML-Anordnung Vollständig kompensiert werden, wenn die Widerstandswerte der Widerstände R₃,\, R₃B, Ra, Rs, die Werte der Ströme I₁,1₁ und der Wert des Verhältnisses Λε^Αει^η so gewählt werden, daß der durch

Δ V es
Gleichung (13) festgelegte Wert von j _T gleich ist dem durch die Gleichung (7) festgelegten Wert von ,4 ^vbei

Der Transistor Q₆ muß nicht, wie dargestellt, ein Mehrfachemitter-Transistor sein, und die Emitterfläche des als die Diode D\ wirkenden Transistors D\ kann von der Emilterfläche des Transistors Q& verschieden sein, um die Temperatufänderung des Transistors Q₃ in einer ähnlichen Weise zu kompensieren, wie dies oben beschrieben wurde.

Die Fig.-7j 8 Und 9 zeigen die Übertragungs-Kennlinie bzw. die Vorspannungsabhängigkeit-Kennlinie bzw. die ■Teinpefatüfäbfiähgigkek-Renhiinie der in Kig. i dargestellten Kleinamplituden-CML-Anordnung, wenn der in Fig.6 dargestellte erfindungsgemäße Spannungsgenerator verwendet wird.

Aus den obigen Erläuterungen der Erfindung folgt, daß die Gegenkopplung am Transistor Q₃ über dessen Nebenschlußregler liegt, um die Abhängigkeit des Transistors Q₃ von der Vefsorgungsspannung Vee zu kompensieren, und die Differenz zwischen der Temperaturabhängigkeit der Übergangsspannung des Mehrfächeniilter-Transislors Qi und derjenigen der Diode D\ aufgrund der verschiedenen Emitterstromdichten dient zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Transistors Q₃. Daraus folgt, daß die Versörgungsspannungsabhängigkeit und die Temperaturabhängigkeit

der Kleinarnplitudeh-CML-AnordriUrtg vollständig kompensierbar sind, wenn der erfindungsgemäße Spannungsgenerator verwendet wird, um die Basis-Vorspannung für den Konstantstrom-Transistor Q₃ in der CM L-Anordnung zu gewinnen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

130223/432

Claims

Patentansprüche:

1. Logikschaltung mit einem Strommodlogikkreis, der wenigstens einen Eingangsanschluß für die Anlage eines Eingangssignals, einen Ausgangsanschluß für die Abgabe eines Ausgangssignals und einen als Konstantstromquelle arbeitenden Transistor enthält, und mit einem an die Basis des Transistors der Konstantstromquelle angeschlossenen Nebenschlußregelkreis für die Zuführung einer unabhängig von Schwankungen in der Speisespannung konstanten Basisvorspannung, der einen zwischen Quellen für unterschiedliche Potentiale angeschlossenen und mit seiner Kollektor/Emitter- ι Strecke an der Basis des Transistors der Konstantstromquelle liegenden ersten Transistor und eine erste Vorspannungstufe zum Teilen der Kollektor/ Emitter-Spannung des ersten Transistors für die Erzeugung einer Basisvorspannung für diesen Transistor aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß weiter ein mit der ersten Vorspannungsstufe (RjA, RiB) verbundener zweiter Transistor (Q₆) als Nebenschluß für einen Teil der durch die erste Vorspannungsstufe fließenden Stromes und eine 2=> zweite Vorspannungsstute (Rb, D\) zum Erzeugen einer Basisvorspannung für liesen zweiten Transistor mit einem als Diode arbeitenden dritten Transistor (!^vorgesehen sind.

2. Logikschaltung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor (Qi,) und der dritte "ransistor (D;) zur Kompensation der Ternperaturabhängigkeit für den Transistor (Oi,)der Konstantstromquelle bei unterschiedlicher Emitterstromdichte arbeiten. a

3. Logikschaltung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor ) Mehrenittertransistor ist.

4. Logikschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis

3. dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistör (Q_k)und der dritte Transistor (D\)unterschiedliche Emitterflächen aufweisen.