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Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltung mit einem
Zweiwege-Anschlußstift.
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Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine integrierte Schaltung des
Typs, der mindestens einen Eingangsanschluß und mindestens einen
Ausgangsanschluß aufweist, um digitale und/oder analoge Signale zu
empfangen bzw. abzugeben, wobei die Anschlüsse zu diskreten
Schaltungsabschnitten der integrierten Schaltung gehören und verschiedene
logische Funktionen implementieren. Die Anschlüsse teilen sich einen
gemeinsamen Anschlußstift. Innerhalb der integrierten Schaltung befindet
sich eine Schaltungseinrichtung, um den logischen Zustand an dem Stift
nachzuweisen.
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Bekanntlich stellen externe Anschlußstifte die Anschlüsse für ein eine
elektronische integrierte Halbleiterschaltung enthaltendes Gehäuse dar.
Sie ermöglichen, daß man ein solches Gehäuse mittels Schnellverbindung
auf einer Trägerplatine gleichzeitig mit der Herstellung der elektrischen
Verbindungen anbringen kann.
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Eine Forderung auf diesem speziellen Anwendungsgebiet ist die
Minimierung der Anzahl externer Anschlußstifte, um einerseits die
Fertigungskosten des Gehäuses zu senken und andererseits die Effizienz und
Zuverlässigkeit des in dem Gehäuse befindlichen elektronischen
Bauelements zu steigern. Allerdings laufen dieser Forderung die eigenen
Wünsche des Entwerfers der integrierten Schaltung zuwider, der vor die
Aufgabe gestellt ist, eine Anzahl logischer Funktionen innerhalb der
Schaltung einzurichten und zu implementieren, dann aber nur eine
begrenzte Anzahl von Anschlußstiften zur Verfügung hätte, um die
Schaltung mit der Außenumgebung zu verbinden. Ein weiteres Problem, mit
dem der Entwickler integrierter Schaltungen konfrontiert ist, besteht
darin, daß die Schaltung auch den Anforderungen der Gehäusenorm des
Herstellers entsprechen soll. Es versteht sich daher, daß der derzeitige
Trend einer verringerten Anzahl externer Anschlußsstifte zusätzliche
Arbeit für den Entwickler bedeutet.
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Aus den genannten Gründen wird dem Entwickler selten eine
ausreichende Anzahl externer Anschlußstifte zur Verfügung gestellt, um
sämtliche von ihm angestrebte Funktionen zu realisieren, und es müssen
häufig Beschränkungen in der Leistungsfähigkeit der Schaltung und/oder
der Möglichkeit der Schnittstellen-Verbindung bezüglich externer
Schaltungen hingenommen werden.
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Verständlicherweise wäre es wünschenswert, wenn ein einzelner
Anschlußstift mehreren Funktionen dienen könnte, jedoch war dies bislang
aus Furcht vor Störungen oder einer Wechselwirkung zwischen
Funktionen nicht durchführbar.
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Als Beispiel sei Fig. 1 betrachtet, die eine integrierte Schaltung mit
emem ersten digitalen Ausgangsstift A zeigt, an dem ein Spannungswert
anstehen kann, der entweder dem logisch niedrigen Pegel (0-2,5 V) oder
dem logisch hohen Pegel (3,5-5 V) entspricht.
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Andererseits ist ein zweiter Stift B vorgesehen, um als digitaler oder
Steuereingang zu fungieren, und sein Zustand kann entweder dem
Leerlauf oder der Masseverbindung entsprechen.
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Man sieht also, daß, wenn die Stifte A und B zusammengelegt würden,
ein bei B empfangenes Steuersignal mit dem korrekten Betrieb am
Ausgang A kollidieren würde.
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Eine zum Stand der Technik gehörige Lösung gemäß der japanischen
Patentanmeldung JP-A-04 212 519 offenbart einen
Zweiwege-Eingangspuffer mit einem Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß zum
Empfangen bzw. zum Abgeben digitaler Signale. Die Anschlüse gehören
zu diskreten Schaltungsabschnitten, die verschiedene logische Funktionen
implementieren.
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Die Anschlüsse teilen sich einen einzelnen Anschlußstift 12, und es ist
eine Schaltungseinrichtung vorgesehen, um den logischen Zustand dieses
einzelnen Anschlußstifts nachzuweisen.
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Eine ähnliche Lösung ist auch in den japanischen Patentanmeldungen JP-
A-04 262 440 und JP-A-01 256 212 offenbart.
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Allerdings schaffen diese Lösungen keine einfache Einrichtung zum
Nachweisen des Zustands des Anschlußstifts mit dem Zweck, die
Integration bei verringerter IC-Belegungsfläche zu vereinfachen.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten integrierten
Schaltung, die solche baulichen und funktionellen Merkmale aufweist,
daß die den früheren Vorgehensweisen anhaftenden Beschränkungen
überwunden werden und der Einsatz einer geringeren Anzahl externer
Anschlußstifte möglich wird.
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Speziell besteht ein Ziel der Erfindung in der Schaffung einer
integrierten Schaltung mit mindestens einem Zweiwege-Anschlußstift, das heißt
einem Stift für eine duale Betriebsweise als Ausgangsanschluß oder als
Eingangsanschluß,
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, dafür zu sorgen, daß
mindestens zwei diskrete Schaltungsfunktionen an den einen
Anschlußstift geführt werden, welche verschiedene (digitale oder analoge)
logische Funktionsweisen aufweisen, wobei die Ausführung der einen
Funktion nicht in Relation steht zu derjenigen der anderen Funktion.
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Die Lösungsidee gemäß der Erfindung besteht darin, einen einzelnen
Anschlußstift vorzusehen, der als digitaler Ausgang und digitaler
Eingang dient, wobei eine elektronische Einrichtung zum Nachweisen des
logischen Zustands des Stifts dient.
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Basierend auf obiger Lösungsidee wird die Aufgabe gelöst durch eine
integrierte Schaltung der genannten Art, wie sie durch die
Kennzeichnungsmerkmale der beigefügten Ansprüche definiert ist.
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Die Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der
Erfindung, die beispielhaft und ohne Beschränkung unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen gegeben wird. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Skizze eines Abschnitts einer zum Stand der Technik
zählenden integrierten Schaltung;
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Fig. 2 ein Diagramm, welches eine Einzelheit einer integrierten
Schaltung als Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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Fig. 3 eine Skizze, die die Einzelheiten aus Fig. 2 deutlicher
veranschaulicht, und
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Fig. 4 ein Diagramm einer Ausführungsform der Schaltung nach
Fig. 3.
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Bezugnehmend auf die in den Figuren dargestellte Zeichnung, ist bei 1
allgemein und schematisch eine integrierte Haltbleiterschaltung mit
einem erfindungsgemäßen, externen Doppelfunktions-Zweiwege-
Anschlußstift 2 dargestellt. Die Schaltung 1 kann zum Beispiel eine
Audioeinrichtung sein, die aus dem Bereich der Anmelderin unter der
Handelsbezeichnung TDA 7337 bekannt ist.
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Der Stift 2 ist über einen Negator 4 an den Ausgang eines ersten
Schaltungsabschnitts angeschlossen, der die Bezeichnung AMS (Automtic
Music Sensor) trägt, und der Stift entspricht den typischen
Schwellenwertspannungspegeln der CMOS-Technologie, was bedeutet, daß der an
den Ausgang angelegte Spannungswert im Bereich von 0 bis 5 Volt
liegt. Der Stift 2 ist außerdem an den Eingang eines zweiten
Schaltungsabschnitts
mit der Bezeichnung MUTE angeschlossen und dient
zum Aktivieren und Deaktivieren der "Stummschalt"-Funktion der
Audioschaltung.
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Ebenfalls gemäß der Erfindung wäre es möglich, den Stift an einen
anderen Schaltungsabschnitt anzuschließen, der einer anderen Funktion
dient, beispielsweise zum Ermöglichen der "Standby"-Funktion der
Audioschaltung.
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Extern bezüglich der Schaltung 1 ist der Stift 2 über einen Widerstand
Rest, dessen Wert bekannt und vorzugsweise auf 40 kOhm eingestellt
ist, auf Schaltungsmasse gelegt. In Reihe zwischen dem Widerstand Rest
und Schaltungsmasse liegt ein normalerweise offener Mikroschalter 5,
entweder gebildet durch einen externen Schaltkreis mit offenen Kollektor
oder ein Gate eines Mikroprozessors.
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Der Spannungspegel am Stift 2 definiert den logischen Zustand des
digitalen Ausgangssignals.
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Wenn der Schalter 5 durch Erden des externen Widerstands Rest
geschlossen wird, repräsentiert die an den Stift 2 angelegte Spannung den
logischen Zustand eines Steuereingangswerts, und dementsprechend
liefert der Stift den entsprechenden digitalen Befehl an die digitale
Eingabefunktion.
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Erfindungsgemäß befindet sich in vorteilhafter Weise eine
Schaltungseinrichtung 10 im Inneren der Schaltung 1, um den logischen Zustand des
Stifts 2 nachzuweisen und dessen Betriebsfunktionen zu eruieren als
digitale Ausgangsgröße oder digitale Eingangsgröße.
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Die Schaltungseinrichtung 10 enthält einen Vergleicher 7 mit einem
ersten, invertierenden Eingang 8, an den eine Referenzspannung Vref
gelegt ist, und einem zweiten, nicht-invertierenden Eingang 9, der an
den Ausgang eines Betätigungsblocks 6 angeschlossen ist.
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Der Block 6 enthält mindestens ein Paar normalerweise offener
elektronischer Schalter 11 und 12, die betrieblich mit dem am Stift 2
vorhanden Spannungswert gekoppelt sind. Das heißt: Das Spannungssignal
am Stift 2 wird abgegriffen und auf den Betätigungsblock 6 übertragen,
um die Schalter 11 und 12 zu betätigen.
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Eine interne Impedanz Rint der Schaltung 1 liegt zwischen dem Stift 2
und Masse und ermöglicht ein Nachweisen von Änderungen des am Stift
2 erscheinenden Spannungswerts.
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Die parallelen Schalter 11 und 12 verbinden die einander abgewandten
Anschlüsse der internen Impedanz Rint mit dem nicht-invertierenden
Eingang 9 des Vergleichers 7.
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Der Aufbau der Schaltungseinrichtung 10 innerhalb der
erfindungsgemäßen Schaltung 1 wird im folgenden in weiterer Einzelheit unter
besonderer Bezugnahme auf die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform
erläutert.
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Der interne Widerstand Rint wird gebildet durch einen Satz von
Widerständen R1, R2 und R3, die zwischen Signal-Masse und dem Stift
2 in Reihe geschaltet sind, vorzugsweise haben diese Widerstände Werte
von 6, 30 bzw. 6 kOhm.
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Der erste Widerstand R1 ist mit seinem einen Anschluß an Masse
gelegt, mit seinem anderen Anschluß ist er an den Drainanschluß eines
ersten Feldeffekttransistors M1, vorzugsweise vom MOS-Typ, sowie an
den Widerstand R2 angeschlossen. Dieser Transistor M1 ist mit seinem
Source-Anschluß an den nicht-invertierenden Eingang 9 des Vergleichers
7 und an den Source-Anschluß eines zweiten MOS-Transistors M2
angeschlossen.
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Dieser zweite Transistor M2 ist mit seinem Drain-Anschluß zwischen
den zweiten Widerstand R2 und den dritten Widerstand R3 gekoppelt,
sein Gate-Anschluß ist mit dem Eingang eines Negators 13 verbunden,
dessen Ausgang an dem Gate-Anschluß des dritten Transistors M1 liegt.
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Die beiden Transistoren M1 und M2 bilden grundsätzlich die gleichen
Funktionen wie die beiden Schalter 11 und 12 der oben erläuterten
Anordnung.
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Die drei Widerstände R1, R2 und R3 sind Teile eines Netzwerks 14,
welches auch einen vierten Widerstand R4 sowie einen dritten MOS-
Transistor M3 beinhaltet. Der Widerstand R4 mit einem Wert von 40
kOhm liegt zwischen Masse und der Source des Transistors M3, dessen
Drain-Anschluß mit dem Stift 2 gekoppelt ist.
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Der Gate-Anschluß des Transistors M4 ist mit demjenigen eines fünften
Transistors M5 zusammengeschaltet, der mit ersterem auch dadurch
verbunden ist, daß die Source- und Drain-Anschlüsse gekoppelt sind.
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Ein Vorspannwiderstand R5 von etwa 120 kOhm liegt zwischen dem
Drain und der Source des fünften Transistors R5, während eine
Stromquelle A1 einen Pol Vdd einer positiven 8-Volt-Versorgungsspannung
mit dem Drain des Transistors M5 verbindet.
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Ein Negator 15 ist mit seinem Ausgang an die Gate-Anschlüsse der
Transistoren M4 und M5 sowie an das Gate des Transistors M2
gekoppelt.
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Der Betrieb der erfindungsgemäßen Schaltung ist absehbar, diskutiert
wird er in Verbindung mit vier unterschiedlichen möglichen
Betriebsbedingungen.
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Durch Betätigen des Mikroschalters 5 wird eine Änderung der internen
Impedanz Rint abhängig davon hervorgerufen, ob der interne Widerstand
Rest mit Masse verbunden ist oder nicht.
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Die Änderung der internen Impedanz wird von dem Vergleicher 7 mit
Hilfe einer Strom/Spannungs-Umsetzung nachgewiesen. Der Vergleicher
7 ändert den logischen Zustand an seinem Ausgang U und sendet ein
Steuersignal an die interne Schaltung des IC1.
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Es sei außerdem beachtet, daß die Änderung der internen Impedanz zu
einer Änderung des Spannungswerts am Stift 2 führt. Insbesondere fällt
die Spannung ab, wenn der externe Widerstand auf Masse gelegt wird.
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Es ist ersichtlich, daß man für das Auftreten dieser Änderung innerhalb
eines Bereichs von Werten sorgen muß, die mit den Bedingungen des
Schaltungsbetriebs nach MOS-Techologie übereinstimmen.
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Allerdings verursacht die Verbindung des externen Widerstands keine
Änderung im logischen Zustand des Ausgabestifts 2.
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Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schaltung lohnt eine
Betrachtung im Lichte der in Fig. 4 dargestellten Ausführunsform. Vier
unterschiedliche Betriebsbedingungen lassen sich unterscheiden, wie die
folgende Analyse zeigt:
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1) Ein hoher Ausgangsspannungswert, während der Widerstand Rest
nicht auf Masse liegt:
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In diesem Fall ist der erste Transistor M1 leitend und der andere
Transistor M2 sperrend. Der Strom aus der Stromquelle A1 fließt durch den
Transistor M5 über die Widerstände R3, R2 und R1.
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Die Stärke dieses Stroms ist so, daß der an den Eingang 9 des
Vergleichers 7 von dem Transistor M5 gelegte Spannungswert höher ist als der
Schwellenwert Vref. Damit hat der Ausgang U des Vergleichers einen
logisch hohen Pegel etwa entsprechend A1*(R1+R2+R3). Der
Spannungswert am Stift 2 ist ebenfalls hoch, jedoch konsistent mit den
Spannungwerten, die typsich für CMOS-Technologie sind.
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2) Ein hoher Ausgangsspannungswert bei auf Masse gelegtem externen
Widerstand. Dieser Fall ähnelt dem vorhergehenden Fall mit der
Ausnahme, daß der externe Widerstand Rest bewirkt, daß der durch die
Reihe von Widerständen R2, R2 und R3 fließende Strom abnimmt.
Deshalb reicht der Spannungswert am Vergleichereingang 9 nicht aus,
den Vergleicher umzuschalten.
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Wie im vorhergehenden Fall beträgt die Spannung am Ausgang U des
Vergleichers logisch niedrig und hängt ab von der Parallelschaltung
zwischen den Widerständen R1, R2 und R3 und dem externen
Widerstand Rest. Durch geeignetes Auswählen der Widerstandswerte wird es
möglich, innerhalb dieses Bereichs der CMOS-Pegel für digitale
Schwellenwerte zu bleiben.
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Der Stift 2 wird jederzeit auflogisch hohem Pegel entsprechend
A1*[(R1+R2+R3)//Rest] gehalten. Damit läßt sich sagen, daß die
Verbindung des externen Widerstands lediglich eine Änderung des
Spannungswerts am Ausgang U des Vergleichers bewirkt hat.
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3) Niedriger Ausgangsspannungswert bei nicht angeschlossenem
Widerstand:
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Der Strom A1 fließt durch die Widerstände R3, R2 und R1 sowie durch
den Widerstand PS. Der Transistor M2 ist eingeschaltet, der Transistor
M1 ist ausgeschaltet.
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Die Spannung am Eingang 9 des Vergleichers, der an den Widerstand
R2 angeschlossen ist, ist höher als der Referenz-Schwellenwert Vref,
und der Ausgang U des Vergleichers 2 hat logisch hohen Pegel.
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Allerdings ist der Spannungswert am Stift 2 niedrig und entspricht
A1*[(R1+R2*R3)//R4] aufgrund der Parallelschaltung zwischen den
Serienwiderständen R1, R2 und R3 und dem Widerstand R4.
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4) Ein niedriger Ausgangsspannungswert mit angeschlossenem
Widerstand:
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Etwas von dem Strom seitens der Stromquelle A1 wird in Richtung des
externen Widerstands Rest, der auf Masse liegt, umgeleitet.
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Die am Eingang 9 des Vergleichers 7 anstehende Spannung ist niedriger
als der Schwellenwert Vref, und der Ausgang U liegt auflogisch
niedrigem Pegel. Die Spannung am Stift 2 wird fixiert durch die
Parallelschaltung des Widerstands R4, des externen Widerstands Rest und der
Reihenschaltung R1, R2 und R3.
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Daher unterschiedet sich die Spannung am Stift 2 von derjenigen gemäß
obigem Fall (3), weist aber noch logisch niedrigen Pegel auf und ist
konstistent mit der CMOS-Schaltungstechnologie, die sich an den Stift
anschließt.
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Beim Verbinden des externen Widerstands mit Masse wird eine
Änderung im logischen Zustand des einzelnen Vergleichers ohne Änderung
des logischen Werts am Ausgangsstift 2 verursacht. Der Spannungswert
am Stift 2 ändert sich geringfügig in Abhängigkeit davon, ob der externe
Widerstand angeschlossen ist, jedoch ist diese Änderung innerhalb der
mit CMOS-Technologie konsistenten Werte tolerierbar.
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Soweit die Verbindung des externen Widerstands den Erhalt eines
Steuersignals an dem Stift 2 bedeutet, so ist auch erkennbar, daß der Stift 2,
wenngleich er als Steuereingang betrieben wird, keine Änderung in
seinem logischen Wert dann erfährt, wenn er als Ausgangsanschluß
arbeitet.
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Die erfindungsgemäße integrierte Schaltung löst die technische Aufgabe
und führt zu einer Reihe von Vorteilen, darunter zweifelsfrei dem
Umstand, daß man nun einen einzelnen Anschlußstift für zwei diskrete
digitale Funktionen einsetzen kann, die ansonsten zwei verschiedene
Steuerstifte erfordern würden, falls sie entsprechend dem Stand der
Technik ausgeflihrt würden. Die zwei Funktionen unter Verwendung ein
und desselben Anschlußstifts sind völlig unabhängig voneinander und
sind CMOS-konsistent für den Wert des logischen Ausgangszustands.
Damit weist der digitale Befehl an dem Stift 2 keinerlei Beziehung zu
der von diesem Stift bedienten digitalen Ausgabefunktion auf.
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In vorteilhafter Weise könnte die erfindungsgemäße Schaltung
Anwendung finden bei der Messung von Änderungen der Ausgangsspannung an
einem digitalen Ausgang, abhängig von dem Anschluß einer externen
Impedanz bekannten Wertes.
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Zahlreiche Änderungen und Abwandlungen in der oben erläuterten
Schaltung sind im Rahmen des Schutzumfangs der Erfindung gemäß den
beigefügten Ansprüchen möglich. Insbesondere könnte die
erfindungsgemäße Schaltung mit einer Verzögerungsschaltung zum Vermeiden von
Schaltspitzen ausgestattet sein.
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Der Vergleicher 7 könnte als einzelnes Bipolar-Bauelement vom npn-
Typ ausgebildet sein, und die STANDBY-Funktion würde die digitale
Stummschalt-Funktion ersetzen.