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Die Erfindung betrifft Schaltungselemente, die ein oder
mehrere Feldeffekt-Lambda-Transistorelemente umfassen.
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Die bekannten Lambda-Transistoren sind
Schaltungselemente mit negativem Widerstand, die zwei komplementäre
Feldeffekttransistoren des Verarmungstyps umfassen und
die zwei Stromanschlüsse und einen Steueranschluß haben,
die jeweils der Source-, Drain- bzw. Gate-Elektrode
eines n-leitenden Feldeffekttransistors entsprechen; die
Eigenschaften eines solchen Lambda-Transistors sind
derart, daß dann, wenn der externe Source-Anschluß, der
gleichzeitig der interne Drain-Anschluß des internen
n-leitenden Feldeffekttransistors ist, mit dem positiven
Pol einer Stromquelle verbunden ist, das
Schaltungselement nichtleitend ist, wenn der Gate-Anschluß auf
Drain-Spannung liegt und diese Drain-Spannung höher ist
als die negative Abschnürspannung des Elements. Ein
solches Element ist an sich bekannt aus einem Beitrag in
den "Electron. Letters" 20, 25/26 (1984,12,06)
1059 . . 1061; dieses Element wird dort als invertierender
Schmitt-Trigger verwendet und kann in dieser Funktion
rein in MOS-Technologie verwirklicht werden.
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Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, einen
solchen Lambda-Transistor zur Verfügung zu stellen, der
auch als Element mit P-Funktion realisiert werden kann,
wobei dann die internen n-leitenden und p-leitenden
Feldeffekttransistoren bezogen auf das N-Element ihre
Plätze getauscht haben, so daß der p-leitende
Feldeffekttransistor durch die Eingangsspannung des Elements
gesteuert wird, wobei die Eigenschaften dann so sind,
daß dann, wenn der externe Source-Anschluß, der
gleichzeitig der interne Drain-Anschluß des internen
p-leitenden Feldeffekttransistors ist, mit einer negativen
Stromquelle verbunden ist, das Schaltungselement
nichtleitend ist, wenn der Gate-Anschluß auf Drain-Spannung
liegt und diese Drain-Spannung höher ist als die
positive Abschnürspannung des Elements.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist
es, solche Elemente und elektronischen Schaltungen unter
Verwendung von integrierbaren Elementen zur Verfügung zu
stellen, die sich für den Einsatz in elektronischen
mehrwertig-logischen Digitalschaltungen mit beliebiger
Grundzahl mit als Grundelemente einem binären oder
ternären Speicherelement eignen, die in ihren stabilen
Zuständen keine Leistung aufnehmen und die darüberhinaus
neben der bekannten MOS-Technologie auch in anderen als
Isolierte-Gate-Technologie, verwirklicht werden können.
Die erstgenannte Besonderheit führt zu einer erheblichen
Leistungsersparnis und zu einer wesentlichen
Verringerung der Anzahl an Stellen und Verbindungen durch den
Einsatz der mehrwertigen Logikelementen der Erfindung
bezogen auf die Anzahl der Stellen und Verbindungen in
einem äquivalenten binären Digitalsystem und die zweite
Besonderheit kann hinsichtlich der vereinfachten
Herstellung der Elemente und hinsichtlich der Erzielung
eines besseren S/R-Verhältnisses und einer höheren
Arbeitsgeschwindigkeit vorteilhaft sein, während auch
komplexe Halbleitermaterialien verwendet werden können,
die eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit ermöglichen, aber
bekanntermaßen nicht die Verwendung von MOS-Techniken
zulassen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird ein Speicherschaltungselement gemäß der Definition
in Anspruch 1 zur Verfügung gestellt.
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Bedingt durch den Rückkopplungswiderstand gleicht sich
die Ausgangsspannung sofort der Eingangsspannung an,
wobei diese Funktion selbstverriegelnd ist, so daß man
das Eingangssignal entfernen und insbesondere Impulse
von sehr kurzer Dauer verwenden kann. Deshalb sind keine
Schaltungen zum Auffrischen nötig und zum Beibehalten
des Zustands des Elements wird kein Eingangsstrom
benötigt; dadurch vereinfacht sich die Gesamtstruktur eines
aus solchen Elementen bestehenden Logikbausteins und in
Anbetracht der großen Anzahl solcher Elemente wird eine
wesentliche Energieeinsparung erzielt.
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Das Zurückführen der Ausgangsspannung auf den Eingang,
um eine Speichereinheit zu realisieren, ist an sich
bekannt aus dem Patent US-A 4 124 807, gemäß dem der
Ausgang eines zweiten binären Inverters zu dem
vorgeschalteten ersten binären Inverter zurückgeführt wird,
dessen Ausgang mit dem Eingang des zweiten Inverters
verbunden ist. Bei den hier vorliegenden Elementen
handelt es sich jedoch um nichtinvertierende Elemente.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird ein ternäres Schaltungselement entsprechend der
Definition im Anspruch 2 zur Verfügung gestellt. Aus
einem Beitrag von K. Nagarai e.a. in Proc. IEEE 72, 2
(1984,02) 227, ist bereits ein ternäres Logikelement
bekannt, das aus zwei identischen Dioden als bipolare
Elemente besteht, das aber, wie in diesem Beitrag
festgestellt wurde, zu Schwierigkeiten beim Auslesen der
gespeicherten Daten führt, so daß der Lesevorgang in
zwei Phasen erfolgen muß, was die Arbeitsweise
komplizierter und langsamer macht.
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Wegen der Rückkopplungswiderstände wird die gleiche
vorteilhafte Arbeitsweise wie im Falle des
Schaltungselements gemäß Anspruch 1 erzielt, und die
Ausgangsspannung ist ohne zusätzliche Mittel zum Auslesen stets
dieselbe wie die Eingangsspannung. Da ja die
Transistorelemente niemals gleichzeitig leitend sind, besteht
keine Gefahr, daß es zu Kurzschlüssen zwischen den
Batterieklemmen
kommen kann, und da immer ein
Transistorelement nichtleitend ist, ist der Stromfluß im
wesentlichen gleich Null. Im übrigen kann dieses ternäre
Element als binäres Element gemäß Anspruch 1 verwendet
werden, wenn eines seiner N- oder
P-Lambda-Transistorelemente, wie in Anspruch 2 erwähnt, als Lastwiderstand
des anderen benutzt wird.
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Der Signalzwischenpegel am Ausgang eines solchen
ternären Schaltungselements kann durch Verwendung der
Transistoranordnung gemäß Anspruch 3 aufrechterhalten
werden.
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Die Lambda-Transistorelemente beider Arten gemäß der
Erfindung sind als solche voll integrierbar, aber sie
können auch gemäß den Angaben in Anspruch 4 simuliert
werden, falls das ihre Verwirklichung mit aktuellen
Techniken vereinfacht.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die im
Anhang befindlichen Zeichnungen ausführlicher erläutert:
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Die Abbildungen 1A und B zeigen zwei
Lambda-Transistorschaltungselemente in Blockschaltbilddarstellung;
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Die Abbildungen 2, 3 und 4 sind Blockschaltbilder von
Ausführungen der vorliegenden Erfindung;
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Abbildung 5 ist eine grafische Darstellung der
Arbeitsweise einer besonderen Anwendung eines
Lambda-Transistorelements; und
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Abbildung 6A und B zeigt die Schaltung einer praktischen
Realisierung der in Abb. 1A bzw. 1B gezeigten Elemente.
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In Abb. 1A und 1B werden zwei Schaltungselemente 1a bzw.
1b im Prinzip gezeigt, die vorwiegend als
Feldeffekttransistor arbeiten und deren Anschlüsse entsprechend
den Konventionen bei Feldeffekttransistoren als Source-
Anschluß 2a bzw. 2b, Drain-Anschluß 3a bzw. 3b und Gate-
Anschluß 4a bzw. 4b bezeichnet werden. Entsprechend dem
Leitfähigkeitstyp des Halbleiters wird das Element 1a
als N-Element und das Element 1b als P-Element
bezeichnet. Bei den Elementen 1a bzw. 1b wird der Source-
Anschluß 2a bzw. 2b an den positiven bzw. negativen Pol
der Stromquelle angeschlossen.
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Hinsichtlich der Eigenschaften dieser Elemente wird nun
davon ausgegangen, daß diese Elemente nichtleitend sind,
wenn am Gate-Anschluß 4 eine Spannung anliegt, die der
des Drain-Anschlusses 3 entspricht. Bei einem N-Element
ist dann die Gate-Spannung in Bezug auf den Source-
Anschluß negativ und beim P-Element positiv.
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Diese Eigenschaften weichen von denen eines üblichen
Feldeffekttransistors ab. Denn bei letzterem liegt an
der Source-Elektrode eines n-leitenden Transistors eine
negative und an der eines p-leitenden Transistors eine
positive Spannung an und diese Transistoren sind dann
nichtleitend, wenn die Gate-Spannung bezogen auf die
Source-Elektrode negativ bzw. positiv ist.
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Ein normaler Sperrschichttransistor des Verarmungstyps
hat einen im wesentlichen symmetrischen Aufbau. Wird an
den äußeren Anschlüssen des Kanals eine Spannung
angelegt, dann wirkt das äußere Ende eines
n-Kanal-Transistors, der negativ ist, als Source und bei einen
p-Kanal-Transistor wird die Source von dem positiven
äußeren Ende gebildet. Kehrt man nun die Polarität um und
bringt sie somit in Übereinstimmung mit der Polarität
zwischen den Gate- und Source-Elektroden, dann wird die
Arbeitsweise der Elemente 1a und 1b dennoch nicht
erreicht, weil durch diese Spannungsumpolung die beiden
äußeren Enden des Kanals ihre Rollen tauschen, so daß
sich faktisch nicht geändert hat.
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Die Abbildungen 2A und 2B zeigen die Anwendung der
Elemente 1a bzw. 1b in einer zweiwertigen
Speichereinheit. Bei der Beschreibung der gemeinsamen Eigenschaften
der beiden Schaltungen werden die Indices a und b der
Referenznummern weggelassen.
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Der Gate-Anschluß 4 des zu beschreibenden Elements 1 ist
mit dem Eingangsanschluß 5 verbunden, der außerdem mit
dem einen Ende des Rückkopplungswiderstands 6 verbunden
ist. Das andere Ende dieses Rückkopplungswiderstands 6
ist mit dem Drain-Anschluß 3, einem Ausgangsanschluß 7
und einem Ende des Lastwiderstands 8 verbunden. Das
andere Ende des Lastwiderstands 8 liegt an Masse, d. h. an
einem Pol der Spannungsquelle.
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Zur Erläuterung der Arbeitsweise der Speichereinheiten
in Abb. 2 wird davon ausgegangen, daß der
Eingangsanschluß mit einem Schalter 9 verbunden ist, der über drei
Schaltstellungen verfügt und dessen mittlerer Kontakt
10(1) ein schwebendes Potential hat, während die anderen
Kontakte 10(2) und 10(3) mit Masse bzw. dem anderen Pol
der Spannungsquelle verbunden sind. Wird der Schalter 9
zum Kontakt 10(2) gedreht, dann wird das Element 1
nichtleitend, wenn es das nicht schon vorher war. Der
Drain-Anschluß 3 liegt dann spannungsmäßig an Masse und
diese Spannung wird über Widerstand 6 auf den Eingang 5
zurückgekoppelt. Wird dann der Schalter 9 in die
Mittelstellung 10(1) zurückgedreht, ändert sich nichts, so daß
der nichtleitende Zustand des Elements 1 erhalten
bleibt.
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Wird der Schalter 9 zum Kontakt 10(3) gedreht, wird das
Element 1 leitend. Aufgrund des Spannungsabfalls am
Widerstand 8 erhält die Drain-Elektrode etwa die
Spannung der Source-Elektrode, die wieder über den
Widerstand 6 auf den Eingang 5 zurückgekoppelt wird.
Wird nun der Schalter wieder in Mittelstellung
zurückgedreht, wird dieser Zustand beibehalten, so daß das
Element 1 leitend bleibt.
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Der Vorteil einer solchen Speichereinheit liegt darin,
daß sie, nachdem sie durch einen kurzen Schaltimpuls
gesetzt worden ist, sich selbst verriegelt, so daß bei
einer solchen Einheit kein Wiederauffrischen
erforderlich ist. Das führt insbesondere bei großen Speichern zu
einer wesentlichen Vereinfachung der Schaltungsstruktur,
weil keine Auffrischungsschaltungen nötig sind, und
außerdem kann das Schalten mit kurzen Impulsen oft von
Vorteil sein.
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Mit gewöhnlichen Feldeffekttransistoren ist ein solcher
Schaltbetrieb nicht möglich, weil die Gate-Spannung, wie
bereits erwähnt, die entgegengesetzte Polarität zu der
Spannung bei den Elementen in Abb. 1 aufweist, so daß
die Rückkopplung gemäß Abb. 2 dann nicht erzielt werden
kann.
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In Abb. 3 ist eine dreiwertige Speicherschaltung
dargestellt. Mittels einer Vielzahl solcher Schaltungen kann
ein ternäres Rechnernetzwerk gebildet werden.
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Die Schaltung in Abb. 3 besteht aus einer Kombination
der Schaltungen gemäß Abb. 2A und 2B. Die beiden
Elemente 1a (N) und 1b (P) sind an ihren Drain-Anschlüssen 3a
bzw. 3b miteinander verbunden und die Source-Anschlüsse
2a bzw. 2b sind mit dem positiven bzw. negativen Pol der
Spannungsquelle verbunden. Die Elemente 1a und 1b
stellen
für einander jeweils den Lastwiderstand 8 der Abb. 2
dar und die Rückkopplungswiderstände 6a und 6b sind zu
einem einzigen Rückkopplungswiderstand 6 zusammengefaßt
worden, der mit einem einzigen Eingangsanschluß 5
verbunden ist; außerdem ist nur ein Ausgangsanschluß 7
vorhanden. Wenn die Eingangsspannung gleich Null ist,
d. h. auf einem Wert in der Mitte zwischen der positiven
und der negativen Versorgungsspannung liegt, sind die
beiden Elemente 1a und 1b nichtleitend; dann ist die
Ausgangsspannung am Anschluß 7 gleich Null. Ist die
Eingangsspannung positiv, dann ist Element 1a leitend
und Element 1b nichtleitend, wohingegen bei einer
negativen Eingangsspannung Element 1a nichtleitend und
Element 1b leitend ist. Die Ausgangsspannung ist dann
positiv bzw. negativ. Die drei verschiedenen
Eingangsspannungen +, 0 bzw. - liefern deshalb drei entsprechende
Ausgangsspannungen +, 0 bzw. -.
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Ein wichtiger Vorteil ist, daß die beiden Elemente 1a
und 1b niemals gleichzeitig leitend sind, so daß die
Stromquelle bei dieser einfachen Serienschaltung ohne
zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen niemals kurzgeschlossen
werden kann. Der Vorteil der Tatsache, daß die
Speichereinheiten selbstverriegelnd sind, ist auch hier
vorhanden, so daß es möglich ist, nur kurze Schaltimpulse zu
verwenden. Dadurch können im Prinzip alle Arten von
aktiver und passiver Kopplung verwendet werden, was
maximale Flexibilität beim Entwerfen einer Schaltung
bietet.
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Der Vorteil einer ternären Recheneinheit liegt darin,
daß bei gleichem Recheneffekt eine wesentlich niedrigere
Anzahl an Schaltungen als bei der Verwendung von binären
Einheiten erforderlich ist. Dieser Vorteil geht jedoch
dann wieder verloren, wenn eine ternäre Einheit eine
komplexere Struktur aufweist und/oder mehr Strom
verbraucht.
Die in Abb. 3 gezeigte Schaltung ist jedoch in
ihrer Struktur einfach und verbraucht obendrein sehr
wenig Strom, weil niemals mehr als ein Element 1 leitend
ist, das dann sehr wenig Strom aufnimmt, und weil das
Schalten im wesentlichen mit Null Strom erfolgt.
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Es ist offensichtlich, daß man die Schaltung in Abb. 3
ebenfalls als binäre Schaltung verwenden kann, indem man
einen der Anschlüsse 2a oder 2b mit einer Nullspannung
verbindet.
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Da im Null-Zustand die Anschlüsse 5 und 7 mehr oder
weniger schwebend sind, kann es vernünftig sein, deren
Nullspannung eindeutig festzulegen. In Abb. 4 wird eine
Hilfsschaltung gezeigt, die wieder aus zwei Elementen 1a
und 1b gemäß Abb. 1 zusammengesetzt ist und die zum
Festlegen der Null-Spannung mit dem Eingang und dem
Ausgang der Schaltung in Abb. 3 zu verbinden ist.
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Diese Hilfsschaltung umfaßt zwei in Reihe geschaltete
Elemente 1a'(N) und 1b'(P), jedoch erfolgt jetzt die
Reihenschaltung entgegengesetzt zu der in Abb. 3, weil
die Source-Elektrode 2a' des n-leitenden Elements 1a'
mit der Drain-Elektrode 3b' des p-leitenden Elements 1b'
verbunden ist. Die Drain-Elektrode 3a' des Elements 1a'
ist direkt verbunden mit dem Ausgangsanschluß 7 und die
Source-Elektrode 2b' des Elements 1b' ist verbunden mit
einer echten Null-Spannung, die hier durch das Masse-
Symbol dargestellt wird. Der Gate-Anschluß 4a' des
Elements 1a' ist mit dem Eingang 5 verbunden und der Gate-
Anschluß 4b' des Elements 1b' ist mit dem
Verbindungspunkt der Anschlüsse 2a' und 3b' verbunden.
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In einer solchen Anordnung der beiden Elemente 1a' und
1b' sind die beiden jetzt niemals gleichzeitig leitend.
Bei einer Spannung von ca. 0 V am Eingang 5 sind beide
Elemente 1a' und 1b' leitend, so daß dann auch der
Ausgang 7 eindeutig auf der Null-Spannung liegt. Bei
einer erheblichen Abweichung, d. h. bei einem positiven
oder negativen Eingangssignal, wird eines der beiden
Elemente nichtleitend, so daß dann der Ausgang 7 in der
zuvor beschriebenen Weise den Spannungswert wie am
Eingang 5 annehmen kann, der dann solange beibehalten wird,
bis eine Umschaltung erfolgt.
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Wie sich aus der vorangegangenen Beschreibung ergibt,
ist die Ausgangsspannung bei einer geeigneten
Beschaltung des Elements in Abb. 1 phasengleich mit der
Eingangsspannung ist. Somit ergeben sich bei Verwendung als
Verstärkungselement die in Abb. 5 vereinfacht
dargestellten Kennlinien, wobei, wie üblich, im linken Teil
die Spannungsdifferenz U42 zwischen dem Gate-Anschluß 4
und dem Source-Anschluß 2 auf der horizontalen Achse und
der Drain-Strom 13 auf der vertikalen Achse aufgetragen
ist, während im rechten Teil die Drain-Source-Spannung
U32 auf der X-Achse aufgetragen ist. Es sind keine
Polaritäten angegeben; diese sind beim N-Element
entgegengesetzt zu denen beim P-Element, aber die Form der
Kennlinien ist in beiden Fällen gleich.
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Es ist möglich, die Lambda-Transistorelemente der Abb. 1
auf sehr einfache Weise mit Hilfe von nur zwei
gegenwärtig verfügbaren Feldeffekttransistoren aufzubauen. Dazu
können alle Feldeffekttransistoren verwendet werden, die
als Sperrschicht-Feldeffekttransistor des Verarmungstyps
arbeiten, bei dem, im leitenden Zustand des Transistors,
im wesentlichen kein Spannungsunterschied zwischen allen
Elektroden besteht. Im nichtleitenden Zustand ist bei
einem n-Kanal-Transistor zwischen der Gate- und der
Source-Elektrode eine negative Spannung und zwischen der
Drain- und der Source-Elektrode eine positive Spannung
vorhanden. Bei einem p-Kanal-Transistor sind die
Polaritäten dieser Spannungen umgekehrt. In der folgenden
Beschreibung werden solche Halbleiter als n-leitende
bzw. p-leitende Transistoren bezeichnet.
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In den Abbildungen 6A und 6B wird dies für ein N-Element
1a bzw. ein P-Element Ib gezeigt. Beide bestehen aus
einem n-leitenden und einem p-leitenden
Feldeffekttransistor 11a bzw. 11b, deren Source-, Drain- und Gate-
Elektroden mit 12, 13 bzw. 14 angegeben sind, und auf
diese folgt a im Falle eines n-leitenden und b im Falle
eines p-leitenden Transistors.
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Wie aus Abb. 6 ersichtlich, ist in jedem Element 1 ein
Transistor 11a in Reihe mit einem Transistor 11b
geschaltet, deren Source-Elektroden 12a und 12b
miteinander verbunden sind. Die Drain-Elektrode 13a bzw. 13b des
n-leitenden bzw. p-leitenden Transistors 11a bzw. 11b
bildet den Source-Anschluß 2a bzw. 2b des N-bzw.
P-Elements 1a bzw. 1b. Die Gate-Elektroden 14a bzw. 14b des
Transistors 11a im Falle des Elements 1a bzw. des
Transistors 11b im Falle des Elements 1b stellen den
Steuereingang 4a bzw. 4b des betreffenden Elements dar. Die
Gate-Elektrode 14 des anderen Transistors, d. h. 11b des
Elements 1a bzw. 11a des Elements 1b, ist mit der
Elektrode 13 des anderen Transistors verbunden, und die
Drain-Elektrode 13 des letzteren Transistors stellt
außerdem den Drain-Anschluß 3 des betreffenden Elements
dar.
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Im leitenden Zustand sind alle Spannungen an allen
Elektroden gleich. Im nichtleitenden Zustand entsteht an den
Elektroden 12 der Transistoren durch Spannungsteilung
eine Spannung, die etwa der halben Spannungsdifferenz
zwischen den Anschlüssen 2 und 3 dieses Elements
entspricht. Da im nichtleitenden Zustand die Spannungen an
den Anschlüssen 4 und 3 im wesentlichen gleich sind,
entsteht einerseits zwischen dem Gate-Anschluß 4 des
Elements und den Source-Elektroden 12 der Transistoren
eine Spannungsdifferenz und andererseits eine gleich
große, jedoch entgegengesetzte Spannungsdifferenz
zwischen dem Gate-Anschluß 4b des N-Elements bzw. 14a des
P-Elements und den Source-Elektroden 12 der
Transistoren. Diese Transistoren sind so ausgewählt worden, daß
dieser Spannungsunterschied ausreichend groß ist, um die
Einzeltransistoren vollständig im nicht leitenden Zustand
zu halten.
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Es ist offensichtlich, daß in einer solchen
Schaltungsanordnung mit zwei Transistoren alle an die Elemente 1
gerichteten Anforderungen voll erfüllt werden. Es ist
daher möglich, mit dieser einfachen Reihenschaltung von
nur zwei Feldeffekttransistoren die Elemente gemäß Abb.
1 zu simulieren, so daß alle unter Bezugnahme auf die
Abbildungen 2 bis 4 beschriebenen Schaltungen auf sehr
einfache Weise aufgebaut werden können. Diese einfache
Reihenschaltung gestattet natürlich auch die Integration
der Schaltung.
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Weiterhin ist klar, daß die Widerstandswerte der in den
Abbildungen 2 und 3 abgebildeten Widerstände so zu
wählen sind, daß die gewünschte Schaltfunktion erzielt
wird, was natürlich auch für das Erzielen der Kennlinien
gemäß Abb. 5 gilt. Falls erforderlich, können diese
Widerstände mit Kondensatoren überbrückt werden, falls
dies in Hinblick auf die Schaltgeschwindigkeit gewünscht
wird.
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Darüberhinaus kann die dreiwertige Schaltung gemäß Abb.
3 als zweiwertige Schaltung verwendet werden, indem man
die Null-Spannung an einem der Stromanschlüsse 2a bzw.
2b anlegt, in welchem Fall das Eingangssignal nur die
Werte Null bzw. die andere Source-Spannung haben kann.
Der Vorteil liegt darin, daß ein Element als
Lastwiderstand
für das andere Element wirkt, wenn letzteres
leitend ist. Dann fließt im wesentlichen kein Strom, so daß
nur sehr wenig Leistung verbraucht wird. Die
Ausgangsimpedanz ist dann in beiden Schaltzuständen gleich.