DE2853517A1 - MULTI-LEVEL LOGIC CIRCUIT - Google Patents
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Description
BLUMBÄCH · WESER E£RCEEH · KRAMERBLUMBÄCH · WESER E £ RCEEH · KRAMER
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Western Electric Company, Incorporated Cooper, J. A* 4-16 Broadway """"Western Electric Company, Incorporated Cooper, J. A * 4-16 Broadway "" ""
New York, N.Y. 10038, U.S.A.New York, N.Y. 10038, U.S.A.
Vielstufige LogikschaltungMulti-level logic circuit
Die Erfindung betrifft eine vielstufige Logikschaltung mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Stufe, die in der genannten Reihenfolge in Reihe geschaltet sind und -Je folgendes aufweisen: einen Ausgangsknotenpunkt, der zwischen eine Versorgungsspannung und eine Bezugsspannung geschaltet ist und ein Ausgangssignal an die nächstfolgende Stufe liefern kann, ein Logiknetzwerk, das unter Ansprechen auf Eingangssignale den Ausgangsknotenpuhkt selektiv über einen Schalter mit der Bezugsspannung verbindet, und ein Lastelement, das zwischen den Ausgangsknotenpunkt und die Versorgungsspannung geschaltet ist.The invention relates to a multi-stage logic circuit at least a first and a second stage, which in the are connected in series and -The following have: an output node connected between a supply voltage and a reference voltage is connected and can supply an output signal to the next following stage, a logic network that, in response to input signals, the Output node selectively connects to the reference voltage via a switch, and a load element connected between the output node and the supply voltage is switched.
Eine typische Halbleiterschaltung, beispielsweise eine integrierte Logikschaltung, enthält einen Ausgangsknotenpunkt, der im Betrieb vielfach auf hohe und niedrige Spannungszustände (H und L) gebracht wird. Der Knotenpunkt ist mit einem Bezugspotential, in typischer Weise Erdpotential, über ein Logiknetz~ A typical semiconductor circuit, such as an integrated one Logic circuit, contains an output node which, during operation, often switches to high and low voltage states (H and L) is brought. The node is connected to a reference potential, typically ground potential, via a logic network ~
München: R. Kramer Dipl.-lng. . W, Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dlpl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phü. nst. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-lng. ■ P, Bergen Dipl.-lng. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-lng. Dipl.-W.-ing.Munich: R. Kramer Dipl.-Ing. . W, Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dlpl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phü. nst. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. ■ P, Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-ing.
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werk verbunden, das eine Gruppe von logisch zusammengeschalteten Transistorschaltern und ein aktives Element enthält. Das Netzwerk ist in der Lage, den Knotenpunkt abhängig von logischen Eingangssignalen zu erden (d.h., einen Spannungsübergang von H auf L zu veranlassen), wenn das aktive Element aktiviert ist. Der Knotenpunkt ist außerdem über ein Lastelement mit einer Versorgungsspannung verbunden, um den Pegel des Knotenpunktes anzuheben, wenn der Schalter abgeschaltet ist.Werk connected, which contains a group of logically interconnected transistor switches and an active element. The network is able to ground the node depending on logical input signals (i.e. a voltage transition of H to L) when the active element is activated. The node is also connected to a supply voltage via a load element connected to raise the level of the node when the switch is off.
In typischer Weise wird eine passive Last in der Versorgungsschaltung verwendet, und es fließt ein Strom über die Last, wenn das aktive Element in seinen Einschaltzustand umgeschaltet wird (ein Zugriff zum aktiven Element erfolgt). Wenn das Lastelement passiv ist (eine Impedanz oder ein ungeschaltetes aktives Element ist), muß das Lastelement ein schlechterer Leiter als das Logiknetzwerk und das aktive Element sein, um den Spannungsübergang von H auf L zu erreichen, so daß die Geschwindigkeit der Schaltung während des Übergangs von L auf H durch die niedrige Leitfähigkeit des Lastelementes begrenzt ist. Das ist allgemein bekannt. Typically a passive load is used in the supply circuit and a current flows through the load when the active element is switched to its switched-on state (the active element is accessed). When the load element is passive (is an impedance or an unswitched active element), the load element must have a poorer conductor than the logic network and be the active element to achieve the voltage transition from H to L, so that the speed of the circuit during the transition from L to H is limited by the low conductivity of the load element. It is common knowledge.
Ein häufig angewendeter Lösungsver-such zur Erhöhung der Geschwindigkeit besteht in der Verwendung einer aktiven Last, die im Gegentakt zum aktiven Element geschaltet wird. Da der Ausgangsknotenpunkt über die aktive Last mit der Versorgungsspannung verbunden ist (d.h., auf deren hohen Spannungspegel "hochgezogen"A frequently used solution attempt to increase the speed consists in the use of an active load that is switched in push-pull to the active element. As the exit node via the active load with the supply voltage connected (i.e., "pulled up" to its high voltage level
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" "y; 28b3517""y; 28b3517
ist), wenn kein Zugriff zu der Schaltung erfolgt, so müssen bei einem Zugriff zu der Schaltung nur Übergänge der Ausgangsspannung von H auf L erfolgen, die wegen der hohen Leitfähigkeit des Logiknetzwerkes und des aktiven Elements schneller vor sich gehen. Ein Nachteil einer solchen Schaltung besteht darin, daß für vielstufige Schaltungen getrennte Taktsignale für die einzelnen Stufen nötig sind, damit weiter hinten liegende Stufen nicht aktiviert werden, bevor weiter vorn liegende Stufen ihre logischen Operationen beendet haben, d.h., ein Spannungsübergang von H auf L oder kein Spannungsübergang stattgefunden hat. Im anderen Falle können fehlerhafte übergänge von H auf L bei den weiter hinten liegenden Stufen auftreten, wenn aufgrund des logischen Ausgangssignals der vorhergehenden Stufe ein solcher Übergang nicht stattfinden sollte. Die Taktsignal-Erfordernisse bedeuten zusätzliche Bauteile und führen zu einer langsameren Arbeitsweise. Die Erfindung ist demgemäß auf das Problem gerichtet, eine vielstufige Schaltung zu schaffen, bei der das Hochziehen der Spannung durch die Verwendung aktiver Lastelemente aus der Zugriffsperiode herausgenommen ist, ohne daß getrennte Taktsignale für die einzelnen Stufen erforderlich sind.is), if there is no access to the circuit, then only transitions of the output voltage need when the circuit is accessed from H to L because of the high conductivity of the logic network and the active element go faster. A disadvantage of such a circuit is that that for multi-stage circuits separate clock signals are necessary for the individual stages, so that stages further behind are not activated before the steps ahead logical operations have ended, i.e. a voltage transition from H to L or no voltage transition has taken place. Otherwise faulty transitions from H to L can occur the stages further back occur if such a signal is due to the logic output signal of the preceding stage Transition should not take place. The clock signal requirements mean additional components and result in a slower one Way of working. The invention is accordingly directed to the problem to create a multi-stage circuit in which the voltage is pulled up through the use of active load elements is removed from the access period without the need for separate clock signals for the individual stages.
Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einer vielstufigen Logiksehaltung der eingangs genannten Art und ist gekennzeichnet durch eine Signaleinrichtung zum Schließen des jeder Stufe zugeordneten Schalters unter Ansprechen auf das gleiche Signal und eine Verzögerungseinrichtung, die das vor-To solve the problem, the invention is based on a multistage Logic circuit of the type mentioned and is characterized by a signal device for closing the switch assigned to each stage in response to the same signal and a delay device which
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zeitige und demgemäß ungewollte Anschalten des Ausgangsknotenpunktes der zweiten Stufe an die Bezugsspannung vor der selektiven Anschaltung bzw. Nichtanschaltung des Ausgangsknotenpunktes der ersten Stufe an die Bezugsspannung verhindert.early and accordingly unwanted switching on of the output node the second stage to the reference voltage before the selective Connection or non-connection of the output node of the first stage to the reference voltage is prevented.
Generell v/erden entsprechend der Erfindung Inverter und/oder Verzogerungselemente zwischen den verschiedenen Stufen einer vielstufigen Schaltung verwendet, so daß ein einziger Taktimpuls zur Aktivierung aller aktiven Elemente aller Stufen benutzt werden kann, derart, daß weiter hinten liegende Stufen nicht unbeabsichtigt aktiviert werden. Das Hochziehen der Ausgangsknotenpunkte jeder Stufe findet in Nichtzugriffsintervallen der Schaltung unter Verwendung beispielsweise von schaltenden Lastelementen statt, die in Gegenphase zu den aktiven Elementen betätigt werden. Es ist von Bedeutung, daß eine vielstufige Logikschaltung nach der Erfindung auf einen einzigen Taktimpuls anspricht, so daß die verbesserte Betriebsgeschwindigkeit, die durch die Vermeidung von Hochziehvorgängen während des Zugriffs möglich wird, mit Vorteil ausgenutzt v/erden kann.Generally, according to the invention, inverters and / or are grounded Delay elements between the different stages of a multi-stage circuit is used so that a single clock pulse is used to activate all active elements of all stages can be in such a way that further back steps are not activated unintentionally. Pulling up the exit nodes each stage takes place in non-access intervals of the circuit using, for example, switching Load elements instead, which are operated in phase opposition to the active elements. It is important to have a multi-level Logic circuit according to the invention responds to a single clock pulse so that the improved operating speed, which is made possible by avoiding pulling-up processes during access, can be used to advantage.
Da jedem Ausgangsknotenpunkt in einer solchen Logikschaltung immer eine parasitäre Kapazität zugeordnet ist, wird diese Kapazität mit Vorteil benutzt, um den Ausgangsknotenpunkt während des Zugriffs auf hohem Spannungspegel zu halten, falls er nicht über das Logiknetzwerk und das aktive Element von H auf L gezogen wird. Demgemäß beinhaltet eine Logikschaltung der hier in Rede stehenden Art einen Ausgangsknotenpunkt, derSince a parasitic capacitance is always assigned to each output node in such a logic circuit, this Capacity used to advantage to keep the output node at a high voltage level during access, if it is not pulled from H to L via the logic network and the active element. Accordingly, includes a logic circuit of the type in question here an output node that
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Über eine aktive Last mit einer Versorgungsspannung und durch ein aktives Element über ein Logiknetzwerk mit einem Bezügspotential verbunden ist. Die aktive Last wird vor der Aktivierung des aktiven Elements eingeschaltet. Der Ausgangsknotenpunkt wird durch die parasitäre Kapazität vor der Aktivierung des aktiven Elements auf H gebracht und dort gehalten. Folglich bestimmen das aktive Element, das Logiknetzwerk und die Lastkapazität die Zugriffsgeschwindigkeit abhängig von einem einzelnen Taktimpuls. Da kein Übergang von L auf H für den Ausgangsknotenpunkt notwendig ist, lassen sich höhere Geschwindigkeiten erzielen. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die hohe Geschwindigkeit, die die Schaltung erreichen kann, durch eine vielstufige Anordnung realisiert wird, bei der alle aktiven Elemente gleichzeitig statt durch eine Folge von Taktimpulsen geschaltet werden. Jede solche Stufe enthält einen Inverter oder eine Verzogerüngsschaltung, um vorzeitige Übergänge des Knotenpunkts von H auf L in der nächstfolgenden Stufe vor Beendigung der logischen Operation in der vorhergehenden Stufe zu vermeiden.Via an active load with a supply voltage and through an active element is connected to a reference potential via a logic network. The active load is before activation of the active element switched on. The output node is caused by the parasitic capacitance before activation of the active element brought to H and held there. Consequently, the active element, the logic network and the Load capacity the access speed depending on one single clock pulse. Since there is no transition from L to H for the Output node is necessary, higher speeds can be achieved achieve. An important feature of the invention is that the high speed that the circuit can achieve can be realized by a multi-stage arrangement in which all active elements are switched simultaneously instead of by a sequence of clock pulses. Each such stage contains one Inverter or a delay circuit to avoid premature transitions of the node from H to L in the next following level before completing the logical operation in the previous stage.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the drawing described. Show it:
Fig. 1 das Schaltbild einer vielstufigen kombinatorischen Logikanordnüng nach der Erfindung;Fig. 1 shows the circuit diagram of a multi-stage combinatorial Logic arrangement according to the invention;
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Fig. 2 das Schaltbild eines Teiles der Anordnung nach Fig. 1.FIG. 2 shows the circuit diagram of part of the arrangement according to FIG. 1.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel für eine sequentielle integrierte Logikschaltung dargestellt, die auf einem HaIbleiterplättchen 10 angeordnet ist. Die Schaltung weist eine Vielzahl von Stufen S.., S2 ... auf, die je ein N-Kanal-Logiknetzwerk und ein Lastelement enthalten, welche in Reihe zwischen den Drain-Anschluß eines N-Kanal-Bauteils 15 und eine Spannungsquelle Vnn geschaltet sind. Das Netzwerk und das Lastelement sind für die Stufe S. mit 12 bzw. 13 bezeichnet. Der Source-Anschluß des Bauteils 15 liegt an Erde und sein Gate-Anschluß ist mit einer Taktimpulsquelle 16 verbunden.1 shows an exemplary embodiment for a sequential integrated logic circuit which is arranged on a semiconductor plate 10. The circuit has a plurality of stages S .., S 2 nn are switched. The network and the load element are designated by 12 and 13 for the level S. The source connection of the component 15 is connected to ground and its gate connection is connected to a clock pulse source 16.
Die Stufe Sp hält einen Inverter 20 mit einem P-Kanal-Bauteil 21 und einem N-Kanal-Bauteil 22, deren Drain-Anschlüsse miteinander verbunden sind. Der Source-Anschluß des Bauteils 21 liegt an der Spannung Vj-m. Der Source-Anschluß des Bauteils 22 ist mit einer Bezugsspannung, zweckmäßig Erde verbunden. Die Gate-Anschlüsse der Bauteile 21 und 22 sind mit dem Knotenpunkt verbunden. Die Drain-Anschlüsse der Bauteile 21 und 22 sind an einen Eingang eines N-Kanal-Netzwerkes 25 der Stufe Sp angeschlossen. Das Netzwerk 25 ist mit dem Drain-Anschluß des N-Kanal-Bauteils 15 verbunden und liegt in Reihe mit beispielsweise einer aktiven Last 26. Hierbei handelt es sich um ein P-Kanal-Bauteil, dessen Source-Anschluß mit der Spannung verbunden ist.The stage Sp holds an inverter 20 having a P-channel component 21 and an N-channel component 22, their drain connections to one another are connected. The source connection of the component 21 is at the voltage Vj-m. The source connection of the component 22 is connected to a reference voltage, suitably earth. The gate connections the components 21 and 22 are connected to the node. The drains of components 21 and 22 are connected to an input of an N-channel network 25 of the stage Sp. The network 25 is connected to the drain connection of the N-channel component 15 and is in series with, for example an active load 26. This is a P-channel component, the source of which is connected to the voltage connected is.
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Die Gate-Anschlüsse der Bauteile 13 und 26 liegen am Gate-Anschluß des Bauteils 15. Auf diese V/eise schaltet der gleiche, einzige Taktimpuls aus der Quelle 16 die P-Kanal-Bauteile 13 und 26 gegenphasig zum N-Kanal-Bauteil 15.The gate connections of the components 13 and 26 are connected to the gate connection of component 15. In this way, the same, single clock pulse from source 16 switches P-channel components 13 and 26 in phase opposition to the N-channel component 15.
Fig. 2 zeigt den Teil 40 von Fig. 1 mit den Einzelheiten der N-Kanal-Netzwerke 12 und 25. Jedes dieser Netzwerke enthält elektrisch parallel angeordnete Wege 42 und 43 bzw. 44 und 45 zwischen dem Drain-Anschluß des P-Kanal-Bauteils 13 (oder 26) und dem Drain-Anschluß des N-Kanal-Bauteils 15. Der Weg 42 enthält zwei N-Kanal-Bauteile 47 und 48, v/obei der Source-Anschluß des Bauteils 47 mit dem Drain-Anschluß des Bauteils 48 verbunden ist. Entsprechend enthalten die Wege 43, 44 und 45 die Bauteile 50, 51 bzw. 52, 53 bzw. 54, 55. Die Gate-Anschlüsse aller Bauteile 47, 48, 50, 51, 52, 53, 54 und 55 besitzen jeweils einen Eingang.Figure 2 shows portion 40 of Figure 1 with the details of N-channel networks 12 and 25. Each of these networks includes electrically parallel paths 42 and 43 or 44 and 45 between the drain connection of the P-channel component 13 (or 26) and the drain of N-channel device 15. Path 42 includes two N-channel components 47 and 48, v / above the source connection of component 47 is connected to the drain connection of component 48. Correspondingly, paths 43, 44 and 45 contain the Components 50, 51 or 52, 53 or 54, 55. The gate connections all of the components 47, 48, 50, 51, 52, 53, 54 and 55 have each an entrance.
Es sei jetzt die Arbeitsweise der Schaltung gemäß Fig. 1 und betrachtet. Es wird ein Anfangszustand angenommen, für den das Bauteil 15 ausgeschaltet ist und die Bauteile 13 und 26 eingeschaltet waren, um die Knotenpunkte 23 und 61 zusammen mit den zugeordneten parasitären Kapazitäten auf V™} aufzuladen. Wenn die Bauteile 13 und 26 ausgeschaltet sind, fließt kein Strom, und die Knoten 23 und 61 bleiben auf H. Da der Knoten 23 auf H ist, bringt der Inverter 20 den Knoten 36 auf L. Wenn das Bauteil 15 aktiviert ist, sind die Lastbauteile 13 und 26 ausgeschaltet. Let it now be the mode of operation of the circuit according to FIGS considered. An initial state is assumed for which the Component 15 is turned off and components 13 and 26 were turned on to the nodes 23 and 61 together with the to charge associated parasitic capacitances on V ™}. if the components 13 and 26 are switched off, no current flows, and the nodes 23 and 61 remain at H. Since the node 23 is on Is H, inverter 20 brings node 36 to L. If that is Component 15 is activated, the load components 13 and 26 are switched off.
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. AO- . AO-
Den Eingängen (Gate-Anschlüssen) der Bauteile in den N-Kanal-Netzwerken werden Eingangssignale geführt, von denen einige aus externen Quellen (nicht gezeigt) und andere während des normalen Betriebs aus vorhergehenden Stufen stammen, wie die Zeichnung zeigt. Es sei angenommen, daß das Bauteil 15 zu einem bestimmten Zeitpunkt eingeschaltet ist, während die Eingangssignale angelegt sind, und die Bauteile der N-Kanal-Netzwerke abhängig von den Eingangssignalen aktiviert oder nicht aktiviert sind. Das Einschalten des Bauteils 15 bereitet das Netzwerk vor. Entweder ist ein elektrischer Weg nach Erde über das N-Kanal-Netzwerk 12 vorhanden oder nicht. Falls nicht, bleibt der Knotenpunkt 23 auf H, der Knotenpunkt 36 auf L und das Bauteil 52 bleibt ausgeschaltet. Wenn ein Weg vorhanden ist, wird der Knotenpunkt 23 "nach unten gezogen" (geht auf L), der Knotenpunkt 36 geht auf H und das Bauteil 52 schaltet ein. Wenn zu diesem Zeitpunkt das Bauteil 53 aufgrund anderer Eingangssignale eingeschaltet ist und die Bauteile 54 und 55 ausgeschaltet sind, geht der Ausgang 61 auf L, aber nur abhängig von der Funktion der vorhergehenden Stufe über den Inverter 20. Bei Fehlen des Inverters wäre der Ausgang 61 unmittelbar beim Einschalten des Bauteils 15 auf L gegangen. Man erkennt demgemäß, daß die vielstufigen Schaltungen gemäß Fig. 1 und 2 auf einen einzigen Taktimpuls zur Erzeugung eines Ausgangssignals zu einem Zeitpunkt ansprechen, der durch die Geschwindigkeit beim Herunterziehen der Spannung statt durch die verhältnismäßig langsamen aktiven Lastelemente oder die Frequenz der Taktimpulsfolge bestimmt wird.The inputs (gate connections) of the components in the N-channel networks input signals are carried, some from external sources (not shown) and some during the normal operation originate from previous stages, as the drawing shows. It is assumed that the component 15 to a is switched on at a certain point in time while the input signals are applied, and the components of the N-channel networks are activated or not activated depending on the input signals. Switching on component 15 prepares the network. Either there is an electrical path to earth via the N-channel network 12 present or not. If not, node 23 remains at H, node 36 remains at L and component 52 remains remains switched off. If there is a path, node 23 is "pulled down" (goes L), the node 36 goes to H and component 52 switches on. If to at this point in time the component 53 due to other input signals is switched on and the components 54 and 55 are switched off, the output 61 goes to L, but only depending on the function the previous stage via the inverter 20. In the absence of the inverter, the output 61 would be immediately when the Component 15 went to L. It can be seen accordingly that the multi-stage circuits according to FIGS. 1 and 2 on a single one Respond clock pulse to generate an output signal at a time determined by the pull-down speed the voltage instead of the relatively slow active load elements or the frequency of the clock pulse train is determined.
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Man beachte, daß Fig. 1 eine Stufe S^ ähnlich den Stufen S1 und S2 zeigt, die ein N-Kanäl-Netzwerk 79 und ein P-Kanal~ Lastelement 80 enthält. Die Stufe S^ weist außerdem eine Verzögerungsschaltung 81 auf. Eine Verzögerungsschaltung v/ird dann verwendet, wenn ein Inverter, beispielsweise der Inverter 20, aufgrund von Schaltungs*- oder Verarbeitungsanforaerimgen nicht benutzt werden kann. Der Gate-Anschluß des Lasteleraentes 80 ist mit dem Gate-Anschluß des Elementes 15' verbunden, um eine gegenphasige Schältoperation sicherzustellen. In der Schaltung wird das aktive Element 15'» das dem Element 15 eixt^· spricht, aktiviert, um die "Stufe-"S-, nach einer Verzögerung zu betätigen, die groß genug ist, um die Durchführung der logischen Operationen der vorhergehenden Stufe zu ermöglichen.Note that Fig. 1 is a step S ^ similar to the stages S 1 and S 2, which contains an N-Kanäl network 79 and a P-channel load member 80 ~. The stage S ^ also has a delay circuit 81. A delay circuit is used when an inverter such as inverter 20 cannot be used due to circuit or processing requirements. The gate terminal of the load element 80 is connected to the gate terminal of the element 15 'in order to ensure an anti-phase peeling operation. In the circuit, the active element 15 ', which speaks to the element 15, is activated to actuate the "stage" S, after a delay long enough to allow the logical operations of the previous stage to be carried out to enable.
Schaltungen entsprechend der Erfindung können mit Invertern, Verzögerungsschaltungen oder beiden (wie gezeigt) verwirklicht werden. Wenn nur Inverter zwischen den Stufen einer vielstufigen Anordnung nach der Erfindung benutzt werden, braucht natürlich nur ein Bauteil 15 verwendet zu werden. Ein Bauteil 15' wird für jede Stufe benutzt, die eine Verzögerungsschaltung erfordert.Circuits according to the invention can be made with inverters, Delay circuits or both (as shown) can be implemented. If only inverter between the stages of a multi-stage Arrangement according to the invention are used, of course only one component 15 needs to be used. One component 15 ' is used for any stage that requires a delay circuit.
Die Erfindung ist anhand einer integrierten Schaltung beschrieben worden. Eine solche Schaltung muß jedoch nicht verwendet werden. Die Erfindung kann mit PMOS-, IMOS-, CMOS-, PNMOS- oder bipolaren Bauteilen, Relais oder sogar Vakuumröhren verwirklicht werden.The invention has been described with reference to an integrated circuit. However, such a circuit need not be used will. The invention can be used with PMOS, IMOS, CMOS, PNMOS or bipolar components, relays or even vacuum tubes can be realized.
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8130 | Withdrawal |