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Integrierte Schaltungsanordnung mit mehreren unabhängig
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schaltenden AusRansstufrl, Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte
Schaltungsanordnung in TTL-Schaltungstechmik mit mehreren unabhängig schaltenden
Ausgangs stufen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die Ausgänge von integrierten Verknüpfungsgliedern in TTL-Schaltungstechnik
sind im allgemeinen mit Leitungen belastet, deren 1*fellenwiderstände etwa 100 Ohm
betragen.
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Damit entsteht beim Schalten eines Ausgangs auf der Zuführungsleitung
für das emitterseitige Versorgungsspannungspotential VEE eine Stromänderung LI von
ca.
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40 mA.
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Bei der gleichzeitigen Umschaltung mehrerer TTL-Ausgänge vom hohen
Signalpegel H auf den niedrigen Signalpegel L treten an nicht geschalteten Ausgängen,
die den L-Pegel führen, störende Spannungsspitzen auf, die mit der Zahl der geschalteten
Ausgänge und mit der Schaltgeschwindigkeit wachsen. Besonders kritisch sind daher
Anordnungen, die Schottky-Transistoren verwenden.
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Ursache für die Störspannungsspitzen ist die unvermeidliche Induktivität
der Anschlußfahne und des Bond-Drahtes zur Verbindung des äußeren Anschlusses für
das emitterseitige Versorgungsspannungspotential VEE mit dem entsprechenden internen
Stromschienensystem auf dem Halbleiterplättchen. Bisher wurde versucht, die Störspannung
auf einen zulässigen Wert dadurch zu begrenzen, daß das gleichzeitige Schalten von
mehr als beispielsweise zwei Ausgängen vermieden wurde. Die Einhaltung einer solchen
Regel führt jedoch bei einer Vielzahl von Logikkomplexen She 1 Fdl/11. 1. 1980
in
einem integrierten Baustein mit 20 oder mehr Ausgängen zu einer unerträglichen Einschränkung
der Freizügigkeit des Einsatzes und ist im allgemeinen nicht mehr möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzugebern, die
geeignet sind, das Auftreten von Störspannungen an nicht geschalteten Ausgängen
zu unterdrücken oder mindestens auf ein zulässiges Maß zu begrenzen, ohne die Zahl
der gleichzeitig vom H-Pegel auf den L-Pegel geschalteten Ausgänge zu beschränken.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 das Prinzip der erfindungsgemäßen Lösung, Fig. 2a und 2b den Verlauf
des Stroms durch die Zuleitungsinduktivität in Ausgangs stufen und den Verlauf der
Spannung an der Zuleitungsinduktivität und Fig. 3 ein spezielles Ausführungsbeispiel.
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Gemäß Fig. 1 existieren im Inneren des integrierten Bausteins zwei
getrennte Stromschienen bzw. Stromschienensysteme S1 und S2 für die Zuführung des
emitterseitigen Versorgungspotentials VEE. An die erste Stromschiene S1 sind die
Emitter der Transistoren T1, T2 bis Tn der Ausgangs stufen angeschlossen. Die zweite
Stromschiene S2 dient zur Versorgung der übrigen Schaltungsteile des Bausteins.
Über die schon erwähnten Induktivitäten L1 und L2 der im Inneren des Bausteingehäuses
verlaufenden Teile der Anschlußfahnen und der Bond-Dr$hte sind die Stromschienen
S1 und S2 mit Anschlußpunkten P1 und P2 verbunden, an denen der emitterseitige Pol
VEE einer äußeren nicht dargestellten Versorgungsspannungsquelle anliegt.
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Der durch die Induktivität L2 fließende Strom I2 weist
bei
hochintegrierten Anordnungen mit einer Vielzahl von Verknüpfungsgliedern keine nennenswerten
Schwankungen auf. Die Existenz der Induktivität L2 ist daher praktisch ohne Bedeutung.
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Dies gilt jedoch nicht für die Zuleitungsinduktivität L1. Setzt man
für den Wert der Induktivität L1 den Wert L = 5nH und für die Schaltzeit LA. t =
2ns an, dann erzeugt die eingangs genannte Änderung LXI = 40mA des Stroms 11 einen
Spannungsabfall UL = A I L = 100mV.
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Lot Eine Störspannung dieser Größe kann zwar noch hingenommen werden,
obwohl sie sich auf alle auf dem L-Pegel liegenden Ausgänge Q auswirkt. Sie vervielfacht
sich aber, wenn mehrere Ausgänge Q gleichzeitig vom H-Pegel auf den L-Pegel geschaltet
werden, wobei dann sehr bald die zulässige Toleranzgröße erreicht bzw. überschritten
wird.
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Aufgrund der Aufteilung der internen Stromschienen beeinflußt die
Störspannung UL jedenfalls nicht die über die Stromschiene S2 gespeisten Schaltungsteile.
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Gemäß der Erfindung wird die Schaltzeit der Ausgangstransistoren dann
vergrößert, wenn die Störspannung UL einen vorgegebenen Wert Ugr erreicht. Aus der
bekannten Beziehung für die sogenannte Spannungszeitfläche ULbdt = L ergibt sich,
daß bei festgehaltener Spannung UL = Ugr an der Induktivität L die Geschwindigkeit
der Stromänderung abnimmt. Das Prinzip dieser Abhängigkeit ist aus Fig. 2a und 2b
für zwei verschiedene Werte der Grenzspannung Ugr ersichtlich.
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Die Grenzspannung Ugr wird so gewählt, daß einerseits die auf den
nicht geschalteten Ausgängen auftretenden Störimpulse klein genug bleiben, um die
sichere Auswertung der Signalpegel zu gewährleisten und andererseits
die
Schaltzeiten nicht unnötig verlängert werden. Vorteilhafte Werte für die Grenzspannung
Ugr liege im Bereich von 200 mV bis 300 mV, wobei im allgemeinen werte in der Nähe
der unteren Grenze zu bevorzugen sind.
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Geht man von Ug = 200 mV und UL = 100 mV für nur eine in einem bestimmten
Zeitpunkt umgeschaltete Ausgangsstufe aus, dann tritt eine Verlängerung der Schaltzeit
erst beim gleichzeitigen Schalten von mehr als zwei Ausgangsstufen ein. Die Verlängerung
beträgt etwa 1 ns für jede weitere Ausgangs stufe.
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Die Mittel für die Erzeugung der Grenzspannung Ugr beim Schalten von
H-Pegel auf den L-Pegel sind in Fig. 1 in Verbindung mit dem Transistor T1 dargestellt.
Sie bestehen aus einer wie die Basis-Emitter-Diode des Transistors T1 gepolten Diode
Dl und einer Hilfsspannungsquelle mit der Spannung UO, die in Serie zwischen der
Basis des Transistors T1 und der Stromschiene S2 geschaltet sind. Eine der Diode
D1 entsprechende Diode ist jedem Schalttransistor zugeordnet, während die Hilfsspannungsquelle
gegebenenfalls für alle Ausgangsstufen gemeinsam vorgesehen sein kann.
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Die Ansteuerschaltung für den Transistor T1 ist in Fig. 1 durch eine
Konstantstromquelle K und einen Schalter Sw ersetzt. Nach dem Schließen des Schalters
Sw beginnt durch den Transistor T1 ein Emitterstrom zu fließen, der an der Induktivität
L1 einen Spannungsabfall UL hervorruft.
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Damit wird die Basis des Transistors T1 auf eine Spannung UL + UBE
gegenüber dem Versorgungspotential VEE bzw. dem Potential der Stromschiene S2 angehoben,
wobei UBE der Spannungsabfall der nunmehr leitenden Basis-Emitter-Diode im Transistor
T1 ist. Es sei daran erinnert, daß bei Schaltungsanordnungen in TTL-Technik mit
Schottky-Transistoren ohne zusätzliche Vorkehrungen eine Stromänderung = = 40 mA
innerhalb von 2 ns vorausgesetzt werden kann.
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Die Basis des Transistors T1 kann aber nur so weist angehoben werden,
bis die Diode D1 leitend wird. Das tritt ein, wenn die Spannung der Basis gegen
VEE den Wert Uo*UD erreicht. Da der Spannungsabfall UD an der leitenden Diode D1
mindestens annähernd gleich dem Spannungsabfall UBE an der leitenden Basis-Emitter-Diode
des Transistors T1 ist, gilt also UO = UgrO Durch die bisher beschriebenen Maßnahmen
gemäß der Erfindung, insbesondere durch die Begrenzung der in der Induktivität L1
induzierten Spannung UL auf einen (Zahl baren) vorgegebenen Wert U bleiben die Störimpulse
an gr den mit den Kollektoren leitender Schalttransistoren verbundenen Ausgängen
Q auch dann in erträglichen Grenzen, wenn mehrere Transistoren gleichzeitig leitend
geschaltet werden.
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Durch die Festlegung des maximalen Basispotentials besteht bei einem
ungünstigen Zusammenwirken verschiedener Toleranzen die Gefahr, daß Transistoren
von am Schaltvorgang nicht beteiligten Ausgangsstufen wegen des erhöhten Emitterpotentials
beim Schalten weiterer Transistoren vorübergehend nicht mehr voll durchgesteuert
werden. Die Folge davon ist eine Vergrößerung der Störimpulse.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird daher die Begrenzung
der Basisspannung vom Schaltzustand abhängig gemacht. Insbesondere kann die für
die Begrenzung maßgebliche Hilfsspannung UO größer werden, wenn der den Übergang
vom H-Pegel auf den L-Pegel bewirkende Schaltvorgang mindestens nahezu beendet ist.
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Die Fig. 3 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel für eine Ausgangsstufe,
deren Ausgang Q mit dem Verbindungspunkt von zwei in Serie geschalteten,gegenphasig
gesteuerten Transistoren zusammenfällt. Dabei entspricht der in Fig. 3 unten liegende
Ausgangstransistor, dessen
Kollektor mit dem Ausgang Q verbunden
ist, dem bisher beschriebenen Schalttransistor T1. Ausgangsstufen der dargestellten
Art, jedoch ohne die durch die Erfindung bedingten Änderungen sind allgemein bekannt
(vergl.
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'tThe Data Book for Design Engineers" Texas Instruments Deutschland
GmbH, 3. Auflage, Seite 299). Auf ihren Aufbau und ihre Wirkungsweise wird daher
nicht näher eingegangen.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 übernimmt der Transistor T11
die Funktion der Hilfsspannungsquelle.
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Der Transistor T11, dessen Basis über einen zusätzlichen Widerstand
R1 und den schon in der bekannten Ausgangsstufe vorhandenen Widerstand R2 mit dem
Ausgang Q verbunden ist, leitet beim hohen Ausgangspegel. Der Spannungsabfall an
seiner Kollektor-Emitter-Strecke beträgt etwa 0,3 Volt. Diese Spannung entspricht
der Hilfsspannung UO bzw. dem Grenzwert Ugr für die beim Übergang vom H-Pegel auf
den L-Pegel am Ausgang Q in der Zuleitungsinduktivität Li induzierten Spannung UL.
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Der Transistr T11 wird gesperrt, wenn die Spannung am Ausgang Q gegen
das emitterseitige Versorgungspotential VEE kleiner als etwa 1,5 Volt wird. Dieser
Wert entspricht der Summe aus den Schwellspannungen der Diode Dl und der Basis-Emitter-Diode
des Transistors Teil. Durch eine Vertauschung der Reihenfolge von Transistor T11
und Diode Dl entgegen der Darstellung in Fig. 3 wird erreicht, daß die Sperrung
des Transistors T11 erst erfolgt, wenn die Ausgangsspannung auf etwa 0,8 Volt abgesunken
ist. Die Sperrung des Transistors T11 hat die gleiche Wirkung wie eine Erhöhung
der Spannung UO der Hilfsspannungsquelle soweit, daß die einem bereits leitenden
Schalttransistor zugeordnete Diode bei der Anhebung dieses Schalttransistors durch
die Umschaltung eines anderen Schalttransistors vom gesperrten in den leitenden
Zustand nicht
mehr leitend werden kann.
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3 Figuren 5 Patentansprüche.
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Liste der Bezugszeichen Tl-Tn Schalttransistor L1, L2 Zuleitungsinduktivität
P1, P2 Anschlußpunkt S1, S2 interne Stromschiene Dl Diode V0 Hilfsspannung Sw Schalter
K Konstantstromquelle VEE emitterseitiges Versorgungspotential VCC kollektorseitiges
Versorgungspotential Q Ausgang R1, R2 Widerstand T11 Transistor
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