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Die Erfindung betrifft einen aus mindestens zwei Dioden-Transistor-Logikelementen
aufgebauten ODER-Schaltkreis, bei dem jedes Logikelement einen ersten Transistor,
einen,' als "aktive Last mit diesem in Reihe geschalteten zweiten Transistor und
einen zwischen dem leitenden und dem gesperrten Zustand schaltbaren dritten Transistor
mit jeweils zwei einen Leitungsweg bildenden Hauptelektroden und einer Steuerelektrode
zum Steuern der Leitfähigkeit dieses Weges enthält, bei dem ferner in jedem Logikelement
die Eingangssignale über Dioden auf die Steuerelektrode des dritten Transistors
gekoppelt sind, dessen zwei Ausgänge bildende Hauptelektroden mit der Steuerelektrode
des ersten"Transistors bzw. mit der Steuerelektrode des zweiten Transistors verbunden
sind, und bei dem für sämtliche Transistoren über einen- allen Logikelementen gemeinsamen
Punkt zugeführt ist.
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Logikelemente, d. h. logische Grundfunktionen, wie z. B. die NAND-Funktion
oder die NOR-Funktion erfüllende Schaltkreise, die bekanntlich in großem Umfange
unter anderem in Schalt- und Datenverarbeitungsanlagen zur Weiterleitung von Informationen
in Form von elektrischen Signalen innerhalb der Anlage über bestimmte Schaltungswege
an bestimmte Stellen verwendet werden, können als Subminiaturpackungen, beispielsweise
vom Monolith-oder Bausteintyp hergestellt werden. Wegen der sich dabei ergebenden
gedrängten Anordnung der einzelnen Schaltungskomponenten kann die Wärmeableitung,
besonders bei ohmschen Komponenten, ein kritisches Problem werden. Man ersetzt daher
häufig solche ohmschen Widerstände durch aktive Bauelemente, beispielsweise den
Kollektorarbeitswiderstand eines Transistors durch einen weiteren Transistor als
aktive Last.
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In Datenverarbeitungsanlagen sind die Logikelemente im allgemeinen
zu komplexen Netzwerken verschaltet. Eine solche Verschaltungsart besteht darin,
daß die Ausgänge zweier oder mehrerer Logikelemente direkt zusammengeschaltet werden,
so daß ihre am gemeinsamen. Ausgang kombinierten Ausgangsgrößen die ODER-Funktion
erfüllen, indem das gemeinsame Ausgangssignal immer dann anwesend ist, wenn eines
oder mehrere der so zusammengeschalteten Logikelemente ein Ausgangssignal liefert
bzw. liefern. Derart verschaltete Logikelemente simulieren also gewissermaßen die
ODER-Funktion, so daß sie zum Unterschied von einem reellen ODER-Schaltkreis als
»Virtuell-ODER-Schaltkreise« bezeichnet werden. Ihre Funktion wird entsprechend
als »virtuelle« ODER-Funktion bezeichnet.
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Ein bekannter Schaltkreis der eingangs genannten. Art, der allerdings
keine ODER-Funktion erfüllt; sondern als Pufferschaltkreis dient, ist ein sogenanntes
»Dual Buffer Element« (gezeigt unter anderem in der Veröffentlichung »Electronie
News« vom 10. B. 1964). Würde man bei einer solchen Anordnung die Ausgänge der einzelnen
Logikelemente direkt zu einem Virtuell-ODER-Schaltkreis zusammenschalten, i wie
es im Hinblick auf die schaltungstechnische Einfachheit und Arbeitsgeschwindigkeit
in komplizierten Logiksystemen sehr wünschenswert ist, so würde ohne das Vorhandensein
eines zusätzlichen Puffertransistors in jedem Logikelement infolge noch zu i erläuternder
Vorgänge die Anordnung unstabil, indem sie einen übermäßigen Leistungsverbrauch
mit Gefahr einer überhitzung und Zerstörung der Transistoren aufweist. Ein zusätzlicher
Transistor in jedem Logikelement, der in diesem Falle unerläßlich wäre, hat aber
wiederum . den Nachteil eines erhöhten Schaltungsaufwandes und außerdem einer Verringerung
der Arbeitsgeschwindigkeit wegen der Eigenverzögerung des zusätzlichen Transistors.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieser
Schwierigkeiten eine Möglichkeit zu schaffen, zwei oder mehr Logikelemente der spezifizierten
Art, bei denen der Ausgangstransistor mit einem weiteren Transistor als aktiver
Last arbeitet, ivie es besonders bei integrierten Subminiaturschaltungen bekannt
und erwünscht ist, durch direktes Zusammenschalten der Ausgänge zu einem Virtuell-ODER-Schaltkreis
ohne Aufwand eines zusätzlichen Transistors od. dgl. zu verknüpfen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Schaltkreis der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß in jedem der Logikelemente der Verbindungspunkt
zwischen dem einen Ausgang des dritten Transistors und der Steuerelektrode des zweiten
Transistors mit einem sämtlichen Logikelementen gemeinsamen Schaltungspunkt verbunden
ist und daß die mit dem zweiten Transistor verbundene Ausgangs-Hauptelektrode des
ersten Transistors außerdem an eine sämtlichen Logikelementen gemeinsame Ausgangsklemme
angeschlossen ist. Vorzugsweise ist dabei der andere Ausgang des dritten Transistors
über eine Diode mit der Steuerelektrode des ersten Transistors gekoppelt.
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Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß ein Transistor pro Logikelement,
nämlich der andernfalls, wie erwähnt, erforderliche Puffertransistor, bei trotzdem
einwandfreier Stabilität und erheblich reduziertem Leistungsverbrauch der Schaltung
eingespart wird.
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In den Zeichnungen zeigt F i g.1 das Schaltbild zweier als Virtuell-ODER-Schaltkreis
verschalteter Logikelemente und F i g. 2 eine Funktionstabelle für die einzelnen
Logikelemente in F ig. 1.
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F i g. 1 zeigt zwei durch die gestrichelte Umrahmung angedeutete Logikelemente
X und Y. Das Element X enthält ein Diodengatter 1, eine sogenannte
Pegelsteuerschaltung 2, ein aktives Bauelement 3 und ein aktives Bauelement 4. Während
das Diodengatter 1 hier aus zwei mit ihren Anoden an den Verbindungspunkt 5 angeschlossenen
Dioden D 1 und D 2
besteht, kann man. natürlich auch mehr als zwei
Dioden in dieser Weise verkoppeln, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet.
Die Kathoden der Dioden D 1 und D 2 sind mit Dateneingängen A bzw.
B verbunden. An den Verbindungspunkt 5 ist ferner über einen Widerstand R 1 eine
Betriebsspannungsquelle V, angeschlossen.
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Ferner ist mit dem Verbindungspunkt 5 der Eingang 6 der Pegelsteuerschaltung
2 verbunden. Die Pegelsteuerschaltung 2 besteht aus einem Transistor Q 1, der mit
seiner Basis über die Eingangsleitung 6 an den Verbindungspunkt 5 angeschlossen
ist. Der Emitter des Transistors Q 1 ist über eine Diode D 3 mit einem ersten Ausgang
7 der Pegelsteuerschaltung gekoppelt. Die Diode D 3 ist im konventionellen Sinne
so gepolt, daß sie vom Emitter zum Ausgang 7 weist. Der Kollektor des Transistors
Q 1 ist mit einem zweiten Ausgang 8 der Pegelsteuerschaltung verbunden. Die beiden
Ausgänge 7 und 8 der Pegelsteuerschaltung sind an Verbindungspunkte 9 bzw. 10 angeschlossen.
Der
Verbindungspunkt- 9 -ist ferner über einen Widerstand R 2 mit einem Bezugsspannungspunkt
G, angedeutet durch das übliche Massesymbol, verbunden. Der Verbindungspunkt 10
ist über einen Widerstand R 3 mit der Vorspannungsquelle V, gekoppelt.
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Der Verbindungspunkt 9 ist ferner mit dem Steuereingang 11 des aktiven
Bauelements 3 verbunden. Der Verbindungspunkt 10 ist mit dem Steuereingang 12 des
zweiten aktiven Bauelements 4 verbunden. Als aktive Bauelemente 3 und 4 dienen Transistoren
Q2 bzw. Q 3. Die Basiselektroden der Transistoren Q 2
und Q 3 sind
über die Eingangsleitungen 11 und 12 mit den Verbindungspunkten 9 bzw. 10 verbunden.
Der Emitter des Transistors Q2 ist mit dem Bezugsspannungspunkt G verbunden. Der
Kollektor des Transistors Q 2 ist an einen Verbindungspunkt 13 angeschlossen. Der
Emitter des Transistors Q 3 ist über einen Widerstand R 4 mit dem Verbindungspunkt
13 gekoppelt. Der Kollektor des Transistors Q 3 ist an die Vorspannungsquelle
V, angeschlossen.
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Da das -Logikelement Y identisch ausgebildet ist wie das Element X,
sind die einzelnen Teile mit den gleichen Bezugszeichen, jedoch jeweils mit Strichindizes,
bezeichnet wie beim Element X.
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Die Logikelemente X und Y sind zu einem Virtuell-ODER-Schaltkreis
verschaltet, indem die Verbindungspunkte 13 und 13' über Ausgangsleitungen 14 bzw.
14' an eine gemeinsame Ausgangsklemme E, angeschlossen sind. Die Verbindungspunkte
10 und l-0' sind über Leitungen 15 bzw. 15' an einen gemeinsamen
Verbindungspunkt 16 angeschlossen. Die Verbindungen 14" und 15" zum
Ausgang Eo sowie zum Verbindungspunkt 16 stellen die Anschlüsse identischer Logikelemente
dar. Die gestrichelt zwischen dem Ausgang Eo und Masse angedeutete Kapazität Co
stellt die sich aus der Verdrahtung ergebende Streukapazität sowie die Eingangskapazität
eines weiteren Logikelements, mit dem der Ausgang Eo verbunden sein kann, dar.
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Es sei angenommen, daß die Vorspannung V,, -f-5 Volt, der Spannungsabfall
(VBE) an der Basis-Emitter-Sperrschichtdiode jedes Transistors 0,7 Volt, der Spannungsabfall
an der Kollektor-Emitter-Strecke (Vce) jedes Transistors 0,1 Volt bei Sättigung,
der Spannungsabfall an den einzelnen Dioden im leitenden Zustand 0,7 Volt und die
Spannungen an den Eingängen A und B sowie am Ausgang E, entweder 0,1
Volt oder 4,3 Volt betragen. Ferner sei angenommen, daß der Ausgang Eo mit dem Eingang
eines gleichartigen Logikelements gekoppelt ist.
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Es soll zunächst die Arbeitsweise des Logikelements X ohne die Virtuell-ODER-Verschaltungen
14 und 15 betrachtet werden. Wenn entweder der Eingang A oder der Eingang
B oder beide Eingänge den Pegel 0,1 Volt führen, so leitet oder leiten die
entsprechende bzw. beide der Dioden D 1 und D2.
Die Basisspannung des
Pegelsteuertransistors Q 1 am Verbindungspunkt 5 beträgt 0,8 Volt, was nicht ausreicht,
um die Basis-Emitter-Sperrschicht des Transistors Q 1 und die Sperrschwelle der
Diode D 3 zu durchbrechen. Der Transistor Q 1 ist daher verriegelt und liefert keinen
Strom an die Basis des Transistors Q 2. Folglich ist der Transistor
Q 2 ebenfalls verriegelt. Die Basis des Transistors Q3, der Verbindungspunkt
10 und der Pegelsteuertransistorausgang 8 werden gegen den Vorspannungswert von
5 Volt gedrückt. Der Transistor Q 3 leitet kräftig und beliefert die Ausgangskapazität
Co mit einem Ladestrom. Beim Aufladen der Ausgangskapazität Co steigt die Spannung
am Ausgang E, von 0,1 auf 4,3 Volt an. Wenn der Ausgang E, sich auf 4,3 Volt einpegelt,
entnimmt der Transistor Q 3 sehr wenig Strom, da die Eingangsdiode des mit dem Ausgang
gekoppelten Logikelements in der Sperrichtung vorgespannt ist. Wenn folglich entweder
der Eingang A oder der Eingang B
oder beide Eingänge 0,1 Volt führen,
liegt der Ausgangspegel Eo am Verbindungspunkt 13 bei 4,3 Volt.
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Wenn beide Eingänge A und B den Pegel 4,3 Volt haben,
leitet keine der Dioden D 1 und D 2. Der Spannungspegel an der Basis
des Pegelsteuertransistors Q1 steigt auf 2,1 Volt (die Summe der Spannungsabfälle
an den Basis-Emitter-Sperrschichten der Transistoren Q 1 und Q 2 sowie
an der Diode D 3)
an und übersteigt damit die durch die Basis-Emitter-Sperrschicht
des Emitters Q 1 und die Diode D 3 gebildete Sperrschwelle. Der Transistor
Q 1 sättigt sich und beliefert die Basis des Transistors Q2 mit Strom, so daß dieser
Transistor in den Sättigungszustand gesteuert wird. Die Ausgangsspannung am Verbindungspunkt
13 fällt auf 0,1 Volt (VCE des gesättigten Transistors Q 2) ab. Die
Basis des Transistors Q 3
wird von 5 auf 1,5 Volt gedrückt. Die Emitterspannung
des Transistors Q 3 folgt der Basisspannung und beträgt 0,8 Volt (VB-VBE des Transistors
Q 3). Da
der Ausgangspunkt 13 mit einem gleichartigen Logikelement gekoppelt
ist, ist der Gleichstrom-Lastwiderstand verhältnismäßig niedrig, weil die Eingangsdiode
der Last in der Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Es fließt daher ein Strom durch
den Transistor Q 3, was einen Spannungsabfall von 0,7 Volt am Strombegrenzungswiderstand
R 4 zur Folge hat. Wenn folglich sowohl der Eingang A als auch der Eingang B den
Pegel 4,3 Volt führen, liegt die Ausgangsspannung E, am Verbindungspunkt 13 bei
0,1 Volt.
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Die Diode D 3 ist vorteilhaft für die Arbeitsweise des Logikelements.
Sie dient nicht nur dazu, einen angemessenen Spannungsabfall zu erzeugen, sondern
sie sorgt auch für einen verbesserten Störschutz bei Schwankungen der Eingangsspannung
um ungefähr 1,3 Volt beiderseits des 0,1-Volt-Pegels. Die Diode D3,
die eine schnell erholende Diode (Diode kurzer Erholzeit) ist, schaltet bei Abfallen
der Eingangsspannung A oder B von 4,3 auf 0,1 Volt sehr rasch ab,
so daß sich eine sehr kurze Abschaltzeit für den Transistor Q 1 ergibt. Eine
kurze Abschaltzeit des Transistors Q 1 ist wünschenswert, um eine schnellere Ansprechung
der Ausgangsspannung E, auf Änderungen des Spannungspegels an den Eingängen A und
B zu erhalten.
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F i g. 2 zeigt die Funktionstabelle der einzelnen Logikelemente für
zwei Eingänge A und B. Die Buchstaben H und L stellen jeweils hohe bzw. niedrige
Spannungspegel dar. Der Ausgang Eo hat nur dann den niedrigen Pegel, wenn sämtliche
Eingänge den hohen Pegel haben, während er den hohen Pegel hat, wenn einer oder
mehrere der Eingänge den niedrigen Pegel führt bzw. führen. Das Logikelement erfüllt
daher die NAND-Funktion für Signale hohen Wertes und die NOR-Funktion für Signale
niedrigen Wertes.
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Die Arbeitsweise des Logikelements Y ist die gleiche wie die des Elements
X, so daß hier nur auf die Zusammenarbeit der beiden Elemente im Virtuell-ODER-Schaltkreis
betreffende Vorgänge im Element Y eingegangen zu werden braucht.
Die
Virtuell-ODER-Schaltung arbeitet wie folgt: Wenn entweder der Eingang A oder der
Eingang B des Logikelements X den Pegel 0,1 Volt führt und entweder der Eingang
A' oder der Eingang B' des Logikelements Y den Pegel 0,1 Volt führt, sind die Transistoren
Q 1, Q2, Q l' und Q2' verriegelt, wie im Zusammenhang mit dem Logikelement
X erläutert. Die Basisspannungen der Transistoren Q3 und Q 3' werden gegen 5 Volt
gedrückt. Die Emitterspannungen dieser beiden Transistoren folgen den Basisspannungen
und liegen bei 4,3 Volt. Wenn der Ausgang E, mit einem weiteren Logikelement gekoppelt
ist, ist die Lastimpedanz sehr groß, da die Eingangsdiode der Last in der Sperrichtung
vorgespannt ist. In den Transistoren Q 3 und Q 3' fließt ein sehr geringer Strom,
und die Spannung am Ausgang Eo beträgt 4,3 Volt. Wenn folglich einer der Eingänge
jedes der Logikelemente X und Y den Pegel 0,1 Volt führt, hat der Ausgang Eo den
Pegel 4,3 Volt.
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Wenn beide Eingänge A und B des Logikelements X
den Pegel
4,3 Volt führen, werden die Transistoren Q 1 und Q 2 gesättigt, wie
bereits beschrieben. Liegt nun an einem oder beiden der Eingänge A' und B' des Logikelements
Y der Spannungspegel 0,1 Volt, so würde die Spannung an der Basis des Transistors
Q 3' oder am Verbindungspunkt 10' normalerweise gegen den Vorspannungswert von 5
Volt gedrückt, was zur Folge haben würde, daß der Transistor Q 3' sehr kräftig leitet.
Da der Transistor Q 2 des Logikelements X gesättigt ist, würde durch die Reihen-
; schalteng der beiden Transistoren Q 2 und Q 3' ein sehr starker Strom fließen.
Die Kollektorspannung des Transistors Q 2 würde bestrebt sein, auf einen Gleichgewichtspegel
anzusteigen. Ein hoher Leistungsverbrauch in den beiden Transistoren Q 2 und Q 3
wäre die Folge, was möglicherweise dazu führen könnte, daß die Transistoren beschädigt
werden. Eine derartige Schaltung würde daher unstabil sein.
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Dieser unstabile Zustand wird durch die Virtuell-ODER-Verschaltung
15, 15' und 16 verhindert. Wenn die Transistoren Q 1 und Q 2 des Logikelements X
gesättigt sind, wird der Spannungspegel am Verbindungspunkt 16 auf 1,5 Volt gedrückt,
wodurch jeder der Transistoren Q 3 und Q 3' in einen verhältnismäßig schwach leitenden
Zustand gesetzt wird. Der an die Lastkapazität gelieferte Ladestrom verteilt sich
jetzt auf die Kollektor-Emitter-Kreise der Transistoren Q2 und Q3'. Die Ausgangsspannung
Eo liegt um 0,1 Volt (VCE des gesättigten Transistors Q2) über dem Bezugspegel G.
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Ebenso sind immer dann, wenn die Eingänge A' und B' des Logikelements
Y den Pegel 4,3 Volt führen und einer oder beide der Eingänge A und
B des logischen Elements X den Pegel 0,1 Volt führen, die Transistoren Q
3 und Q 3' im verhältnismäßig schwach leitenden Zustand, wobei sie sich in den an
den Ausgang E, gelieferten Strom teilen. Wenn folglich einer der Pegelsteuertransistoren
Q 1 und Q 1' leitet, so führt der gemeinsame Verbindungspunkt 16 den
einen Spannungspegel, während, wenn sämtliche Pegelsteuertransistoren nicht leiten,
der gemeinsame Verbindungspunkt 16 den anderen Spannungspegel führt. Diese beiden
Spannungspegel am Verbindungspunkt 16 steuern die Stromleitung der Transistoren
der aktiven Bauelemente, so, daß ein stabiler Virtuell-ODER-Betrieb erhalten wird.
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Selbstverständlich kann man an Stelle der hier gezeigten npn-Transistoren
auch pnp-Transistoren bei entsprechenden Polaritätsänderungen der Vorspannung verwenden.
Es ist ferner klar, daß die aktiven Bauelemente 4 und 4' der Logikelemente X und
Y auch jeweils mehrere Einzelelemente enthalten können, vorausgesetzt, daß der Eingang
12 die Stromleitung am Ausgang des aktiven Bauelements steuert. Ferner kann die
Pegelsteuerschaltung 2 beliebig in der Weise auslegen, daß jeweils der Verbindungspunkt
9 der Ausschwingung der Eingangsspannung folgt, während die Ausschwingung der Eingangsspannung
am Verbindungspunkt 10 umgekehrt wird. Statt nur zwei Logikelemente in Virtuell-ODER-Schaltung
auszulegen, kann man, wie erwähnt, auch mehr als zwei derartige Logikelemente mit
ihren Ausgängen 13 an den gemeinsamen Ausgangspunkt E, und mit ihren Schaltungspunkten
10 an den gemeinsamen Verbindungspunkt 16 anschalten, wie durch die Verbindungen
14" und 15" angedeutet. Die Anzahl der so verschaltbaren logischen Elemente ist
lediglich durch das Verzweigungs- oder Ausfächerungsvermögen der einzelnen Pegelsteuerschaltung
2 begrenzt.