DE2946192C2

DE2946192C2 - Frequenzteiler

Info

Publication number: DE2946192C2
Application number: DE2946192A
Authority: DE
Inventors: Shyoichi Fujisawa Kanagawa Shimizu; Ken-Ichi Yokohama Torii
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1978-11-21
Filing date: 1979-11-15
Publication date: 1982-04-01
Also published as: GB2036495A; DE2946192A1; JPS5570133A; JPS6128257B2; CA1132203A; US4315165A; GB2036495B

Description

■»5 Die Erfindung betrifft einen Frequenzteiler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dessen wenigstens zwei Flipflopschaltungskreise gewöhnlich Master- und Slave-Flipf lops (MS- Flipflops) sind.

Man verwendet allgemein Frequenzteiler mit MS-Flipflops, die sich aus emittergekoppelten Transistoren zusammensetzen. Der Master- und der Slaveteil dieser Flipflops enthalten jeweils Übertragungsglied-Transistoren, die den Betriebszustand zwischen den beiden Flipflops übertragen. Die Kollektoren dieser Transistoren sind jeweils mit den Kollektoren der die Flipflops bildenden emittergekoppelten Transistoren zusammengeschaltet. Die Basis eines Übertragungsglied-Transistors eines Flipflops ist mit der Basis des anderen Flipflops verbunden. Auch von den Übertragungsglied-Transistoren sind jeweils zwei emittergekoppelt. Außerdem ist mit den zusammengeschlossenen Emittern der jeweiligen Flipflop- und Übertragungsglied-Transistoren ein Umschaltkreis verbunden, der dazu dient, die Richtung der Betriebszustandsübertragung zwischen den beiden Flipflops abhängig von einem Eingangssignal umzuschalten. Der Umschaltkreis ist beispielsweise aus zwei emittergekoppelten Transistoren gebildet, deren Basen mit Eingangssignalen

beaufschlagt werden und deren Kollektoren mit den zusammengeschlossenen Emittern der Flipflops und der Übertragungsglied-Transistoren verbunden sind. Außerdem ist der Umschaltkreis mit Transistoren verbunden, die der Vorspannung dienen und eine Stromquelle bilden.

Bei den Frequenzteilern, die solche bekannten MS-Flipflops enthalten, ist demzufolge die Anzahl der eingesetzten Elemente, speziell der Transistoren groß, so daß es unmöglich ist, die Chipfläche der integrierten Schaltung einer mehrstufigen Anordnung solcher Frequenzteiler zu verringern. Darüber hinaus bringt eine zunehmende Anzahl von Elementen viele Streuungen der Eigenschaften der Elemente mit sich, was auch zu Schwierigkeiten führen kann.

Aus der DE-OS 24 18 079, der DE-OS 24 55 125 und der DE-OS 24 59 562 sind bereits Frequenzteiler mit wenigstens zwei Flipflopschaltungskreise" bekannt, bei denen zumindest die beiden Transistoren eines dieser Flipflopschaltungskreise als Doppelkollektor-Transistoren ausgebildet sind. In allen Fällen handelt es sich aber um Schaltungsaufbauten, die im Gegensatz zur ECL-Logik des voranstehend beschriebenen Standes der Technik und des Anmeldungsgegenstandes in PL-Technik aufgebaut sind. Bei dieser I²L-Logik, deren Anwendung auf den Megahertz-Bereich beschränkt ist, sind andere Probleme und Schaltungskriterien als bei der ECL-Logik zu beachten.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Frequenzteiler mit emittergekoppelten MS-Flipflops zu schaffen, der bei verringerter Anzahl der eingesetzten Elemente für eine Integration in großem Ausmaß geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung und die aus ihr ergebenden Vorteile werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines 1/2-Frequenzteilers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig.2 eine Schnittansicht eines Doppelkollektor-Transistors des Frequenzteilers von F i g. 1,

Fig.3 ein Ersatzschaltbild des Doppelkollektor-Transistors von F i g. 2,

F i g. 4 ein Schaltbild eines 1/4-Frequenzteilers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und

Fig.5 bis 8 Schnittansichten weiterer Doppelkollektor-Transistoren gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung in Form des Schaltbilds eines 1/2-Frequenzteilers. Ein positiver Speisespannungsanschluß VCC einer äußeren Energie- bzw. Spannungsquelle (nicht gezeigt) ist mit einem Anschluß jeweils eines Widerstands 10 und 12 verbunden. Der andere Anschluß des Widerstands 10 ist über den Kollektor-Emitter-Kreis von NPN-Transistoren 14 und 16 und einen Widerstand 18 mit einem negativen Speisespannungsanschluß VEE verbunden. Bei den als Dioden geschalteten Transistoren 14 und 16 sind Basis und Emitter kurzgeschlossen. Alle in diesem Frequenzteiler enthaltenen Transistoren sind NPN-Transistoren. Der andere Anschluß des Widerstands 12 ist mit dem Kollektor eines Transistors 20 verbunden. Die Basis des Transistors 20 ist mit dem Verbindungs- b^r> punkt zwischen dem Widerstand 10 und dem Transistor 14 verbunden, während der Emitter des Transistors 20 über einen Widerstand 22 mit dem negativen Speisespannungsanschluß VEE verbunden ist Der Emitter des Transistors 20 ist außerdem mit der Basis eines Transistors 24 verbunden. Der Emitter des Transistors 24 ist über einen Widerstand 26 mit dem negativen Speisespannungsanschluß VEE verbunden. Der Transistor 24 und der Widerstand 26 bilden eine Konstantstromschaltung. Die Widerstände 10, 12, 18, 22 und 26 und die Transistoren 14, 16, 20 und 24 bilden eine Vorspannungsschaltung. Diese Vorspannungsschaltung ist lediglich als eine Ausführungsform anzusehen; die Transistoren könnten durch einen Widerstand zwischen den Emittern von Transistoren 28, 30 und dem negativen Speisespannungsanschluß VEE ersetzt werden. Der Kollektor des Transistors 24 ist mit den Emittern der Transistoren 28 und 30 verbunden. Eingangsanschlüsse 32 und 34 sind jeweils mit der Basis der emittergekoppelten Transistoren 28 bzw. 30 verbunden. Diese emittergekoppelten Transistoren 28 und 30 bilden einen Umschaltkreis, der durch das Potential an den Basen seiner Transistoren ein- und ausgeschalte« wird.

Der Kollekter des Transistors 28 ist mit den Emittern von emittergekoppelten Transistoren 36 und 38 verbunden, während der Kollektor des Transistors 30 mit den Emittern von emittergekoppelten Transistoren 40 und 42 verbunden ist. Bei allen Transistoren 36,38,40 und 42 handelt es sich um Doppelkollektor-Transistoren. Ein erster Kollektor 36/4 des Transistors 36 ist mit der Basis eines Transistors 44 und außerdem über einen Lastwiderstand 46 mit dem positiven Speisespannungsanschluß VCC verbunden. Der Kollektor des Transistors 44 ist mit dem positiven Speisespannungsanschluß VCC verbunden, während sein Emitter einerseits über den Kollektor-Emitter-Kreis eines Transistors 48 und einen Widerstand 50 mit dem negativen Speisespannungsanschluß V££und andererseits mit der Basis des Transistors 38 verbunden ist. Kollektor und Basis des als Diode dienenden Transistors 48 sind kurzgeschlossen. Ein erster Kollektor 38/4 des Transistors 38 ist über einen Lastwiderstand 52 mit dem positiven Speisespannungsanschluß VCC und außerdem mit der Basis eines Transistors 54 verbunden. Der Kollektor des Transistors 54 ist mit dem positiven Speisespannungsanschluß VCC verbunden, während sein Emitter einerseits über den Kollektor-Emitter-Kreis eines Transistors 56 und einen Widerstand 58 mit dem negativen Speisespannungsanschluß VEf und andererseits mit der Basis des Transistors 36 verbunden ist. Kollektor und Basis des als Diode dienenden Transistors 56 sind kurzgeschlossen. Diese Transistoren 36 (erster Kollektor), 44, 38 (erster Kollektor) und 54 bilden ein Master-Flipflop. Die Emitterfolgertransistoren 44 und 54 sollen den Schaltvorgang beschleunigen.

Ein zweiter Kollektor 36ß des Transistors 36 ist mit einem ersten Kollektor 42Λ des Transistors 42 verbunden, während ein zweiter Kollektor 38S des Transistors 38 mit einem ersten Kollektor 4OA des Transistors 40 verbunden ist. Die Transistoren 36 und 38 (zweite Kollektoren) dienen als Übertragungsglied-Transistoren des Master-Fiipflops.

Der erste Kollektor WA des Transistors 40 ist andererseits über einen Lastwiderstand 60 mit dem por'tiven Speisespannungsanschluß VCC'und außerdem mit der Basis eines Transistors 62 verbunden. Der Kollektor des Transistors 62 ist mit dem positiven Speisespannungsanschluß VCC verbunden, während sein Emitter einerseits über den Kollektor-Emitter-Kreis eines Transistors 64 und einen Widerstand 66 mit

dem negativen Speisespannungsanschluß VEE und andererseits mit der Basis des Transistors 42 verbunden ist. Kollektor und Basis des als Diode dienenden Transistors 64 sind kurzgeschlossen. Der erste Kollektor 42/4 des Transistors 42 ist über einen Lastwiderstand 68 mit dem positiven Speisespannungsanschluß VCC und außerdem mit der Basis eines Transistors 70 verbunden. Der Kollektor des Transistors 70 ist mit dem positiven Speisespannungsanschluß VCC verbunden, während sein Emitier einerseits über den Kollektor-Emitter-Kreis eines Transistors 72 und einen Widerstand 74 mit dem negativen Speisespannungsanschluß VEE und andererseits mit der Basis des Transistors 40 verbunden ist. Kollektor und Basis des als Diode dienenden Transistors 72 sind kurzgeschlossen. Diese Transistoren 40 (erster Kollektor), 62, 42 (erster Kollektor) und 70 bilden ein Slave-Flipflop. Die Emitterfolgertransistoren 62 und 72 sollten den Schaltvorgang beschleunigen. Ein zweiter Kollektor 40ß des Transistors 40 ist mit dem ersten Kollektor 36Λ des Transistors 36 verbunden, während ein zweiter Kollektor 42ß des Transistors 42 mit dem ersten Kollektor 48Λ des Transistors 80 verbunden ist. Die Transistoren 40 und 42 (zweite Kollektoren) dienen als Übertragungsglied-Transistoren des Slave-Flipflops. Die Emitter der Transistoren 64 und 72, die als Last für die Emitterfolger des Slave-Flipflops verwendet werden, sind mit Ausgangsanschlüssen 76 bzw. 78 verbunden.

Anhand von F i g. 2 soll nun eine spezielle Anordnung der Doppelkollektor-Transistoren 36, 38, 40 und 42 beschrieben werden. F i g. 2 ist eine Schnittansicht eines Doppelkollektor-Transistors. Durch epitaxiales Aufwachsen ist auf einem Substrat 100 aus P-leitendem-Silicium eine N-leitende Schicht 102 mit geringer Dotierstoff- bzw. Störstellenkonzentration ausgebildet (wenn im folgenden vereinfachend nur noch von »Konzentration« die Rede sein wird, dann ist hierunter jeweils die Störstellenkonzentration des entsprechenden Leitfähigkeitstyps zu verstehen). Die Epitaxialschicht 102 ist durch P⁺-leitende Schichten oder Zonen 104 und 106 hoher Konzentration, die durch Diffusion mit einer bis zum Substrat 100 reichenden Tiefe erzeugt sind, in verschiedene Inselzonen aufgeteilt. Eine P-leitende Schicht 108 ist durch Diffusion im Oberflächenbereich einer dieser Inselzonen 102 erzeugt. N+-leitende Schichten 110 und 112 mit hoher Konzentration sind durch Diffusion im Oberflächenbereich der P-Ieitenden Schicht 108 ausgebildet. Zwischen dem P-leitenden Substrat 100 und der N-leitenden Inselzone 102 liegen eine erste und eine zweite N+ -leitende vergrabene Schicht 114 bzw. 116, die getrennt voneinander vergraben sind. Jeweils auf einer Seite schließen sich diese vergrabenen Schichten 114 und 116 N+-leitenden Schichten an, die durch Diffusion von der Oberfläche unabhängig von den vergrabenen Schichten ausgebildet sind. Die N+-leitenden Diffusionsschichten sind jeweils mit einer ersten bzw. einer zweiten Kollektorelektrode 118 und 120 verbunden. Zur Verringerung des Basiswiderstands ist die P-leitende Diffusionsschicht 108 mit drei Basiselektroden 122, 124 und 126 verbunden, die extern zusammengeschlossen sind. Zur Vergrößerung der Umfangslänge der Emitterzone mit dem Ziel einen Betrieb bei hoher Frequenz zu erlauben, sind die N+-leitenden Diffusionsschienten 110 und 112 jeweils mit Emitterelektroden 128 bzw. 130 verbunden, die extern zusammengeschlossen sind. Ein SiO2-Film 132 ist mit Ausnahme der Elektrodenanschlußbereiche auf der Oberfläche der N-Ieitenden Epitaxialschicht 102 ausgebildet.

Die erste und die zweite N+ -leitende vergrabene Schicht 114 und 116 sind nicht völlig elektrisch getrennt ■> voneinander, sondern durch die N-leitende Epitaxialschicht 102 verbunden. In einem Ersatzschaltbild des Doppelkollektor-Transistors, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. befinden sich ein Widerstand RC und ein Kondensator CC zwischen dem ersten und dem zweiten

ίο Kollektor. Wenn der Wert des Widerstands RC ausreichend groß gegenüber den Lastwiderständen 46, 52, 60 und 68 ist, dann wirken die beiden Kollektoren unabhängig voneinander. Wenn beispielsweise der spezifische Widerstand der N-leitenden Epitaxialschicht 102 angenommen ist zu 2 Ω/cm, die Dicke A" der N-Ieitenden Epitaxialschicht 102 vom Boden der P-Ieitenden Schicht 108 bis zu Oberseite des P-Ieitenden Substrats 100 X— 3,5 μπι ist, der Abstand Y zwischen der ersten und der zweiten N+ -leitenden vergrabenen Schicht 114 und 116 Κ=20μηι ist und die Länge der vergrabenen Schichten (senkrecht zur Zeichenebene von F i g. 2 gemessen) 45 μπι beträgt, dann erhält man einen Wert von annähernd 2 V£l für den Widerstand RC von F i g. 3.

Die Kapazität des Kondensators CC entspricht annähernd der Summe der Sperrschichtkapazität zwischen dem Substrat 100 und der vergrabenen Schicht 114 und der Sperrschichtkapazität zwischen der Basisschicht 108 und der Epitaxialschicht 102. Da in diesem Fall beide Sperrschichten stark in Sperrichtung vorgespannt sind, haben diese Sperrschichtkapazitäten sehr kleine Werte (kleiner als 1 pF). Darüber hinaus sind mit den Kondensatoren jeweils nicht gezeigte Widerstände hohen Werts in Reihe geschaltet und verkleinern die Wirkung dieser Kondensatoren. Wenn demzufolge die Lastwiderstände 46,52,60 und 68 beispielsweise auf 360 Ω dimensioniert werden, verschwinden die Wirkungen des Widerstands RC und des Kondensators CC so daß der Transistor zufriedenstellend als Doppelkollektor-Transistor arbeiten kann.

Nachfolgend soll die Arbeitsweise des in beschriebener Weise aufgebauten Frequenzteilers erläutert werden.

Es sei zunächst angenommen, daß in einer ersten Stufe das an die Eingangsanschlüsse angelegte Eingangssignal den Eingangsanschluß 32 auf einen hohen Pegel und den Eingangsanschluß 34 auf einen niedrigen Pegel bringt. Der Transistor 28 leitet dann. Ferner wird angenommen, daß die Basispotentiale der Transistoren

so 36 und 38 nicht völlig gleich sind, daß vielmehr das Basispotential des Transistors 38 ein wenig höher liegt. Der Transistor 36 ist dann gesperrt, während der Transistor 38 leitend ist. Strom fließt vom positiven Speisespannungsanschluß VCC über den Lastwiderstand 52 zum ersten Kollektor 38Λ des Transistors 38 und über den Lastwiderstand 60 zum zweiten Kollektor 38B des Transistors 38 und vom Emitter des Transistors 38 über die Transistoren 28 und 24 und den Widerstand 26 zum negativen Speisespannungsanschluß VEE Die Emitterpotentiale der Transistoren 54 und 62 werden niedrig, da ihre Basispotentiale aufgrund der jeweiligen Spannungsabfälle an den Lastwiderständen 52 und 60 niedrig werden. Auf der anderen Seite werden die Emitterpotentiale der Transistoren 44 und 70 hoch, da ihre Basispotentiale hoch werden. Da das Emitterpotential des Transistors 62 niedrig ist, wird das Basispotential des Transistors 42 niedrig und am Ausgangsanschluß 76 ein Signal mit niedrigem Pegel erzeugt Da das

Emitterpotential des Transistors 70 hoch ist, wird das Basispotential des Transistors 40 hoch und am Ausgangsanschluß 78 ein Signal hohen Pegels erzeugt. Das Basispotential des Transistors 42 wird niedrig, da das Emitterpotential des Transistors 62 niedrig ist. Das Basispotential des Transistors 40 wird hoch, da das Emitterpotential des Transistors 70 hoch ist.

In einer zweiten Stufe werden dann die Pegel der Eingangsanschlüsse 32 und 34 umgekehrt, so daß der Transistor 30 leitet. Da das Basispotential des Transistors 40 als Folge der ersten Stufe höher als das des Transistors 42 ist, wird der Transistor 40 leitend. Strom fließt vom positiven Speisespannungsanschluß VCC zum ersten und zum zweiten Kollektor 40Λ und 4OSdes Transistors 40 über den Lastwiderstand 60 bzw. 46 und vom Emitter des Transistors 40 über die Transistoren 30, 24 und den Widerstand 26 zum negativen Speisespannungsanschluß VEE. Die Emitterpotentiale der Transistoren 44 und 62 werden niedrig, weil ihre Basispotentiale aufgrund des jeweiligen Spannungsabfalls am Lastwiderstand 46 bzw. 60 niedrig sind. Andererseits werden die Emitterpotentiale der Transistoren 54 und 70 hoch, da ihre Basispotentiale hoch liegen. Da das Emitterpotential des Transistors 62 niedrig ist, wird das Basispotential des Transistors 42 niedrig und am Ausgangsanschluß 76 ein Signal niedrigen Pegels erzeugt. Da das Emitterpotential des Transistors 70 hoch ist, wird das Basispotential des Transistors 40 hoch und am Ausgangsanschluß 78 ein Signal hohen Pegels erzeugt. Da außerdem das Emitterpotential des Transistors 44 niedrig ist, wird das Basispotential des Transistors 38 niedrig. Da das Emitterpotential des Transistors 54 hoch ist, wird das Basispotential des Transistors 36 hoch.

In einer dritten Stufe werden die Pegel der Eingangsanschlüsse 32 und 34 umgeschaltet, so daß der Transistor 28 wieder leitet. Da der Transistor 36 als Folge der zweiten Stufe leitend ist, fließt Strom vom positiven Versorgungsspannungsanschluß VCC über den jeweiligen Lastwiderstand 46 bzw. 48 zum ersten und zweiten Kollektor 36A und 36ß des Transistors 36 und von dessen Emitter über die Transistoren 28 und 24 und den Widerstand 26 zum negativen Speisespannungsanschluß. Die Emitterpotentiale der Transistoren 44 und 70 werden niedrig, da ihre Basispotentiale aufgrund des jeweiligen Spannungsabfalls an den Lastwiderständen 46 bzw. 68 niedrig werden. Die Emitterpotentiale der Transistoren 54 und 52 werden hoch, da ihre Basispotentiale hoch sind. Da das Emitterpotential des Transistors 62 hoch liegt, wird das Basispotential des Transistors 42 hoch und am Ausgangsanschluß 76 ein Signal hohen Pegels erzeugt Da das Basispotential des Transistors 70 niedrig wird, wird auch das Basispotential des Transistors 40 niedrig und am Ausgangsanschluß 78 ein Signal niedrigen Pegels erzeugt Das Basispotential des Transistors 40 wird niedrig, da das Emitterpotential des Transistors 70 niedrig ist, während das Basispotential des Transistors 42 hoch wird, da das Emitterpotential des Transistors 62 hoch liegt

In einer vierten Stufe werden die Pegel der Eingangsanschlüsse umgeschaltet, so daß der Transistor 30 wieder leitet Da der Transistor 42 als Folge der dritten Stufe leitend ist fließt Strom vom positiven Versorgungsspannungsanschluß VCC über die Lastwiderstände 68 bzw. 52 zum ersten und zweiten Kollektor 42/4 und 42ß des Transistors 42 und von dessen Emitter über die Transistoren 30 und 24 und den Widerstand 26 zum negativen Speisespannungsanschluß VEE. Die Emitterpotentiale der Transistoren 54 und 70 werden niedrig, da ihre Basispotentiale in Folge des jeweiligen Spannungsabfalls an den Lastwiderständen 52 bzw. 68 niedrig werden. Die Emitterpotentiale der Transistoren 44 und 62 werden hoch, da ihre Basispotentiale hoch liegen. Da das Emitterpotential des Transistors 62 hoch liegt, wird das Basispotential des Transistors 42 hoch und am Ausgangsanschluß 76 ein Signal hohen Pegels erzeugt. Da das Emitterpotential des Transistors 70 niedrig ist, wird das Basispotential des Transistors 40 niedrig und am Ausgangsanschluß 78 ein Signal niedrigen Pegels erzeugt. Da das Emitterpotential des Transistors 44 hoch liegt, wird das Basispotentia! des Transistors 38 hoch. Da das Emitterpotential des Transistors 54 niedrig ist, wird das Basispotential des Transistors 36 niedrig.

Wenn nachfolgend die Pegel der Eingangsanschlüsse umgeschaltet werden, so daß der Transistor 28 wieder leitet, dann wird der Zustand der ersten Stufe wieder angenommen, und diese vier Stufen folgen wiederholt aufeinander. Das bedeutet, daß bei jeder zweiten Stufe eine Pegeländerung an den Ausgangsanschlüssen auftritt. Der Pegel jedes Ausgangsanschlusses ändert sich einmal, während sich der Pegel jedes Eingangsanschlusses zweimal ändert. Es wird also eine Frequenzteilung im Verhältnis 1/2 erreicht.

Vergleicht man diese Ausführungsform mit einem bekannten Frequenzteiler, dann zeigt sich, daß die Anzahl der die Flipflops bildenden Transistoren halbiert werden kann und der Umschaltkreis gemeinsam verwendet werden kann, so daß sich eine geringere Anzahl der verwendeten Elemente ergibt. Selbst bei Integration mehrstufiger Frequenzteiler kann daher die Chipfläche verringert werden.

Unter Bezug auf Fig. 4 soll nun als zweite Ausführungsform der Erfindung ein 1/4 Frequenzteiler beschrieben werden.

Die zusammengeschalteten Emitter von emittergekoppelten Transistoren 140 und t42, welche einen Umschaltkreis bilden, sind über eine Konstantstromquelle 144 mit einem negativen Speisespannungsanschluß VEE verbunden. Die Konstantstromquelle 144 entspricht der Vorspannungsschaltung zuzüglich dem Stromquellentransistor 24 von Fig. 1. Der Kollektor des Transistors 140 ist mit den Emittern von emittergekoppelten Transistoren 150 und 152 und den Emittern von emittergekoppelten Transistoren 154 und 156 verbunden Der Kollektor des Transistors 142 ist mit den Emittern von emittergekoppelten Transistoren 158 und 160 und den Emittern von emittergekoppelten Transistoren 162 und 164 verbunden. Die Transistoren 150, 152, 154, 156, 158, 160, 162 und 164 sind alle Doppelkollektor-Transistoren. Der erste Kollektor eines Transistors 150 eines Paares von emittergekoppelten Transistoren ist über einen Lastwiderstand 166 mit einem positiven Speisespannungsanschluß VCC und außerdem mit der Basis des anderen Transistors 152 verbunden. Der erste Kollektor des Transistors 152 ist über einen Lastwiderstand 168 mit dem positiven Speisespannungsanschluß VCC und außerdem mit der Basis des Transistors 150 verbunden. Durch diese Verbindungen ist ein Flipflop gebildet Die anderen Paare emittergekoppelter Transistoren sind in gleicher Weise verbunden und bilden ebenfalls Flipflops. Die zweiten Kollektoren jedes Paares von emittergekoppelten Transistoren sind jeweils mit den ersten Kollektoren eines anschließenden Paares von emittergekoppelten

Transistoren verbunden und bilden daher Übertragungsglied-Transistoren. Die ersten Kollektoren der Transistoren 154 und 156 sind mit Ausgangsanschlüssen 182 bzw. 184 verbunden.

Es soll nun die Arbeitsweise dieses 1/4-Frequenzteilers beschrieben werden. Zunächst sei angenommen, daß in einer ersten Stufe das an die Eingangsanschlüsse angelegte Eingangssignal den Eingangsanschluß 146 auf einen niedrigen Pegel und den Eingangsanschluß 148 auf einen hohen Pegel bringt. Der Transistor 142 leitet dann. Es wird ferner angenommen, daß die Basispotentiale der Transistoren 158 und 160 nicht völlig gleich sind, daß vielmehr das Basispotential des Transistors 160 ein wenig höher liegt. In ähnlicher Weise sind die Basispotentiale der Transistoren 162 und 164 nicht vöiiig gleich, vielmehr liegt das Basispotentiai des Transistors 162 ein wenig höher. Die Transistoren 160 und 162 leiten dann, so daß Strom vom positiven Speisespannungsanschluß VCCzum ersten und zweiten Kollektor des Transistors 160 und zum ersten und zweiten Kollektor des Transistors 162 fließt, und zwar jeweils über Lastwiderstände 176, 170, 178 bzw. 166. Aufgrund des Spannungsabfalls am Lastwiderstand 170 wird der Pegel des Ausgangsanschlusses 182 niedrig, während der Pegel des Ausgangsanschlusses 184 hoch wird, da ein Stromfluß durch einen Lastwiderstand 172 verhindert wird. Folglich wird das Potential an der Basis des Transistors 156, die mit dem Lastwiderstand 170 verbunden ist, niedrig, während das Potential an der Basis des Transistors 154, die mit dem Lastwiderstand 172 verbunden ist, hoch wird. In ähnlicher Weise wird durch einen Spannungsabfall am Lastwiderstand 166 das Potential an der Basis des Transistors 152 niedrig, während das Potential an der Basis des Transistors 150 hoch wird.

In einer zweiten Stufe sind die Pegel an den Eingangsanschlüssen umgeschaltet, so daß der Transistor 140 leitet. Zu diesem Zeitpunkt sind als Folge der ersten Stufe die Transistoren 150 und 154 leitend, so daß Strom vom positiven Speisespannungsanschluß VCC zum ersten und zweiten Kollektor des Transistors 150 und zum ersten und zweiten Kollektor des Transistors 154 fließt und zwar über jeweilige Lastwiderstände 166, 174, 170 bzw. 178. Infolge des Spannungsabfalls am Lastwiderstand 170 ist der Pegel am Ausgangsanschluß 182 niedrig und verhindert einen Stromfluß durch den Lastwiderstand 172, so daß der Pegel am Ausgangsanschluß 184 hoch ist Aufgrund eines Spannungsabfalls am Lastwiderstand 174 wird das Basispotential des Transistors 160 niedrig, während das Basispotential des Transistors 158 hoch wird, in ähnlicher Weise wird aufgrund eines Spannungsabfalls am Lastwiderstand 178 das Basispotentiai der Transistoren 164 und 162 niedrig bzw. hoch.

In einer dritten Stufe werden die Pegel an den Eingangsanschlüssen umgeschaltet, so daß der Transistor 142 wieder leitet. Zu diesem Zeitpunkt sind die Transistoren 158 und 162 als Folge der zweiten Stufe leitend, so daß Strom vom positiven Speisespannungsanschluß VCC zum ersten und zweiten Kollektor des Transistors 158 und zum ersten und zweiten Kollektor des Transistors 162 fließt und zwar über jeweilige Lastwiderstände 174, 172, 178 bzw. 166. Infolge des Spannungsabfalls am Lastwiderstand 172 ist der Pegel am Ausgangsanschluß 184 niedrig, während der Pegel am Ausgangsanschluß 182 hoch ist. Aufgrund der Spannungsabfälle an den Lastwiderständen 172 und 166 werden die Basispotentiale der Transistoren 154 und 152 niedrig, während jene der Transistoren 156 und 150 hoch werden.

In einer vierten Stufe werden die Pegel der Eingangsanschlüsse umgeschaltet, so daß der Transistor ■> 140 wieder leitet. Zu diesem Zeitpunkt sind die Transistoren 150 und 156 als Folge der dritten Stufe leitend, so daß Strom vom positiven Speisespannungsanschluß VCC zum ersten und zweiten Kollektor des Transistors 150 und zum ersten und zweiten Kollektor

ίο des Transistors 156 fließt und zwar über jeweilige Lastwiderstände 166, 174, 172 bzw. 180. Infolge des Spannungsabfalls am Lastwiderstand 172 H der Pegel am Ausgangsanschluß 184 niedrig, während derjenige am Ausgangsanschluß 182 hoch ist. Aufgrund der Spannungsabfälle an den Lastwiderständen 174 und 180 werden die Basispotentiale der Transistoren 160 und 162 niedrig, während jene der Transistoren 158 und 164 hoch werden.

In einer fünften Stufe werden die Pegel an den Eingangsanschlüssen umgeschaltet, so daß der Transistor 142 wieder leitet. Zu diesem Zeitpunkt sind die Transistoren 158 und 164 als Folge der vierten Stufe leitend, so daß Strom vom positiven Speisespannungsanschluß VCC zum ersten und zum zweiten Kollektor des Transistors 158 und zum ersten und zweiten Kollektor des Transistors 164 fließt, und zwar über jeweilige Lastwiderstände 174, 172, 180 und 168. Aufgrund des Spannungsabfalls am Lastwiderstand 172 wird der Pegel am Ausgangsanschluß 184 niedrig,

ίο während der am Ausgangsanschluß 182 hoch wird. Aufgrund der Spannungsabfälle an den Lastwiderständen 168 und 172 wird das Basispotential der Transistoren 150 und 154 niedrig, während jenes der Transistoren 152 und 156 hoch wird.

In einer sechsten Stufe werden die Pegel der Eingangsanschlüsse umgeschaltet, so daß der Transistor 140 wieder leitet. Zu diesem Zeitpunkt sind die Transistoren 152 und 156 als Folge der fünften Stufe leitend, so daß Strom vom positiven Speisespannungsanschluß VCC zum ersten und zweiten Kollektor des Transistors 152 und zum ersten und zweiten Kollektor des Transistors 156 fließt und zwar über jeweilige Lastwiderstände 168,176,172 bzw. 180.

Infolge des Spannungsabfalls am Lastwiderstand 172 ist der Pegel am Ausgangsanschluß 184 niedrig, während derjenige am Ausgangsanschluß 182 hoch ist. Aufgrund der Spannungsabfälle an den Lastwiderständen 176 und 180 werden die Basispotentiale der Transistoren 158 und 162 niedrig, während jene der Transistoren 160 und 164 hoch werden.

In einer siebenten Stufe werden die Pegel der Eingangsanschlüsse umgesciiaiici, so daß der Transistor 142 wieder leitet Zu diesem Zeitpunkt sind die Transistoren 160 und 164 als Folge der sechsten Stufe leitend, so daß Strom vom positiven Versorgungsspannungsanschluß VCC zum ersten und zweiten Kollektor des Transistors 160 und zum ersten und zweiten Kollektor des Transistors 164 fließt und zwar über die jeweiligen Lastwiderstände 176, 170, Ϊ80 bzw. 168.

Infolge des Spannungsabfalls am Lastwiderstand 170 ist der Pegel am Ausgangsanschluß 182 niedrig, während derjenige am Ausgangsanschluß 184 hoch ist Infolge der Spannungsabfälle an den Lastwiderständen 170 und 168 werden die Basispotentiale der Transistoren 156 und 150 niedrig, während jene der Transistoren 154 und 152 hoch werden.

In einer achten Stufe werden die Pegel der Eingangsanschlüsse umgeschaltet so daß der Transistor

140 wieder leitet. Zu diesem Zeitpunkt sind die Transistoren 154 und 152 als Folge der siebenten Stufe leitend, so daß Strom vom positiven Speisespannungsanschluß VCC zum ersten und zweiten Kollektor des Transistors 154 und zum ersten und zweiten Kollektor des Transistors 152 fließt und zwar über die jeweiligen Lastwiderstände 170, 178, 168 bzw. 176. Infolge des Spannungsbefalls am Lastwiderstand 170 ist der Pegel am Ausgangsanschluß 182 niedrig, während der am Ausgangsanschluß 184 hoch ist. Infolge der Spannungsabfalle an den Lastwiderständen 176 und 178 werden die Basispotentiale der Transistoren 158 und 164 niedrig, während jene der Transistoren 160 und 162 hoch werden.

Wenn dann die Pegel der Eingangsanschlüsse umgeschaltet werden, so daß der Transistor 142 wieder leitet, dann wird derselbe Zustand wie bei der ersten Stufe wieder angenommen, und diese acht Stufen werden dann der Reihe nach wiederholt. Alle vier Stufen tritt daher eine Pegeländerung an den Ausgangsanschlössen auf. Der Pegel jedes Ausgangsanschlusses ändert sich einmal, während sich der Pegel jedes Eingangsanschlusses viermal ändert. Man erhält also eine Frequenzteilung 1/4.

Die Erfindung ist nicht auf die erwähnten Ausführungsformen beschränkt. 1/8 oder 1/2 Frequenzteiler können auch in vielen Stufen verbunden werden. Der Aufbau des Doppelkollektor-Transistors ist nicht auf die Ausführungsform von F i g. 2 beschränkt und kann durch verschiedene Anordnungen, wie sie in den F i g. 5 bis 8 gezeigt sind, ersetzt werden. In diesen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszahlen die gleichen Teile wie in Fig.2. Die detaillierte Beschreibung dieser Teile unterbleibt.

In einem Doppelkollektor-Transistor gemäß F i g. 5 ist nur eine einzige N+-leitende Emitterschicht 110 durch Diffusion im Oberflächenbereich einer P-Ieitenden Basisschicht 108 ausgebildet. Die Emitterzone ist also halbiert, und die Kompaktheit der Elemente ist weiter verbessert. Diese Anordnung kann jedoch im Hochfrequenzverhalten etwas schlechter als die in Fig. 2 gezeigte sein, obwohl es kaum irgendwelche Unterschiede zwischen ihren Eigenschaften gibt, solange nicht ein sehr großer Strom fließt.

Alternativ kann ein Planartransistor gemäß Darstellung in F i g. 6 verwendet werden, bei dem N ⁺ -leitende Kollektorschichten 114 und 116 unabhängig im Oberflächenbereich eines P-leitenden Substrats 100 vergraben sind. Eine N-leitende Schicht 200 ist zwischen den N+ -leitenden Schichten 114 und 116 vergraben und dient dazu, die Kapazität und den Widerstand zwischen den Kollektoren entsprechend zu verringern. Die angrenzenden Elemente sind durch den SiCh-Film 132 isoliert, der bis zum P-leitenden Substrat iOO reicht. Dadurch kann die Arbeitsgeschwindigkeit erhöht werden, indem das Auftreten parasitärer Kapazitäten zwischen den Kollektorschichten 114, 116 und dem SiO2-Film 132 ausgeschlossen wird.

Auch bei einem Transistor in Kollektor-Diffusions-Isolierungs-(CDI)-Aufbau gemäß Darstellung in F i g. 7 kann der Widerstand zwischen beiden Kollektoren entsprechend der Konzentration einer N-leitenden Schicht 200 beeinflußt werden. In diesem Fall ist eine P-Ieitende Schicht 202 epitaxial auf einem P-leitenden Substrat 100 aufgewachsen, während N+ -leitende Kollektorschichten 114 und 116 in dem Oberflächenbereich des P-leitenden Substrats vergraben sind.

Es kann alternativ auch ein Transistor mit Dreifachdiffusionsaufbau gemäß Fig. 8 verwendet werden. Bei diesem Transistor ist eine N-leitende Schicht 204 durch Diffusion im Oberflächenbereich eines P-leitenden Substrats 100 ausgebildet, während N+ -leitende Schichten 114 und 116 durch Diffusion an einem jeweiligen Ende der N-Ieitenden Schicht 204 ausgebildet sind und die erste und die zweite Kollektorschicht darstellen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Frequenzteiler umfassend:

einen ersten Flipflopschaltungskreis mit einem ersten und einem zweiten Transistor, dessen Emitter, Basis und Kollektor mit dem Emitter, dem Kollektor bzw. der Basis des ersten Transistors gekoppelt sind, einen zweiten Flipflopschaltungskreis mit einem dritten und einem vierten Transistor, dessen Emitter, Basis und Kollektor mit dem Emitter, dem Kollektor bzw. der Basis des dritten Transistors gekoppelt sind, einen ersten Übertragungsgliedschaltungskreis mit einem fünften Transistor, dessen Kollektor und Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors bzw. der Basis des vierten Transistors gekoppelt sind, und einem sechsten Transistor, dessen Emitter, Kollektor und Basis mit dem Emitter des fünften Transistors, dem Kollektor des zweiten Transistors bzw. der Basis des dritten Transistors gekoppelt sind,
einen zweiten Übertragungsgliedschaltungskreis mit einem siebenten Transistor, dessen Kollektor und Basis mit dem Kollektor des dritten Transistors bzw. der Basis des ersten Transistors gekoppelt sind, und einem achten Transistor, dessen Emitter, Kollektor und Basis mit dem Emitter des siebenten Transistors, dem Kollektor des vierten Transistors bzw. der Basis des zweiten Transistors gekoppelt sind,
einen Eingangskreis, der an die Emitter des ersten bis achten Transistors angeschlossen ist, um als Antwort auf ein Eingangssignal wahlweise den ersten oder den zweiten Flipflopschaltungskreis anzuregen, und

einen Ausgangskreis, der an die Kollektoren der Transistoren eines der Flipflopschaltungskreise angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und siebente Transistor von einem ersten Doppelkollektor-Transistor (36) gebildet sind, daß der zweite und achte Transistor von einem zweiten Doppelkollektor-Transistor (38) gebildet sind, daß der vierte und fünfte Transistor von einem dritten Doppelkollektor-Transistor (40) gebildet sind und daß der dritte und sechste Transistor von einem vierten Doppelkollektor-Transistor (42) gebildet sind.

2. Frequenzteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Flipflopschaltungskreis Widerstände (46, 52, 60, 68; 166 bis 180) zwischen den ersten Kollektoren (36A 3SA, 42/4, 40/tyder Transistoren (36, 38, 40, 42; 150 bis 164) und einem positiven Speisespannungsanschluß (VCC) aufweist.

3. Frequenzteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskreis Emitterfolgertransistoren (62, 70) aufweist, die an die jeweiligen ersten Kollektoren (40/4, 42A) angeschlossen sind und mit deren Emittern jeweils Ausgangsanschlußklemmen (76, 78) gekoppelt sind.

4. Frequenzteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskreis emittergekoppelte Transistoren (28, 30; 140, 142) umfaßt, deren Kollektoren jeweils an die zusammengeschlossenen Emitter der Transistoren (36 bis 42; 154 bis 160), welche den ersten bzw. den zweiten Flipflopschaltungskreis bilden, angeschlossen sind, ferner Eingangsanschlußklemmen (32, 34; 146, 148), die mit einer jeweiligen Basis der

emittergekoppelten Transistoren verbunden sind, sowie eine Konstantstromquelle (24,26; 144) umfaß«, deren einer Anschluß mit den zusammengeschlossenen Emittern der emittergekoppelten Transistoren und deren anderer Anschluß mit einem negativen Speisespannungsanschluß (VEE) verbunden sind.

5. Frequenzteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im ersten und im zweiten Flipflopschaltungskreis enthaltenen Transistoren je umfassen:

ein Halbleitersubstrat (100) eines ersten Leitfähigkeitstyps,

eine epitaxial auf dem Substrat aufgewachsene erste Schicht (102) eines zweiten Leitfähigkeitstyps mit niedriger Dotierstoffkonzentration,
eine zweite und eine dritte Schicht (114, 116) des zweiten Leitfähigkeitstyps mit hoher Dotierstoffkonzentration, die zwischen dem Substrat und der ersten Schicht im Abstand voneinander und mit einem bis zur Oberfläche der ersten Schicht reichenden Teil vergraben sind,
eine erste Zone (108) des ersten Leitfähigkeitstyps, die in den Oberflächenbereich der zweiten Schicht diffundiert ist und wenigstens eine zweite Zone (110, 112) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die in den Oberflächenbereich der ersten Zone diffundiert ist.

6. Frequenzteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die im ersten und im zweiten Flipflopschaltungskreis enthaltenen Transistoren umfassen:

eine erste und eine zweite Zone (114, 116) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit hoher Dotierstoffkonzentration, zwischen denen sich eine dritte Zone (102) des ersten Leitfähigkeitstyps mit geringer Dotierstoffkonzentration befindet, eine vierte Zone eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die an den Oberflächenbereich der dritten Zone defundiert ist, und wenigstens eine fünfte Zone (110) des ersten Leitfähigkeitstyps, die in den Oberflächenbereich der vierten Zone diffundiert ist.