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Bistabiler Multivibrator Die Erfindung bezieht sich auf einen bistabilen
Multivibrator mit zwei Kippwiderständen, deren jeder zwei stabile elektrische Arbeitspunkte
hat, zwischen denen er wechselseitig geschaltet wird, insbesondere für die Verwendung
in Zählstufen.
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Bistabile Multivibratoren werden beispielsweise als Zählstufen in
Anlagen der Nachrichtenverarbeitung verwendet. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang
an die Verwendung bistabiler Multivibratoren als Zählstufen in Analog-Digital-Umwandlern
der Puls-Code-Modulationstechnik gedacht. Die älteste Ausführungsform ist die bekannte
Eccles-Jordan-Schaltung mit zwei Verstärkerelementen, die sich wechselseitig steuern.
Als Verstärkerelemente dienen hierbei in älteren Ausführungsformen Elektronenröhren
und in moderneren Ausführungsformen Transistoren. Die höchste Schaltgeschwindigkeit
derartiger Schaltungen dürfte derzeit bei etwa 150 MHz liegen. Eine weitere Erhöhung
der Schaltgeschwindigkeit bereitet gewisse grundsätzliche Schwierigkeiten, die in
den nicht mehr vernachlässigbaren Kapazitäten der Verstärkerelemente bzw. in Trägheitseffekten
derselben begründet sind. Wegen dieser in den Verstärkerelementen begründeten Schwierigkeiten
wurde in den letzten Jahren auch bereits vielfach versucht, bistabile Multivibratoren
unter Verwendung von Kippwiderständen aufzubauen, wobei als Kippwiderstände vor
allem Tunneldioden verwendet wurden. Letztere zeichnen sich nämlich durch extrem
geringe Trägheitseffekte aus, die ein Umschalten von einem stabilen Zustand in einen
anderen stabilen Zustand innerhalb so extrem geringer Zeiten zulassen, daß damit
an sich Schaltgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 1 GHz und mehr möglich
erscheinen.
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Eine bekannte Ausführung eines solchen bistabilen Multivibrators enthält
ein sogenanntes De-Goto-Paar, das durch eine Umschalteinrichtung derart ergänzt
ist, daß bei Einspeisung eines Impulses in die Reihenschaltung jeder der Kippwiderstände
in den jeweils anderen stabilen Zustand umkippt. Als Umschalteinrichtung finden
dabei entweder Reaktanzspeicher, wie Kapazitäten oder Induktivitäten, Anwendung,
oder es werden besondere Transistorschaltungen angewendet. Die Gesamtschaltung bei
Verwendung von Reaktanzelementen wird zwar relativ einfach, doch liegt die obere
Grenze für die Schaltfrequenz wesentlich niedriger. Durch die Verwendung der besonderen
Transistorschaltungen als Umschalteinrichtung wird diese obere Frequenzgrenze zwar
etwas angehoben. Sie liegt nach vorläufigen Daten jedoch kaum nennenswert über der
der Eccles-Jordan-Schaltung. Außerdem erfordert diese Schaltungsart einen schaltungstechnischen
Aufwand, der dem der Eccles-Jordan-Schaltung zumindest gleichkommt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bistabilen Multivibrator
unter Verwendung von Kippwiderständen, insbesondere Tunneldioden, nicht nur hinsichtlich
des schaltungstechnischen Aufwandes, sondern vor allem hinsichtlich der oberen Grenze
der Schaltfrequenz wesentlich zu verbessern.
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Ausgehend von einem bistabilen Multivibrator mit zwei Tunneldioden,
deren jede zwei stabile elektrische Arbeitspunkte hat, zwischen denen sie wechselseitig
geschaltet wird, insbesondere für die Verwendung in Zählstufen, bei dem ein Übertrager
vorgesehen ist, dessen eine Wicklung an die eine Tunneldiode und dessen andere Wicklung
an die andere Tunneldiode angeschaltet ist, und bei dem die Polarität der Anschaltung
dieser beiden übertragerwicklungen an die Tunneldioden derart gewählt ist, daß sich
durch die Übertragerwicklungen bei Erhöhung der Spannung an der einen Tunneldiode
eine gegensinnige Spannungsänderung an der anderen Tunneldiode ergibt, wird die
Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß den Tunneldioden einerseits die
Übertragerwicklungen in Reihe mit einem ohmschen Widerstand und andererseits die
Betriebsgleichspannungsquelle in Reihe mit einem Vorwiderstand parallel geschaltet
sind und daß die Tunneldioden mit
dem Steuereingang über wenigstens
einen weiteren Vorwiderstand verbunden sind.
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Bistabile Kippschaltungen mit zwei in Reihe geschalteten Tunneldioden
können auch dadurch, wie eine bekannte Anordnung zeigt, realisiert sein, daß die
beiden Tunneldioden definierte, stark unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.
Solche Schaltungen bedingen trotz ihres einfachen Aufbaus einen ganz erheblichen
Aufwand, da die hierfür benötigten Spezialtunneldioden noch zusätzlich für die Paarbildung
ausgesucht werden müssen.
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Eine weitere von zwei Tunneldioden Gebrauch machende bistabile Kippschaltung
umfaßt zwar wie der Erfindungsgegenstand ebenfalls einen Übertrager, im Gegensatz
hierzu sind jedoch bei der bekannten Schaltung den Tunneldioden die Reihenschaltung
aus den übertragerwicklungen zweier Widerstände und der Betriebsspannungsquelle
parallel geschaltet. Ferner weist sie zwei weitere Dioden auf, die in den Verbindungsweg
zwischen dem einen Anschluß der Tunneldioden und dem Steuereingang angeordnet sind.
Außerdem benötigt sie für ihre Verwendung als Zählstufe in einer Zähleinrichtung
eine dritte Übertragerwicklung, um einen erdunsymmetrischen Ausgang schaffen zu
können, wie er für die Hintereinanderschaltung derartiger Stufen zu einer Zählkette
erforderlich ist.
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Vorteilhaft ist es, den ohmschen Widerstand zumindest teilweise in
die einzelne übertragerwicklung mit einzubeziehen. Zusätzlich oder gegebenenfalls
auch getrennt hierzu ist es möglich, einen Kondensator zur gleichstrommäßigen Trennung
der jeweiligen übertragerwicklung von ihrer zugehörigen Tunneldiode vorzusehen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen bistabilen
Multivibrators besteht darin, daß die beiden Tunneldioden einseitig auf Bezugspotential
geschaltet sind und daß die beiden Tunneldioden mit dem Steuereingang für die Schaltimpulse
über je einen weiteren Vorwiderstand verbunden sind. Dabei empfiehlt es sich unter
Umständen, jeweils vor Betrieb der Schaltungsanordnung dafür zu sorgen, beispielsweise
durch einen zusätzlichen, nur einer der Tunneldioden eingespeisten Spannungsimpuls,
daß die beiden Tunneldioden sich in unterschiedlichen stabilen Zuständen befinden.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform eines bistabilen Multivibrators
besteht in Anlehnung an die bekannte De-Goto-Schaltung darin, daß die beiden Tunneldioden
gleichstrommäßig in Reihe geschaltet sind und an einer Quelle eingeprägter Spannung
angeschaltet sind, insbesondere an einem entsprechend bemessenen Spannungsteiler,
und daß als Anschlußpaar für die Zuführung des Umschaltimpulses bzw. der Umschaltspannung
die Enden der Reihenschaltung aus den beiden Tunneldioden vorgesehen sind, während
als Ausgangs-Klemmenpaar der Multivibratorschaltung die beiden Anschlüsse einer
Tunneldiode vorgesehen sind, vorzugsweise der Tunneldiode, von der ein Anschluß
auf Bezugspotential liegt.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
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Beim Ausführungsbeispiel nach der F i g. 1 sind zwei Tunneldioden
T1, T2, die kathodenseitig an Masse liegen, über Vorwiderstände R" mit einer Gleichspannungsquelle
-I- Ub verbunden. Die Werte der Spannung -f- U,, und der Widerstände R" sind so
gewählt, daß die Tunneldioden zwei stabile Zustände einnehmen können. Die beiden
stabilen Zustände sind für folgende Spannungen an den Tunneldioden gegeben: UT
1 < 55 mV und UT 2 > 250 mV. Es handelt sich beim Ausführungsbeispiel
also um Germanium-Tunneldioden. Es sind an Stelle dieser auch Tunneldioden aus anderem
Material, wie einer A", Bv-Verbindung od. dgl., verwendbar. Den Anoden der Tunneldioden
T1, T2 wird über Entkopplungswiderstände Re ein positives Triggersignal gleichzeitig
zugeführt. Außerdem sind die beiden Anoden über Ankopplungswiderstände Ra (eventuell
noch über Kopplungskondensatoren Ca, die jedoch nicht grundsätzlich erforderlich
sind) mit je einer Wicklung eines hinsichtlich seiner beiden Wicklungen symmetrischen
Ringkernübertragers Ü verbunden. Dieser Übertrager (Übersetzungsverhältnis = 1)
ist so gepolt, daß das Signal von der einen Anode der anderen Anode in umgekehrter
Polarität zugeführt wird. Diese Übertragung ist in beiden Richtungen mit gleichen
Eigenschaften möglich (Symmetrie).
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Zur Erklärung der Wirkungsweise sei angenommen, daß sich die eine
Tunneldiode in ihrem unteren stabilen Zustand (U < 55 mV), die andere in ihrem
oberen (U > 250 mV) befinde. Gelangt nun ein Impuls oder die positive Sinushalbwelle
an den Triggereingang (vorzugsweise über eine Trennkapazität Ce), so wird die erste
Tunneldiode in ihren oberen stabilen Zustand umgeschaltet, während die zweite zunächst
in diesem verharrt. Der Spannungssprung an der ersten Tunneldiode wird als Impuls
umgekehrter Polarität der zweiten Tunneldiode zugeführt, und zwar um die Verzögerungszeit
des Transformators später als der positive Triggerimpuls am Eingang. Obwohl dies;,
Zeitdifferenz sehr kurz ist, genügt sie, um die zweite Tunneldiode zurückzustellen.
Wenn kurz darauf der nächste Triggerimpuls kommt, verläuft das Spiel in umgekehrter
Reihenfolge usw.
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Beispielsweise hatten die einzelnen Schaltelemente und die Spannung
Ub folgende Werte T1 = Germaniumtunneldiode mit Imax = 5,5 mA T2 = Germaniumtunneldiode
mit Imax = 5,5 mA R"=50052 Ra = 50 52 (> 25 9) Re = 500 52 Ü = je drei Windungen
auf Ringkern von 6 mm Außendurchmesser und relativer Anfangspermeabilität ;:zz:;
20 Ub = 3,3V (Diese Spannung ergäbe an sich durch R,, einen Strom, der größer
als 1""x ist. Das bedeutet jedoch keinen Widerspruch, da Ra einen Nebenschluß zu
T1 bzw. T2 darstellt) Die an Hand der F i g. 1 erläuterte Schaltung hat unter anderem
auch den Vorteil, daß sie sich auf sehr einfache Weise in bzw. außer Betrieb setzen
läßt, und zwar ohne Beeinflussung der Speisespannung Ub. Nimmt man beispielsweise
an, daß beide Tunneldioden den hohen Widerstandswert ihrer beiden möglichen Schaltzustände
haben, so läßt sich durch Einspeisung eines im Vorzeichen entsprechend
gewählten
Vorstromes über einen im Widerstandswert gegenüber der Tunneldiode hochohmigen Widerstand
R,1" in eine der beiden Tunneldioden, z. B. T2, ganz gezielt diese eine Tunneldiode
in den Bereich niedrigen Widerstandes ihrer Kennlinie einsteuern. Damit beginnt
dann erst die Gesamtschaltung auf die zugeführtenTriggerimpulse zu reagieren. Will
man die im Betriebszustand befindliche Multivibratorschaltung gegen weitere Triggerimpulse
unempfindlich machen, also außer Betrieb setzen, so genügt es, kurzzeitig über gegenüber
den Tunneldioden hochohmige Vorwiderstände Raus einen zum Tunneldioden-Vorstrom
gleichsinnigen Stromfiuß zu überlagern, wodurch beide Tunneldioden wieder in den
Zustand ihres hohen Widerstandswertes kippen. Um bestimmte Zählrichtungen zu erhalten,
kann auch jede der beiden Tunneldioden mit einem Einschaltungseingang über einen
Widerstand Re;" versehen werden. Weiterhin ist es in der Praxis in der Regel auch
ausreichend, zum Einschalten bzw. Ausschalten der gesamten bistabilen Multivibratorschaltung
nur relativ kurze Stromimpulse zu verwenden, deren Dauer jeweils gerade so lang
gewählt ist, daß der gewünschte Schaltvorgang der Inbetriebsetzung bzw. Außerbetriebsetzung
eintritt. In der Regel müssen hierbei die Ausschaltimpulse zeitlich etwas länger
gewählt werden als der Einschaltimpuls, der jeweils nur auf einen der Kippwiderstände
bzw. eine der Tunneldioden einwirken darf. Wenn durch einen Störimpuls einmal beide
Kippwiderstände im Bereich niedrigen Widerstandswertes ihrer Kennlinie sind, dann
genügt es in der Regel, durch Einspeisung des Außerbetriebsetzungsimpulses beide
Tunneldioden in ihren hochohmigen Widerstandswert zu steuern und durch Einspeisung
eines Einschaltimpulses die Gesamtschaltung betriebsbereit zu machen. Der Einschaltimpuls
kann dabei auch gleichzeitig mit dem Ausschaltimpuls gegeben werden. Der Einschaltimpuls
darf dann allerdings zeitlich nicht vor dem Ausschaltimpuls enden. Es ist indes
auch möglich, als Auszustand der Gesamtschaltung, in der sie unempfindlich gegen
Triggerimpulse ist, den Zustand niedrigen Widerstandes der einzelnen Tunneldioden
zu wählen. In diesem Fall muß dann der Einschaltimpuls, der jeweils nur einerTunneldiode
bzw. einem Kippwiderstand zugeführt wird, die betreffende Tunneldiode in den Zustand
hohen Widerstandswertes kippen. Die übrigen Ausführungen gelten analog.
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Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird
nachstehend an Hand der F i g. 2 bis 7 erläutert. Die Kippstufe dieses Ausführungsbeispiels
besteht aus einem De-Goto-Paar, das durch zwei in Serie geschaltete Tunneldioden
T3, T4 gebildet wird, einem zu seiner Stromversorgung erforderlichen Ohmschen Spannungsteiler
und einer Umschaltvorrichtung, die sich aus einem übertrager und zwei Vorwiderständen
zusammensetzt.
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Die Wirkung eines De-Goto-Paares beruht bekanntlich darauf, daß man
die Serienschaltung zweier Tunneldioden an eine Gleichspannung legt, deren Größe
so bemessen ist, daß eine Tunneldiode im Zustand hoher Spannung und die andere im
Zustand niederer Spannung verharren muß (vgl. F i g. 2). Es ist dabei gleich wahrscheinlich,
daß die obere oder die untere Diode den Zustand hoher Spannung einnimmt. Die F i
g. 3 stellt diesen Fall im Kennliniendiagramm dar. Es kann wahlweise der durch Schnittpunkt
I oder 1I bestimmte Fall als stabile Lage eintreten; in Punkt III schneiden sich
zwei Kennlinienäste negativen dynamischen Widerstandes; er ist infolgedessen nicht
stabil. Wird un die Spannung an der Serienschaltung vorübergehend erhöht, z. B.
durch einen Impuls, so ergibt sich die in der F i g. 4 gezeichnete Situation. Schnittpunkt
I und 1I verschwinden, und Punkt III rückt in den Bereich positiven Widerstandes
und wird damit stabil. An beiden Tunneldioden liegt dann eine Spannung, die höher
ist als die ihrem Stromminimum zugeordnete. Nach Abklingen des Impulses stellen
sich wieder die in der F i g. 3 gezeigten Verhältnisse ein.
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Sind die Kennlinien beider Tunneldioden identisch, so bestimmt der
Zufall, welche Diode jetzt die niedere Spannung bekommt. Prägt man aber in den Verbindungspunkt
beider Dioden im Augenblick des Impulsabklingens einen Korrekturstrom i ein, so
bestimmt dessen Vorzeichen, welchen der beiden möglichen stabilen Zustände (I bzw.
II) das Paar einnimmt. Die F i g. 5 und 6 erläutern diesen Zusammenhang.
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In der F i g. 7 ist das Schaltbild der ausgeführten Kippstufe dargestellt.
Man erkennt den Spannungsteiler R1, R2 zur Erzeugung der erforderlichen Gleichspannung,
das De-Goto-Paar mit den Tunneldioden T 3 und T 4 und
den Eingangswiderstand RT" über den die Schaltimpulse zugeführt werden. Den beschriebenen
Kreis ergänzt ein symmetrischer Übertrager Ü mit gleichen Vorwiderständen R3 zur
Kippstufe. Die Transformatorwicklungen und die Vorwiderstände stellen Nebenschlüsse
zu den Tunneldioden dar. Damit die Funktion des De-Goto-Paares erhalten bleibt,
müssen diese Nebenschlußimpedanzen einerseits symmetrisch und andererseits widerstandsmäßig
so hoch bemessen werden, daß die charakteristische Form der Tunneldiodenkennlinie
bestehenbleibt. Das ist gleichbedeutend, daß, für die einzelneTunneldiode betrachtet,
die jeweilige Nebenschlußimpedanz betragsmäßig größer als der negative Widerstand
der zugehörigen Tunneldiode ist. Der Einstellung dieser Bedingung, vor allem bei
Gleichstrom, dient vor allem R3.
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Um die Wirkung des Transformators V zu erklären, wird angenommen,
es sei gerade ein Impuls am Eingang eingetroffen. Die untere Diode habe bisher niedere
Spannung besessen, nun wird sie in einen Zustand hoher Spannung versetzt; die obere
verharrt im Zustand hoher Spannung, wenngleich die an ihr liegende Spannung etwas
geringer wird als im Ruhefall (vgl. F i g. 3 und 4). Der Spannungsanstieg an der
unteren Diode bewirkt eine Stromzuführung an die angeschlossene Transformatorwicklung,
d. h., dem Knotenpunkt wird ein negativer Strom zugeleitet. Da-- die andere Wicklung
umgekehrt gepolt ist, wird in den Knotenpunkt auch durch diese negativer Strom eingespeist.
Einführung negativen Stromes in den Knotenpunkt bedeutet aber nach den F i g: 5
und 6 die Wahl des Zustandes II nach Abklingen des Eingangsimpulses, d. h., es führt
daraufhin die obere Diode niedere Spannung. Bei dem nächsten Eingangsimpuls wiederholt
sich der Vorgang in umgekehrter Richtung usw. Die Tatsache, daß die Diode, die zuerst
eine hohe Spannung führte, während des Impulses etwas Spannung verliert, stört den
Vorgang nicht, sondern. unterstützt ihn, wie sich leicht einsehen läßt, wenn man
eine gleichartige Betrachtung, wie soeben beschrieben, auch für für die zweite Diode
durchführt.
Bei einer ausgeführten Schaltung dieser Art hatten die
einzelnen Schaltungselemente folgende Werte. R1 = 25 S2 R2 = 59
R2
= 27 Q RT,. = 50 9
T3 = Germaniumtunneldiode mit I.ux = 10,5
mA T4 = Germaniumtunneldiode mit 1."x = 10,5 mA U' = je drei Windungen CuLSS
0,08 mm auf Doppellochkern 7.4 - 3 mm mit einer relativen Anfangspermeabilität von
9 Der an den Ausgang angeschaltete Verbraucherwiderstand RL und der aus Symmetriegründen
empfehlenswert vorzusehende Ergänzungswiderstand RL' haben einen Wert von je 100
Ohm.
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UB = 1,7 bis 2,0 Volt.
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Zu den Eigenschaften dieser Schaltung läßt sich folgendes sagen.
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Die maximale Geschwindigkeit der Schaltung wird nur durch die Eigenschaften
der Tunneldioden und des Transformators bestimmt. Da ein Transformator keine Speichereigenschaften
besitzt, begrenzt er theoretisch die Schaltgeschwindigkeit überhaupt nicht.
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Heutzutage stehen bereits Ferrite mit Grenzfrequenzen von etwa 800
MHz zur Verfügung. Da sich einerseits ein Transformator auch jenseits der Grenzfrequenz
des Kernes betreiben läßt und andererseits infolge der geringen erforderlichen Windungszahlen
die parasitären Reaktanzen klein gehalten werden können, ist es möglich, die Grenzfrequenz
des Transformators selbst schnellen Tunneldioden anzupassen. Ein solcher Transformator
ist aber auch ein außerordentlich robustes und zuverlässiges Bauteil, verglichen
mit z. B. einem Transistor. Das erhöht die Betriebssicherheit wesentlich.
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Auch die Kosten eines solchen Transformators können niedrig gehalten
werden. Bei dem erwähnten Ausführungsbeispiel wurde ein Ferritdoppellochkern mit
den Abmessungen von 4 - 7 - 3 mm verwendet; Primär- und Sekundärwicklung bestehen
aus je drei Windungen Kupferlackdraht, beide Wicklungen können zugleich (bifilar)
gewickelt werden.
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Die Zuverlässigkeit der Schaltung ist sehr gut. Die Leistungsverstärkung
der Multivibratorstufe ist groß genug, um eine zweite gleichartige Stufe ohne Zwischenverstärker
an die Ausgangsklemmen der ersten anschließen zu können.
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Der gesamte Aufwand für die Kippstufe betrug nur fünf Widerstände,
zwei Tunneldioden und einen übertrager. Einen Vergleich von Aufwand und Leistung
mit einigen bekannten Schaltungen bringt die nachstehende Tabelle.
| Mit Mit Tunneldioden |
| Transistoren und Mit Tunneldioden Erfindungsgemäße |
| (Eccles-Jordan) Reaktanzspeicher und Transistoren Schaltung
nach Fig 7 |
| Aktive Elemente zwei Transistoren zwei Tunnel- zwei Tunnel-
zwei Tunnel- |
| dioden dioden dioden |
| 'b zwei Transistoren |
| a |
| 3 ; Widerstände 6 4 6 5 |
| sonstige passive Elemente drei Dioden ein Kondensator - ein
Doppelloch- |
| zwei Konden- oder Kerntrafo |
| satoren eine Spule |
| Höchste Folgefrequenz der Ein- 150 MHz etwa 50 MHz 500 MHz
obere Grenze |
| gangsimpulse (prinzipielle obere (nur für wesentlich |
| Grenze) zwei Impulse, über 300 MHz |
| nicht ständig) |
Für das Ausführungsbeispiel nach der F i g. 1 gelten etwa dieselben Werte wie für
das Ausführungsbeispiel der F i g. 7.
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Als mehrstufige Zählschaltung läßt sich in Weiterbildung der Erfindung
die erfindungsgemäße bistabile Multivibratorschaltung vor allem in der Weise verwenden,
daß an einen der Ausgänge einer ersten bistabilen Multivibratorstufe der Eingang
einer zweiten bistabilen Multivibratorstufe angeschaltet wird. Von einem der Ausgänge
dieser zweiten bistabilen Multivibratorstufe kann der Eingang einer dritten bistabilen
Multivibratorstufe usw. gespeist werden. Es lassen sich auf diese Weise auch Ringzähler
u. dgl. in an sich bekannter Weise mit der erfindungsgemäßen bistabilen Multivibratorschaltung
aufbauen. Durch die vorstehend erwähnten Schaltungskniffe zum Löschen einzelner
Stufen ist es auch möglich, solche Zähler in die Ausgangsstellung zurückzuführen.