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DE1499744A1 - Elektronisches Speicherelement - Google Patents

Elektronisches Speicherelement

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DE1499744A1
DE1499744A1 DE19661499744 DE1499744A DE1499744A1 DE 1499744 A1 DE1499744 A1 DE 1499744A1 DE 19661499744 DE19661499744 DE 19661499744 DE 1499744 A DE1499744 A DE 1499744A DE 1499744 A1 DE1499744 A1 DE 1499744A1
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transistor
signal voltage
operating
voltage source
conductive
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DE19661499744
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Pricer Wilbur David
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International Business Machines Corp
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Description

Amtliches Aktenzeichen:
Aktenz. der Anmelderin:
Neuanmeldung Docket 14 430
Elektronisches Speicherelement
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Speicherelement, das aus einem ersten und einem zweiten Transistor mit gemeinsameiuEmitterwiderstand und einer direkten Kopplung zwischen der Basis des ersten und dem Kollektor des zweiten, im KoUektorkreis einen Arbeitswiderstand aufweisenden Transistor besteht und das zwischen zwei stabilen Zuständen mit leitendem ersten und gesperrtem zweiten oder mit gesperrtena ersten und leitendem zweiten Transistor umschaltbar ist.
Speicher sind ein wesentlicher Bestandteil der Datenverarbeitungsanlagen» In diesen Speichern werden binäre Informationen gespeichert. Die
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Speicherelemente sind in den allermeisten Fällen in Form von Matrizen angeordnet. An derartige Speichersysteme werden einige wesentliche Forderungen gestellt. Neben der Betriebssicherheit wird vor allen Dingen eine hohe Speicherdichte, d. h., die einzelnen Speicherelemente dürfen nur einen geringen Raum einnehmen und eine extrem hohe Geschwindigkeit der Schreib- und Leseoperationen gefordert.
Als bistabile Speicherelemente dienen vor allem Magnetkerne, da sie wesentliche Vorteile aufweisen. Unter anderem, hat sich auch die Tunnel-Diode für diesen Zweck als brauchbar erwiesen.
Es ist auch eine große Anzahl bistabiler Schaltkreise mit Transistoren bekannt, die der Funktion nach als Speicherelement verwendbar sind. Derartige Schaltkreise bestehen mindestens aus zwei geeignet gekoppelten Transistorstufen und zusätzlichen passiven Schaltelementen. Außerdem sind sowohl Anschlüsse für die Betriebsspannungen als auch für die Steuerspannungen erforderlich. Als Speicherelement für Großspeicher sind derartige Schaltkreise bisher kaum anwendbar, da die erreichbare Speicherdichte im Vergleich zu anderen Speicherelementen viel zu gering ist. Außerdem ist die Zahl der erforderlichen Zuleitungen zu groß. Ein weiteres Hindernis ist der zu hohe Preis eines einzelnen Speicherelementes.
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Um die Vorteile der seither für Speicherzwecke verwendeten Elemente zu erreichen oder zu überbieten, müssen aus Transistoren aufgebaute Speicherelemente in großer Zahl und mit möglichst geringem Raumbedarf herstellbar sein. Außerdem müssen extrem geringe Schaltzeiten erreicht werden.
Neuerdings bietet sich die integrierte Schaltungstechnik an, derartige Speicherelemente herzutsellen und zu verwenden. Voraussetzung bleibt aber, daß eine geeignete Schaltung mit einem Minimum an passiven Schaltelementen und einem Minimum an Zwis chenverbindung en und Zuleitungen gefunden wird.
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein derartiges, in integrierter Schaltungstechnik herstellbares Speicherelement mit zwei Transistoren anzugeben, das die geforderten Bedingungen voll erfüllt.
Gemäß der Erfindung wird ein elektronisches Speicherelement vorgeschlagen, das aus einem ersten und einem zweiten Transistor mit gemeinsamem Emitterwiderstand und einer direkten Kopplung zwischen der Basis des ersten und d em Kollektor des zweiten, im Kollektorkreis einen Arbeitswiderstand aufweisenden Transistors besteht und das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine
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erste Betriebs- und Signalspannungsquelle an den Arbeitswiderstand und eine zweite Betriebs- und Signalquelle an die Basis des zweiten und ein Leseverstärker an den Kollektor des ersten Transistors angeschlossen ist, und daß das Einschreiben und Auslesen durch Impulse der Betriebsund Signalspannungsquellen erfolgt.
Insbesondere wird vorgeschlagen, daß zum Einschreiben des einen Schaltzustandes die erste Betriebs- und Signalspannungsquelle einen den ersten Transistor sperrenden und gleichzeitig die zweite Betriebs- und Signalspannungsquelle einen den zweiten Transistor leitend machenden Impuls abgibt, und daß zum Einschreiben des anderen Zustandes lediglich die zweite Betriebs- und Signalspannungsquelle einenlden zweiten Transistor sperrenden Impuls abgibt.
Weiterhin wird vorgeschlagen, daß zum Auslesen die zweite Betriebs- und Signalspannungsquelle einen den zweiten Transistor sperrenden Impuls abgibt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Speicherelementes besteht darin, daß zum Auslesen ohne Löschung der Information der gemeinsame E mitter wider stand mit einer dritten Betriebs- und Signalspannungs. quelle verbunden ist, die einen Impuls abgibt, der bei leitendem ersten Transistor lediglich eine kurzzeitige Änderung dessen Kollektorstromes hervorruft.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels.
Fig. 1 zeigt den schematischen Schaltungsaufbau eines erfindungsgemäßen elektronischen Speicherelements und
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer unter Verwendung des Speicherelementes aufgebauten Speichermatrix.
Das erfindungsgemäße Speicherelement besteht, wie die Fig. 1 zeigt, aus einem, ersten Transistor 10 und einem zwei ten Transistor 12 vom NPN-Typ. Die Basis 16 des Transistors 10 ist direkt mit dem Kollektor 24 des Transistors 12 über die Leitung 26 gekoppelt. Der Kollektor 24 des Transistors 12 steht über einen geeigneten Arbeitswiderstand, dessen Wert beispielsweise 2, 8 Kiloohm beträgt, und über den Anschluß B mit einer Betri ebs— und Signalspannungsquelle 40 in Verbindung. Der Kollektor 18 des Transistors 10 liegt über einen Anschluß A an einem Leseverstärker 50. Das den Anschluß A mit dem Leseverstärker 50 verbindende Leitungsstüek ist mit Leseleitung und das den Anschluß B mit der Betriebs-* und1 Signalspannungsquelle 40 verbindende Leitungsstüek ist mit Bit-Leitung, bezeichnet» Die Bezeichnung dieser Leitungen ergibt sich aus der anscMießfenden Beschreibung der Funktion»
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Die Emitter 14 und 20 der Transistoren 10 und 12 sind miteinander verbunden und liegen über einen Widerstand 60, dessen Wert beispielsweise 1, B Kiloohm beträgt, am Anschluß D. Der Anschluß D ist über eine mit LOL bezeichnete Leitung an eine Betriebs- und Signalspannungsquelle 70 angeschlossen.
Die Basis 22 des Transistors 12 ist an einen Anschluß C geführt, der üher eine als Wortleitung bezeichnete Leitung an einer weiteren Betriebs- und Signalspannungsquelle 80 angeschlossen ist. Die zwischen den Anschlüssen A, B, C und D liegende Schaltung kann, was leicht einzusehen ist, ohne weiteres in monolithischer Bauweise ausgeführt werden. Das bedeutet, daß eine Vielzahl derartiger Schaltungen in einem einzigen Block aus Halbleitermaterial in bekannter Weise hergestellt werden können. Über geeignete, auf die Oberfläche des monolithischen Blockes aufgebrachte Leitungen lassen sich die gemeinsamen Betriebs- und Signalspannungsquellen 40, 70 und 80 und die gemeinsamen Leseverstärker 50 mit den Anschlüssen A, B, C und D jedes Speicherelementes leitend verbinden» Zur vereinfachten Darstellung sind die Betriebsspannungsquellen und die Si gnalspannungsquellen kombinier t. Es können aber selbstverständlich getrennte Gleichspannungsquellen, wie beispielsweise Batterien vorgesehen werden. Beispielsweise kann am KoUektorwieterstand 30 des Transistors 12 eine Batterie mit S, 8 Volt und am gemeinsamen Emitterwidierstand; SO» eine Batterie mit -3 Volt angeschlossen sein.
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Betrachtet man nun die Funktion des Speicherelementes im Ruhezustand, d. h., wenn die Signalspannungsquellen keine Impulse abgeben, so befindet sich entweder der Transistor 10 oder der Transistor 12 im leitenden Zustand. Es sei vorausgesetzt, daß eine binäre Null gespeichert ist, wenn sich der Transistor 10 im leitenden Zustand befindet, und daß eine binäre Eins gespeichert ist, wenn sich der Transistor 12 im leitenden Zustand befindet. Über die direkte Kopplung des Kollektors 24 des Transistors 12 und der Basis 16 des Transistors 10 wird der Transistor 10 bei leitendem Transistor 12 im nichtleitenden Zustand gehalten. Angenommen, der Transistor 12 ist leitend, dann liegt am Anschluß E ein negativeres Potential als am Anschluß C und der Transistor 10 ist gesperrt.
Unter der Annahme, daß Transistor 12 leitend und Transistor 10 nicht leitend ist, wird die Information aus dem Speicherelement dadurch ausgelesen, daß an die Wortleitung ein ins negative gerichteter Impuls angelegt wird. Dazu liefert die Betriebs - und Signalspannungsquelle 80 einen Impuls, der das Potential am Anschluß C von 0 Volt auf -0, 8 Volt erniedrigt. Dadurch wird der Emitterstrom des Transistors 12 zu gering, um das Potential des Anschlusses E unter dentdes AnscHusses G zu halten. Ain Anschluß E wird also das Potential positiver als am Anschluß C und der Transistor 10 beginnt zu leiten. Bei leitendem Transistor 10 wird Transistor schnell in den gesperrten Ztistand.übergeführt, -. da das Potential des An-
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Schlusses E sich dem Potential des Anschlusses B annähert, das bei +3, 8 Volt liegt. Das Potential auf der Wortleitung wird nun auf den Normalpegel zurückgeführt, d.h., das Potential des Anschlusses C wird 0 Volt. Der Transistor 10 bleibt leitend.
Hätte sich der Transistor 10 bereits ursprünglich im leitenden Zustand befunden, so wäre dieser Zustand nicht durch den Vorgang auf der Wortleitung beeinflußt worde. D. h., eine Erniedrigung des Potentials am Anschluß C von 0 Volt auf -0,8 Volt kann den Leitzustand des Transistors 12 nur beeinflussen, wenn der Transistor 12 leitend war. Nur bei vorher leitendem Transistor 12 erscheint auf der Leseleitung (Anschluß A) eine Stromänderung, die vom Leseverstärker 50 abgefühlt wird.
Am Ende der beschriebenen Leeeoperation ist Transistor 10 leitend. Zieht man eine Reihe gleicher Speicherelemente in Betracht, dann sind nach einer Leseoperation sämtliche, dem Transistor 10 entsprechende Transistoren leitend.
Beim Einsdareiben einer Information wird dem Speicherelement der Fig. 1 von der Betriebs- und Signalspannungsquelle 80 ein Impuls zugeführt. Das Potential des Anschlusses C wird dabei von 0 Volt entweder auf +3 Volt angehoben oder auf - o, 8 Volt abgesenkt.
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Soll eine binäre Eins eingeschrieben werden, dann liefert die Betriebsund Signalspannungsquelle 80 einen positiven Impuls, der das Potential des Anschlußpunktes C auf +3 Volt anhebt. Gleichzeitig liefert die Betriebsund Signalspannungsquelle 40 einen negativen Impuls, der das Potential ,des Anschlußpunktes B von +3, 8 Volt auf + 2, 2 Volt absenkt. Dadurch daß.das Potential des Anschlußpünktes C positiver und das Potential des J ' Anschlußpunktes B negativer wird, leitet Transistor 12 und Transistor ;■' VlO wird gesperrt. Nach dem Ende beider Impulse bleibt Transistor 12 leitend, was der Speicherung einer binären Eins entspricht.
Soll eine binäre Null in das Speicherelement eingeschrieben werden, so wird dem Anschluß B kein negativer Impuls zugeführt, wird auf einem Potential von +3, 8 Volt gehalten, während dem Anschluß C ein negativer Impuls zugeführt wird. In diesem Falle leitet Transistor 12 nicht während Transistor 10 leitend bleibt« .
' Oft ist es beim Gebraeuh von Speichereinrichtungen in hohem Maße erwünscht, daß die Speicher ausgelesen werden können ohne Löschungen der Information. Das Auslesen soll also auf eine Art und Weise erfolgen, bei der der Zustand der Speicherelemente ausgelesen wird ohne daß er dabei verändert wird. Das erfindungsgemäße Speicherelement gemäß Flg. 1 kann
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in einfacher Weise mit Mitteln versehen werden, die ein Auslesen ohne Löschung gestatten. Im. Nor malfalle wird dem Anschlußpunkt D von der Spannungsquelle 70 lediglich eine feste Betriebsspannung zugeführt. Um jedoch ein Lesen ohne Löschung der Information zu erreichen, ist die Quelle 70, als Betriebs- und Signalspannungsquelle ausgebildet, die bei einer Leseoperation durch einen Impuls das Potential im Anschlußpunkt D kurzzeitig erhöht oder erniedrigt, beispielsweise von -3 Volt auf -2, 2 Volt. I„st bei einer Leseoperation der Transistor 10 leitend, d.h., ist eine binäre Null gespeichert, dann bewirkt ein Anheben des Potentials im Anschlußpunkt D eine Änderung des Stromes im Transistor 10. Diese Stromänderung wird vom Leseverstärker 5Q abgefühlt. Nach Beendigung des Impulses fließt im Transistor IQ wieder der ursprüngliche Strom. D.h., bei dieser Leseoperation wird der Schaltzustand des Speicherelegeändert.
Ist andererseits bei einer derartigen Lesepper^tion eine binäre Eins gespeichert, d.h. also, Transistor 12 leitend und Transistor 10 nichtleitend, dann hat eine kurzzeitige Veränderung des Potentials im Anschlußpunkt D keinen Einfluß auf den Strom im Transistor 10 und der Leseverstärker empfängt kein Signal.
In Fig. 2 ist unter Verwendung des erfindungsgemäßen Speicherelementes eine Speichermatrix mit dreimal drei Speicherst eilen dargestellt. Die
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Matrix besteht aus einer Vielzahl· miteinander verbundener Speicherelemente 200 bis 280. Die Speicherelemente. 200, 210 und 220 sind so angeordnet, daß sie den Bits eines Wortes zugeordnet sind. Die Speicherlelemai te in den anderen Zeilen, also die Speicherelemente 230, 240, 250 der zweiten Zeile und die Speicherelemente 260, 270, 280 in der dritten Zeile sind den Bits anderer Wörter zugeordnet.
Die in der Speichermatrix der Fig. 2 verwendeten Speicherelemente entsprechen dem in Fig. 1 dargestellten Speicherelement mit der vereinfachenden Einschränkung, daß der Anschlußpunkt D lediglich an einer festen Betriebsspannung liegt und somit das Auslesen des Speichers ohne Löschung der Information nicht möglich ist. Es ist jedoch offensichtlich, daß lediglich durch Hinzufügen einer weiteren Leitung und Signalquelle für jede Zeile der Matrix auch dieser Fall berücksichtigt werden kann. Das Speicherelement 200 ist folgender maßen in die Matrix eingebaut. Der Ansdilußpunkt A ist mit der Lese leitung 300, der Ansdilußpunkt B mit der Bit-Leitung 310 und der Anschlußpunkt C mit der Wort-Leitung 320 verbunden. An der Leseleitung 300 liegen außerdem die Anschlußpunkte A der Speicheriemente 230 und 260, an der Bit-Leitung 310 die Anschlußpunkte B der Speicherelemente 230 und 260, während die Wort-Leitung 320 auch mit den Anschlußpunkten C der Speicherelemente 210 und 220 verbunden ist, die verschiedenen Bits des gleichen«ife& Wortes zugeordnet sind. Die Leseleitungen 301 und 302 und die Bit-Leitungen 311 uiid 312 sind mit den Speicherelementen der anderen Spalten verbunden. Die weiteren Wort-Leitungen 321 und 322 stehen mit den Speicherelementen ihrer
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Zeile in Verbindung
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An die Leseleitungen 300, 301 und 302 sind die Leseverstärker 330, 331 und 332. angeschlossen. Diese Leseverstärker sind identisch mit dem aus der Fig. 1. Mehrere Wort- Treiber 340, 341, 342, die identisch mit der Betriebs- und Signalspannungsquelle 80 aus der Fig. 1 sind, sind mit den zugeordneten Wort-Leitungen 320, 321, 323 verbunden» Mehrere Bit-Treiber 350, 351, 352, die identisch mit der Betriebs- und Signalspannungs· quelle 40 aus Fig. 1 sind, liegen an zugeordneten Bit-Leitungen 310', 311 und 312.
Um die Funktionsweise der Speichermatrix der Fig. 2 zu erläutern, sei beispielsweise angenommen, daß eine Schreiboperation stattfinden soll und zwar soll in die Speicherelemente 200, 240 und 280 jeweils eine binäre Eins eingeschrieben werden. Das Speicherelement 200 liegt in der ersten Spalte links und in der ersten Zeile oben, während die beiden anderen Speicherelemente 240 und 280 in der zweiten Spalte, zweiten Zeile und in der dritten, dritten Zeile angeordnet sind.
Wje bereits in entsprechender Weise anhand der Fig. 1 beschrieben, liefert der Wort-Treiber 340 einen Impuls, sojdaß das Potential im Anschlußpunkt C jede der Speicherelemente 200, 210 und 220 auf +3 Volt angehoben wird. Da jedoch lediglich in das SpeicherelemBnt 200 in der obersten Zeile eine binäre
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Eins eingeschrieben werden soll, liefert nur Bit-Treiber 350 einen Impuls über die Bit-Leitung 310 an den Anschlußpunkt B des Speicher elementes 200. Da nur das Speicherelement 200 in Spalte 1 gleichzeitig einen Impuls sowohl vom Wort-Treiber 340 als auch vom Bit-T reiber 350 empfängt, wird nur dieses Speich erelement in den eine binäre Eins kennzeichnenden Schaltzustand gebracht.
In entsprechender Weise erfolgt das Einschreiben einer binären Eins in die Speicherelemente 240 und 280 durch gleichzeitige Zuführung von Impulsen des Wort-Treibers 341 und des Bit -T reibers 351 bzw. des Wort-Treibers 342 und des Bit-Treibers 352. Die restlichen Speicherelemente der Matrix bleiben imjeiner binären Null zugeordneten Zustand.
Auch eine Leseoperation erfolgt in entsprechender Weise wie bei dem einzelnen Speicherelement der Fig. 1. Um das Speicherelement 200 auszulesen, liefert der Wort-Treiber 340 einen Impuls, so daß das Potential im Anschlußpunkt C des Speicherelementes auf -0, 8 Volt vermindert wird. Da im Speicherelement 200 eine binäre Eins gespeichert ist, also der Transistor 12 sich im leitenden Zustand befindet, empfängt der am Anschhßpunkt A des Speicherele,-mentes 200 angeschlossene Leseverstärker 330 einen Impuls. An den Anschlußpunkten A der Speicherelemente 210 und 220 wird dagegen kein Impuls hervorgerufen, den die zugeordneten Leseverstärker 331 und 332 abfühlen könnten.
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Wenn in entsprechender Weise die Wort-Treiber 341 und 342 erregt werden, wird lediglich von den Leseverstärkern 331 und 332 ein Impuls empfangen, da nur in den Speicherelementen 240 und 280 eine binäre Eins gespeichert ist.
Im vorstehenden wurde ein einzelnes Speicherelement, das lediglich aus zwei Transistoren und zwei Widerständen besteht, und eine unter Verwendung dieses Speicherelementes aufgebaute Speicheranordnung beschrieben. Das Speicherelement und eine aus einer Mehrzahl dieses Speicherelementes aufgebaute Speichermatrix läßt sich ohne weiteres in einem einzelnen monolithischen Block aus Halbleitermaterial verwirklichen. Weiterhin ist hervorzuheben, daß das Speicherelement sehr stabil ist, obwohl die Schaltung sehr einfach ist. Die zulässigen Toleranzen des Treiberstromes werden weitgehend durch die Betriebs- und Signalspannungen und weniger durch die Transistor- und Widerstandsparameter bestimmt.. Außerdem kann die Impedanz> relativ hoch gehalten werden, so daß Spannungssteuerung in Frage kommt. ·
Das erfindungsgemäüe, elektronische Speicherelement hat einen zusätzlichen Vorteil durch die getrennten Kollektoren, Diese können, wie anhand der Speicherinatrix beschrieben, zu Oder-Glieder bildenden S -haltkrelfjen verbunden werden, so daß beim Ansteuern die Toleranzen der einzelnen Schaltungen
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nicht beeinträchtigt werden. Auf diese Weise können daher große Signale entnommen werden. Wie bereits beschrieben kann das Speicherelement ohne weiteres zum Auslesen ohne Löschung der Informatinn verwendet werden.
Eine Abwandlung des erfindungs gemäßen Speicherelementes kann darin bestehen, daß der Kollektorwiderstand 30 durch einen Emitterfolger ersetzt wird. Durch diese Maßnahme werden die Anforderungen an die Bit-Ansteuerung vermindert aber der Transistor 10 muß dann eine höhere Stromverstärkung aufweisen.
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Claims (4)

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1. Elektronisches Speicherelement, das aus einem ersten und einem zweiten Transistor mit gerneinsamemEmitterwiderstand und einer direkten Kopplung zwischen der Basis des ersten und dem Kollektor des zweiten, im Kollektorkreis einen Arbeitswiderstand aufweisenden Transistors besteht und das zwischen zwei stabilen Zuständen mit leitendem ersten und ge-, sperrtem zweiten oder mit gesperrtem ersten und leitendem zweiten Transistor umschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Betriebsund Signalspannungsquelle (40) an den Arbeitswiderstand (30) und eine zweite Betriebs- und Signalspannungsquelle (80) an die Basis des zweiten und ein Leseverstärker (50) an den Kollektor des ersten Tx-ansistors (10) angeschlossen ist und daß das Einschreiben und Auslesen durch Impulse der Betriebs- und Signalspannungsquellen erfolgt,
2. Elektronisches Speicherelement nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einschreiben des einen S ehalt zu stand es die erste Betriebs- und SignalspannungsqueUe (40) einen den ersten Transistor (10) sperrenden und gleichzeitig die zweite Betriebs- und Signalspannungsquelle (80) einen den zweiten Transistor (12) leitend machenden Impuls abgibt, und daß zum Einschreiben des anderen Zustandes lediglich die zweite Betriebs- und Signalspannungsquelle (80) einen den zweiten Transistor (12) sperrenden Impuls abgibto
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3. Elektronisches Speicherelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auslesen die zweite Betriebs- und Signalspannungsquelle (80) einen den zweiten Transistor (12) sperrenden Impuls abgibt.
4. Elektronisches Speicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auslesen ohne Löschung der Information der gemeinsame Emitterwiderstand mit einer dritten Betriebs- und Signalspannungsquelle (70) verbunden ist, die einen Impuls abgibt, der bei leitendem ersten Transistor (10) lediglich eine kurzzeitige Änderung dessen Kollektorstromes hervorruft.
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DE19661499744 1965-12-27 1966-12-24 Elektronisches speicherelement mit zwei transistoren Withdrawn DE1499744B2 (de)

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US51630665A 1965-12-27 1965-12-27

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