DE2524044C3 - Universelles Verknüpfungsglied für den Subnanosekundenbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Logikschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Logikschaltungen für die logischen Grundoperationen UND, ODER sowie NICHT werden in vielen Bereichen der Elektronik bis zu sehr hohen Schaltfrequenzen eingesetzt Durch die Ausführung dieser Logikschaltungen in integrierter Technik konnte der Raum- und Leistungsbedarf verringert, die Zuverlässigkeit erhöht und der wirtschaftliche Aufwand erniedrigt werden. Möglichkeiten für eine weitere Verbesserung dieser Parameter würde ein universell verwendbares Verknüpfungsglied bieten, dessen innere Impulsver zögerungsn im Subnanosekundenbereich liegen, das gute Voraussetzungen für eine Integrierung auch für niedrigere Impulsfolgefrequenzen bietet und zur Durchführung der logischen Grundoperationen UND, ODER sowie NICHT geeignet ist

Aus der Veröffentlichung U.Tietze.Ch. Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, 2. Aufl., 1971, S. 356 u. 357 ist ein Transistor-Kaskade-Verstärker bekannt, der insbesondere für die Verstärkung hoher Frequenzen in Breitbandoszillographen einsetzbar ist. Dieser Verstär ker weist zwei in Basisschaltung betriebene Transisto ren auf, deren Basisanschlüsse miteinander und über einen Widerstand mit Masse verbunden sind. Diese Transistoren sind Teile des Ausgangskreises eines aus emittergekoppelten Transistoren aufgebauten Diffe renzverstärkers.

Aus der Hauptpatentanmeldung (P 24 51 579.5) ist bereits eine Logikschaltung bekannt, deren innere Impulsverzögerungen im Subnanosekundenbereich liegen und die gute Voraussetzungen für eine Integrierung

so auch für niedrigere Impulsfolgefrequenzen bietet. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Logikschaltung nach dem Hauptpatent so weiter zu entwickeln, daß sich eine universell einsetzbare Logikschaltung ergibt

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Anzahl an Emitteranschlüssen des Multiemittertransistors mindestens gleich der Anzahl der miteinander zu verknüpfenden Signale ist, daß der Kollektoranschluß des Transistors der ersten Verstärkerstufe mit einem ersten Signalausgang und über einen fünften Widerstand mit Masse verbunden ist, daß der Kollektoranschluß des Transistors der zweiten Verstärkerstufe mit einem zweiten Signalausgang und über einen sechsten Widerstand mit Masse verbunden ist, daß der Emitteranschluß des Transistors der zweiten Verstärkerstufe über einen vierten Widerstand mit der ersten Betru ijsspannungund außerdem direkt mit den zusammengeführten Emitteranschlüssen weiterer Emitterfoleer

verbunden ist, daß die Basisanschlusse der Emitterfolger weitere Signaleingänge darstellen und daß die Zahl der mit jeder der beiden Verstärkerstufen verbundenen Emitterfolger mindestens gleich der Zahl der zu verknüpfenden Eingangssignale ist

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß eine Verbesserung der in den älteren Vorschlägen beschriebenen BCL-Logikschaltungen durch Ansteuerung derselben mit Gegentaktspannungen möglich ist Die Notwendigkeit der Erzeugung nicht nur des Steuersignals, sondern auch des invertierten Steuersignals zur Ansteuerung dieser Schaltungen ist dabei kein schwerwiegender Nachteil, da als Ausgangssignal aller anderen BCL-Schaltungen das invertierte Ausgangssignal immer zur Verfügung steht und bei den vorzugsweise zur Anwendung kommenden sehr hohen Impulsfolgefrequenzen ein aus zwei Einzelleitern bestehender Wellenleiter üblicherweise verwendet wird. Durch die Verwendung symmetrischer Übertragungsleitungen ergibt sich dabei gleichzeitig eine erhöhte Störsicherheit

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Logikschaltung liegt darin, daß man durch die Gegentaktansteuerung bei einem bestimmten Ausgangsspannungshub mit dem halben Eingangsspannungshub auskommt, so daß sich die Leistungsaufnahme vermindert, oder — falls der volle Eingangsspannungshub von anderen Baugruppen ohnehin zur Verfügung steht — die Logikschaltung bis zur wesentlich erhöhten Impulsfolgefrequenz betrieben werden kann. Die Verringerung der benötigten Eingangsspannung bei der Gegentaktansteuerung ergibt sich dadurch, daß die Differenz der beiden, zueinander inversen Signale als Steuerspannung wirkt Besondere Vorteile bietet die erfindungsgemäße Logikschaltung dadurch, daß die logischen Grundfunktionen UND, ODER sowie NICHT durch unterschiedliche Beschaltung der äußeren Anschlußklemmen ein und derselben Logikschaltung in einfacher Weise realisiert werden kö inen. In besonders einfacher Weise kann die logische Grundfunktion NICHT dadurch realisiert werden, daß die beiden Ausgangsanschlüsse vertauscht werden und dadurch als erster Ausgang der Ausgangsanschluß für die invertierte Ausgangsspannung verwendet wird. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dadurch, daß zur Realisierung einer UND-Verknüpfung sowie einer NICHT-UND-Verknüpfung an die Basisanschlüsse der an den Transistor der ersten Verstärkerstufe angeschlossenen Emitterfolger getrennt die zu verknüpfenden Eingangssignale und an die Basisanschlüsse der an den Transistor der zweiten Verstärkerstufe angeschlossenen Emitterfolger jeweils getrennt die inversen Eingangssignale zugeführt werden.

In ähnlich einfacher Weise können alternativ zur Realisierung einer ODER-Verknüpfung sowie einer NICHT-ODER-Verknüpfung an die Basisanschlüsse der mit dem Transistor der ersten Verstärkerstufe verbundenen Emitterfolger die inversen Eingangssignale und an die Basisanschlüsse der mit dem Transistor der zweiten Verstärkerstufe verbundenen Emitterfolger jeweils getrennt die Eingangssignale angelegt werden.

Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Logikschaltung ergibt sich dadurch, daß der als Stromquelle wirkende Widerstand durch eine Quelle für eine zweite Betriebsspannung ersetzt ist.

Bei dieser Variante begrenzen die Emitterwiderstände der Transistoren der beiden Verstärkerstufen die jeweiligen Kollektorströme, so daß es auch hier nicht zu einer Steuerung in den Sättiguugsbereich kommen kann, außerdem wirken sich bei dieser Variante unterschiedliche Stromverstärkungen der beiden Transistoren wenig auf deren Aussteuerung aus.
Die erfindungsgemäßen Logikschaltungen sind besonders im Hinblick auf Integrierbarkeit geschaffen worden. Durch das Auftreten sehr geringer Laufzeiten ergibt sich eine besondere Eignung der erfindungsgemäßen Logikschaltung für sehr hohe Impulsfrequenzen ίο durch ihren Aufbau in intetrierter Technik und dadurch, daß die Basiszonen der Transistoren der beiden Verstärkerstufen zusammenhängend ausgebildet sind

Eine Vereinfachung dieser Anordnung ist dadurch möglich, daß an die zusammenhängenden Basiszonen ι s ein gemeinsamer Basisanschluß angebracht ist

Der sich dabei ergebende Aufbau der integrierten Schaltung läßt eine Herstellung nicht nur durch Anwendung des üblichen Planarprozesses zu, sondern auch durch einen sehr vereinfachten Herstellungsprozeß, bei dem keine Isolationsdiffusion erforderlich ist und das zusammenhängende Basisgebiet durch eine epitaktisch aufgebrachte p-leitende Schicht auf einen p-leitenden Substrat realisiert ist

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert werden: Dabei zeigt

F i g. 1 eine Prinzipschaltung zur Realisierung von Logikfunktionen mit Gegentaktsignalen,

F i g. 2 Gegentaktschaltungen für die Grundfunktionen UND sowie ODER,

F i g. 3 das Schastbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Logikschaltung,

Fig.4 charakteristische Signalverläufe bei einer UN D-Verknüpfung zweier Eingangssignale und

Fig.5 charakteristische Signalverläufe bei einer ODER-Verknüpfung zweier Eingangssignale.

Die in der F i g. 1 gezeigte Prinzipschaltung besteht aus der Teilschaltung I, der Teilschaltung II und einem Differenzverstärker. Die Teilschaltungen I und II verfügen jeweils über eine Reihe von Eingängen für die binären Eingangssignale Ei... En beziehungsweise die entsprechenden komplementären Eingangssignale Ei ... En. In der Teilschaltung I wird die gewünschte Logikfunktion Yl, beispielsweise die UND-Funktion erzeugt In der Teilschaltung II wird die zu Kl komplementäre Ausgangsfunktion Y2 = Yi erzeugt. Die Ausgangssignale Kl und K2 der beiden Teilschaltungen werden anschließend als Gegentaktsignal den Eingängen eines Differenzverstärkers zugeführt, an dessen Ausgangsklemmen A und Ä die gewünschte so Logikfunktion in Form eines Gegentaktsignals abgegeben wird.

Das an den Ausgangsklemmen A und A auftretende Gegentaktsignal kann anschließend noch zur Realisierung einer NICHT-Funktion auf einfache Weise invertiert werden. Dazu werden lediglich die Anschlüsse der Signalleitungen an die Ausgangsklemmen A bzw. Ά vertauscht, so daß sich also die angeschlossenen Signalleitungen überkreuzen.

In der Fig.2 sind Gegentaktschaltungen für die Grundfunktionen UND sowie ODER für jeweils zwei binäre Gegentakt-Eingangssignale dargestellt Beide Grundschaltungen stellen Präzisierungen der Prinzipschaltung nach der F i g. 1 dar, die ebenfalls einen ausgangsseitigen Differenzverstärker und zwei Teilh) schaltungen enthalten, wobei es sich bei der einen Teilschaltung um ein UND-Verknüpfungsglied und bei der anderen Teilschaltung um ein ODER-Verknüpfungsglied handelt Beide Gegentaktschaltungen für die

Grundfunktionen sind also im Hinblick auf die Verwendung als universelles Verknüpfungsglied vollkommen gleich aufgebaut. Es entscheidet also nur die Beschattung der äußeren Anschlußklemmen darüber, ob eine UND, UND-NICHT, ODER bzw. ODER-NICHT-Verknüpfung ausgeführt wird. Zur Realisierung einer UND-Verknüpfung werden beispielsweise die beiden Gegentakt^Eingangssignale SEi und SE 2 in Einzelsignale Ei, Ei, E2, E2 aufgeteilt in der gezeigten Weise den Anschlüssen 1 bis 4 der beiden Teilschaltungen ι ο zugeführt An den Klemmen S und 6 ergibt sich das aus den beiden Einzelsignalen bestehende Gegentakt-Ausgangssignal in der gewünschten UND-Verknüpfung.

Die zweite in der F i g. 2 dargestellte Schaltung zeigt die realisierte ODER-Verknüpfung. Es zeigt sich, daß die ODER-Verknüpfung der beiden Gegentakt-Eingangssignale SEi und SE 2 dadurch erhalten wird, daß deren Teilsignale anderen Anschlußklemmen als bei der UND-Verknüpfung zugeführt werden. An den Klemmen 6 bzw. 5 kann wieder das gewünschte Gegentakt- Ausgangssignal abgenommen werden. Die schaltungsmäßige Realisierung der in der F i g. 2 dargestellten Gegentaktschaltungen für die Grundfunktionen UND bzw. ODER erfolgt mittels eines basisgekoppelten Differenzverstärkers, dessen Eingängen Emitterfolger vorgeschaltet sind.

In der F i g. 3 ist das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Logikschaltungen zur Durchführung der Grundfunktionen UND, ODER sowie NICHT für zwei miteinander zu verknüpfende Gegentaktsignale dargestellt

Das Ausführungsbeispiel entsprechend der Fig.3 wurde mittels sieben npn-Transistoren vom Typ BF35 A aufgebaut, wobei zur Realisierung des Multiemittertransistors Ti zwei derartige Transistoren hinsichtlich ihrer Basis- und ihrer Kollektoranschlüsse parallel geschaltet wurden. Diese Kollektoranschlüsse bilden den ersten Ausgang 5 der Logikschaltung, sie sind gleichzeitig über den Widerstand R 5, dessen Widerstandswert 50 Ohm beträgt mit Masse verbunden. Die Basisanschlüsse des Multiemittertransistors Ti sind mit dem Basisanschluß des Transistors Γ2 und außerdem über den Widerstand A3, dessen Widerstandswert 2,2 kOhm beträgt mit Masse verbunden. Die Emitteranschlüsse des Multiemittertransistors Ti sind über je einen Emitterwider- stand Ri, R 2 mit einem Widerstandswert von je 100 Ohm mit der Betriebsspannung -UB = 2,8 V verbunden, außerdem ist jeder Emitteranschluß des Multiemittertransistors getrennt mit dem Emitteranschluß eines Emitterfolgers 7"3 beziehungsweise Γ 4 so verbunden.

Die Besisenschlüsse der durch die Transistoren Ti und Γ4 gebildeten Emitterfolgern bilden die Eingangsklemmen 1,3 der Logikschaltung. Beide Eingangsklemmen sind vollkommen identisch, so daß sie miteinander ^rn vertauschbar sind.

Der Kollektoranschluß des Transistors Tl stellt den anderen Ausgang 6 der Logikschaltung dar, gleichzeitig ist dieser Kollektoranschluß fiber den Widerstand R 6 mit einem Widerstandswert von 50 Ohm mit Masse w> verbunden. Der Emitteranschluß des Transistors T2 ist über den Widerstand A4 mit einem Widerstandswert von 100 Ohm mit der Betriebsspannung -Ub- 23 V und außerdem direkt mit den Emitteranschlüssen zweier weiterer durch die Transistoren TS und Γ6 gebildeter *■·* Emitterfolger verbunden. Auch diese Emitterfolger sind unter sich völlig identisch, so daß die die Anschlußklemmen 2,4 der Logikschaltung bildenden Basisanschlüsse der beiden Emitterfolger miteinander vertauschbar sind. Statt des Widerstandes R 3 wurde außerdem mit Erfolg eine Vorspannungsquelle erprobt die an den gemeinsamen Basisanschluß der beiden Transistoren Ti und T2 eine Vorspannung von etwa -0,4 V abgeben kann. Eine derartige Vorspannungsquelle bietet den Vorteil, daß der Spannungshub an den Kollektoren der Transistoren Tl und T2 von Streuungen der Stromverstärkung dieser Transistoren unabhängiger wird, der durch das Verhältnis des jeweiligen Kollektor- zum jeweiligen Emitterwiderstand sowie durch die Größe der Betriebsspannung festgelegt ist Beim Betrieb der Schaltung nach der Fig.3 ergaben sich dadurch, daß die Transistoren Ti und T2 nicht in den Sättigungsbereich ausgesteuert werden und durch die Verbindung der beiden Basisanschlüsse der Transistoren Ti und T2 sehr geringe Umschaltzeiten, die im Bereich von 200 ps liegen.

In der F i g. 4 sind die charakteristischen Signalverläufe einer UND-Verknüpfung zweier Eingangssignale für zwei Signalwechsel dargestellt. Zu Beginn der Betrachtung ist das Eingangssignal Ei auf den Wert logisch Null und damit das inverse Eingangssignal E i auf den Wert logisch Eins; gleichzeitig ist das zweite Eingangssignal £2 auf den Wert logisch Eins und entsprechend das inverse Eingangssignal E 2 auf den Wert logisch Null. In diesem Fall ergibt sich entsprechend der UND-Verknüpfung ein Ausgangssignal A mit dem Wert logisch Null, während das entsprechende inverse Ausgangssignal Ά den Wert logisch Eins hat Im folgenden Zeitraum springt das Eingangssignal Ei auf einen Wert von logisch Eins, so daß das entsprechende inverse Eingangssignal E i auf den Wert logisch Null zurückgeht Da der Wert des Eingangssignals E 2 weiterhin gleich logisch Eins _und der Wert des entsprechenden inversen Signals E 2 gleich logisch Null ist ergibt sich ein Ausgangssignal A mit dem logischen Pegel gleich Eins und ein inverses Ausgangssignal Ä mit dem logischen Pegel gleich Null. Im dritten betrachteten Zeitraum geht der Wert des Eingangssignals £2 auf logisch Null zurück, so daß damit auch das Ausgangssignal A wieder auf den Wert gleich logisch Null zurückgeht und das inverse Ausgangssignal A entsprechend einen Wert von logisch Eins annimmt

In der F i g. 5 sind die charakteristischen Signalverläufe einer ODER-Verknüpfung zweier ebenfalls binärer Eingangssignale dargestellt die ebenfalls als Gegentaktsignale auftreten. Im ersten betrachteten Zeitraum ist das Eingangssignal £1 auf dem Wert logisch Null, da jedoch das Eingangssignal £2 noch den Wert logisch Eins hat ist auch der Pegel des Ausgangssignals A auf dem Wert logisch Eins, hn zweiten betrachteten Zeitraum sind beide Eingangssignale auf den Wert logisch Null, so daß auch das Ausgangssignal A den Wert logisch Null annimmt Im dritten betrachteten Zeitraum ist der Pegel des Eingangssignals E1 auf den Wert logisch Eins gestiegen, so daß auch der Wert des Ausgangssignals A logisch Eins beträgt Die Aussteuerung der Emitterfolger erfolgt dabei entsprechend der Verwendung von npn-Transistoren mit gegenüber dem bei beispielsweise —0,80 V liegenden Pegel für logisch Null positiveren Potentialen; dies bedeutet, daß der logische Pegel Eins einer positiveren Spannung als der logische Pegel Null entspricht

Die Realisierung des in der Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiels in einer integrierten Schaltung ist vergleichsweise einfach, da zwei Drittel aller Transistoren als Emitterfolger betrieben werden, keine Konden-

satoren vorhanden sind und die Widerstände nach ihrer Anzahl gering und nach ihrem Widerstandswert gut beherrschbar sind. Bei einer Integrierung können außerdem durch eine zusammenhängende Ausbildung der Basiszonen der beiden Transistoren Ti und T2 noch geringere Schaltzeiten erreicht werden. Eine

Weiterentwicklung der Schaltung im Hinblick auf die Verarbeitung weiterer Eingangssignale ist durch die Einfügung zusätzlicher Emitterfolger leicht möglich, dabei ist aber zu beachten, daß durch das veränderte Verhältnis von Kollektor zu Emitterwiderständen eine Wahl anderer Widerstandswerte notwendig wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   1 . L ogikschaltung mit einem, zwei Verstärkerstufen mit jeweils einem npn-Transistor enthaltenden Differenzverstärker, bei dem eine zweite Betriebsspannung so gewählt ist, daß bei fehlendem Eingangssignal der zweite Transistor gesperrt ist und bei dem der Signalausgang mit dem Kollektoranschluß eines der beiden Transistoren verbunden ist, bei dem die Basisanschlüsse der beiden Transistoren miteinander und über einen als Stromquelle wirkenden Widerstand mit Masse verbunden sind, bei dem als Transistor in der ersten Verstärkerstufe ein Multiemittertransistor mit wenigstens zwei getrennt herausgeführten Emitteranschlüssen vorgesehen ist und jeweils jeder Emitteranschluß des Multiemittertransistors getrennt über einen Emitterfolger mit einem Signaleingang und über einen Widerstand mit der ersten Betriebsspannung verbunden ist, nach Patent 24 51579, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl an Emitteranschlüssen des Multiemittertransistors mindestens gleich der Anzahl der miteinander zu verknüpfenden Signale ist, daß der Kollektoranschluß des Transistors (Ti) der ersten Verstärkerstufe mit einem ersten Signalausgang (5) und über einen fünften Widerstand (R 5) mit Masse verbunden ist, daß der Kollektoranschluß des Transistors (T2) der zweiten Verstärkerstufe mit einem zweiten Signalausgang (6) und über einen sechsten Widerstand (RS) mit Masse verbunden ist, daß der Emitteranschluß des Transistors (T2) der zweiten Verstärkerstufe über einen vierten Widerstand (R 4) mit der ersten Betriebsspannung (— UB) und außerdem direkt mit den zusammengeführten Emitteranschlüssen weiterer Emitterfolger (T5, T6) verbunden ist, daß die Basisanschlüsse der Emitterfolger (TS, Γ6) weitere Signaleingänge darstellen und daß die Zahl der mit jeder der beiden Verstärkerstufen verbundenen Emitterfolger mindestens gleich der Zahl der zu verknüpfenden Eingangssignale ist.
2. 2. Logikschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Grundfunktion NICHT dadurch realisiert wird, daß die beiden Ausgangsanschlüsse vertauscht werden und dadurch als erster Ausgang der Ausgangsanschluß für die invertierte Ausgangsspannung verwendet wird.
3. 3. Logikschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung einer UND-Verknüpfung sowie einer NICHT-UND-Verknüpfung an die Basisanschlüsse (1, 3) der an den Transistor (Ti) der ersten Verstärkerstufe angeschlossenen Emitterfolger (T3, T4) getrennt die zu verknüpfenden Eingangssignale und an die Basisanschlüsse (2,4) der an den Transistor (T2) der zweiten Verstärkerstufe angeschlossenen Emitterfolger (TS, T6) jeweils getrennt die inversen Eingangssignale zugeführt werden.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung einer ODER-Verknüpfung sowie einer NICHT-ODER-Verknüpfung an die Basisanschlüsse (1, 3) der mit dem Transistor (Ti) der ersten Verstärkerstufe verbundenen Emitterfolger (T3, T4) die inversen Eingangssignalc und an die Basisanschlüsse (2,4) der mit dem Transistor (T2) der zweiten Verstärkerstufe verbundenen Emitterfolger (T5, TS) jeweils getrennt die Eingangssignale angelegt werden.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Stromquelle wirkende Widerstand durch eine Quelle für eine zweite Betriebsspannung (— UB 2) ersetzt ist
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch ihren Aufbau in integrierter Technik und dadurch, daß die Basiszonen der Transistoren (Ti, T2) der beiden Verstärkersrufen zusammenhängend ausgebildet sind
7. 7. Logikschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die zusammenhängenden Basiszonen ein gemeinsamer Basisanschluß angebracht ist