DE1762172C3

DE1762172C3 - Verknüpfungsschaltung mit Stromübernahmeschaltern

Info

Publication number: DE1762172C3
Application number: DE1762172A
Authority: DE
Inventors: Robert Owen Princeton N.J. Winder (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1967-04-26
Filing date: 1968-04-24
Publication date: 1973-01-04
Also published as: DE1762172B2; US3508076A; GB1230177A; FR1560949A; NL6805876A; DE1762172A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Verknüpfungsschaltung mit einer ganzen Zahl η von Eingangsleitungen und mit einer Anzahl von Vergleichsschaltungen, die jeweils einen emittergekoppelten Stromübernahmeschaltt-r enthalten, der mit einem ersten Eingang mit einem der ;; Eingangsleitungen und mit einem zweiten Eingang mit einer eine feste Referenzspannung liefernden äußeren Quelle gekoppelt ist, wobei die Eingangsund Ausgangssignalspannungen jeweils den einen bzw. anderen Binärwert repräsentieren, wenn sie positiver bzw. negativer als die Referenzspannung sind, !nsbesondere bezie'it sich die Erfindung auf digitale Schaltkreise, welche Schwellwen- und andere logische Operationen durchführen, und an welche ein oder mehrere digitale Eingangssignale angelegt werden können, mit denen ein digitales Ausgangssignal erzeugt wird, das die Schwellwert- oder logische Funktion repräsentiert.

Schwellwert - Torschaltungen, welche Vergleichs schaltungen als Eingänge verwenden, sind bekannt, beispielsweise aus der Zeitschrift »Digest of Technical Papers for the International Solid State Circuits Conference, first edition February 1967«. S. 114 und 115. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist es erforderlich. Eingangssignale mit Zwei-Pegel-Spannungen zu verwenden, denen Binärwerte beibemessen werden. Ferner sind Stromübernahmeschalter mit jeweils zwei oder mehr Transistoren bekannt, die eine angelegte Signalspannung mit einer Referenzspannung vergleichen und an einem Ausgang ein entsprechendes Signal erzeugen. In die gemeinsame Kollektorleistung der Transistoren kann hierbei ein Widerstand eingefügt sein, an dem eine Ausgangsspannung abgegriffen wird (S t e i η b u c h, »Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung«. 1962, S. 476).

Weiterhin sind Schaltungen zum Durchführen iogischer Operationen mit einer der Anzahl der Eingänge der Verknüpfungsschaltung entsprechenden Anzahl von Vergleichsschaitungen bekannt, welche jeweils das Eingangssignal mit einer zusätzlich angelegten Referenzspannung vergleichen und ein entsprechendcs Ausgangssignal erzeugen. In jeder Vergleichsschaltung wird das Signal an die Basis eines ersten Transistors und die Referenzspannung an die Basis eines zweiten Transistors angelegt, und je nachdem, ob die Signalspannung etwas positiver oder negativer als die Referenzspannung ist, führt entweder der eine oder der andere Transistor Strom, denn die Emitter beider Transistoren liegen gemeinsam über einen Begrenzungswiderstand an der Versorgungsspannung (deutsche Auslegeschrift 1 196 241 und 1 196 242).

Aufgabe der Erfindung ist, eine Schaltung zum Durchrühren logischer Operationen anzugeben, bei der die Ausgangsspannung eine Information über die Anzahl von Eingangssignalen enthält, welche posi-

tiver (oder negativer) als ein Referenzwert sind und die möglichst unempfindlich gegen Schwankungen der Venorgungsspannung sowie der Temperatur ist.

Die Erfindung besteht darin, daß bei einer Verknüpfungsschaltung der eingangs angegebenen Art die Ausgange der Vergleichsschaltungen mit einer gemeinsamen Impedanz zum Erzeugen einer Ausgangssignalspannung verbunden sind und daß der Wert der Referenzspannung im wesentlichen gleich dem halben Wert der Versorgungsspannung der Verknüpfungs schaltung ist und der Mittelpunkt des Signaihubes der Ausgangssignalspannung auf dem Potential der Referenzspannung bleibt. Abgesehen von der Lösung der genannten Aufgabe hat die Erfindung den VorteiL daß die binären Eingangs- und Ausgangspotentiale keine festgelegten Werte sein müssen.

Eine Schaltung gemäß der Erfindung kann in einer Ausrührungsform für Schwellwert-Schaltfunktionen dienen und in anderen Formen für Schaltfunktionen v,w / B. UND. Inversion usw. Sie ermöglicht ferner sogenannte »Phantoirw-ODER-Verknüpfungen (die durch die Verdrahtung gebildet werder).

Mit dem hier verwendeten Begriff der logischen Schwellwertschaltung ist eine Schaltungsanordnung gemeint, die einen Schwellwert T. eine Anzahl η binai. r Eingänge, deren i-ter Eingang die Bewertung iv, h.i'.x-n mag. und einen binaren Ausgang aufweist, wobei 7. /i und jedes u, ganzzahlig sind. Die Funktion einer Schwellwertschaltung kann beschrieben werden al· Summicrungs-Diskriminierungs-Operation. wobei di.· bewerteten binären Eingangssignal summiert werden und die Summe mit dem Schwellwert 7 verglichen wird. Die binäre Bedeutung, d.h. der Binärwt-rt des Ausgangs, hängt davon ab. ob die Summe der Eingänge gleich dem Schwellwert 7 oder größer als dicker ist. oder ob dies nicht der Fall ist. Beispielsweise sind die sogenannten Majoritäts- und Minoritäts-Torschaltungen Sonderfälle der Schwellwertschaltung, wobei /1 ungerade, die Bewertung w, für jeden Eingang Eins und der Schwellwert T gleich ⁿ-tl. j_st. Der

Ausgang der Majoritätsschaltung ist also ü oder I, wenn an den Eingangsleitungen mehr 0- oder !-Signale vorhanden sind Der Ausgang der Minoritätsschaltung ist dementsprechend C oder 1, wenn an den Eingängen weniger 0- bzw. 1-Signale anliegen.

Bei einer Schaltungsanordnung der hier beschriebenen Art sollen /1 Eingangssignale ein Ausgangssignal hervorrufen, wobei jedes solche Signal, welches positiver ist als eine feste bestimmte Referenzspannung (im folgenHen V_rrf genannt), einen ersten Binärwert darstellt, während irgendein deraitigcs Signal, dessen Spannu-.igspegel negativer isi als V_rt._r vom zweiten Binärwert ist. Gemäß einem bevorzugten Ausftihrungsbeispiel der Erfindung weist die logische Schaltungsanordnung /1 Vergleichsschaltungen auf. wobei /1 eine ganze Zahl ist. Jede der Vergleichsschaltungen empfängt je ein anderes der η Signale an einem ihrer Eingänge und V_rcj an dem anderen seiner Eingänge, Die η Vergleichsschaltungen vergleichen die empfangenen Eingangssignalspannungen mit V_n. _f und liefern an ihren einzelnen Ausgangsleitungcn entsprechende Signale. Eine mit den Ausgängen der Vergleichsschaltungen gekoppelte Vorrichtung zum Herleiten des Atisgangssignals liefert eine Ausgangssignalspannung, deren Binärwort davon abhängt, wie sich ihre Größe zu Κ,,.,-verhält.

Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen logischen Schwellwertschaltung weist die Vorrichtung zum Herleiten des Ausgangssignals eine Lastimpedanz für die Vergleichsschaltungen und eine gemeinsame Ausgangsleitungsschaltung auf, wodurch eine wirksame Summierung der angelegten Eingangssignale erfolgt. Die Diskriminierung (Vergleichung mit dem Schwellwert) erfolgt an der Eingangsvergleichsschaltung der nächsten oder angesteuerten Schwellwertlogik oder eines anderen Schaltkreises. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel eines erfindung^cgemäßen Schaltkreises, der sich besonders gut für integrierte Schaltungen eignet, kann die Lastimpedanz durch einen Lastwiderstand für jede Vergleichsschaltung realisiert werden. Für das UND-Glied als Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung zum Herleiten des Ausgangssignals einen Lastwiderstand auf, dessen Wert allgemein größer ist als der Wert der Punktbelastungsimpedanz der Schwellwert- gatterausführung der Erfindung. Beim Inversionsschaltkreis als Ausfijhrungsbi-ispiel (der einen Sonderfall mit η = I darstellt) enthalt die Vorrichtuni: zum Herleiten des Ausgangssignals ein Verstärkungselement vom L'mkehrtyp.

F i g. 1 ist ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen logischen Schwellwertschaltkreises:

F i g. 2 ist eine graphische Darstellung, in der die logischen Signaldefinitionen und verschiedene Signalwerte für die dargestellten Schaltungen mit bipolaren NPN-Transistoren geneigt werden:

Fig. 3 ist ein Schaltbild eines logischen UND-Schaltkreises als Ausführungsbeispiel der Erfindung:

F i g. 4 ist ein Schaltbild eines Inversionskreises als weitces Ausführungsbeispiel der Erfindung;

F i g. 5 ist ein Schaltbild, in welchem beispielsweise Widerstandsschaltungen für den Parameter« der Schaltung gemäß F i g. 4 dargestellt sind;

Fig. 6 ist ein Teilschaltbild, welches die Eignung der Erfindung für »Phantom«-ODER-\crknüpfungen zeigt;

F i g. 7 ist ein Schaltbild einer Referenzversorgungsschaltung, die für die Ausführungsbeispiele gemäß der F i g. 1 sowie F i g. 3 und 4 verwendet werden kann, und

Fig. 8 ist ein Schaltbild, teilweise als Blockschaltbild, welches die Leistungsversorgungsverbindungen zu zwei der logischen Stufen gemäß F i g. I darstellt, welche relativ weit voneinander entfernt angeordnet sind.

Die logischen Schaltkreise gemäß der Erfindung sind in ihrer Anwendung nicht auf die Verwendung irgendeiner besonderen Art von Schaltglied, wie z. B. bipolare Transistoren. Dioden. Feldeffekttransistoren u. dgl. oder auf irgendeine besondere Schaltungskonfiguration der Binärsignal - Vergleichsschaltungen beschränkt. Beispielsweise und zur Vervollständigung der Beschreibung enthält jedoch die in der Zeichnung dargestellte Schaltungsanordnung nur eine Art von Schaltglied, den bipolaren Transistor, und eine Art von Vergleichsschaltung, einen emittergekoppelten strommäßigen Schalter, die zur Realisierung der Erfindung verwendet werden können. Auch die Verwendung von NPN-Transistoren dient nur als Beispiel, selbstverständlich sind auch Transistoren vom PNP-Typ möglich.

Die erfindungsgemäßen ,logischen Schaltkreise können entweder aus gesonderten Bauelementen oder mittels der Technik der integrierten Schaltungen aufgebaut sein. In der hier verwendeten Bedeutung bezieht sich der Begriff »integrierte Schaltung« auf die-

jenigen Techniken, bei denen eine gesamte Schaltung oder Gruppen von Schaltungen beispielsweise durch Diffusion oder mitlels Schichten in oder auf einem oder mehreren Plättchen aus einem Werkstoff wie Silizium, Saphir, Glas u. dgl. gebildet werden können. Mit der Weiterentwicklung der Technik der integrierten Schaltungen wurde die Komponentendichtc erhöht, wobei das Maß der in oder auf :^Nr gleichen Unterlage herstellbaren Schaltfunktionen bis zu relativ komplizierten Funktionen (sogenannte Mchrfunktionsplättchen) beim System- oder LJnlersystempegel wuchs. Ein Weg zu Mehrfunktionspliittchen besteht darin, die Schaltungskomponcntcn in eine Reihe von Zellen zu ordnen, wobei die gewünschte Schaltfunktion auf dem Plättchen durch geeignete innere und äußere Verbindungen der Zellen bewerkstelligt wird. Die dargestellten Ausführungsbeispiele mit logischen Transistorschaltkrcisen gemäß der Erfindung eignen sich besonders für den Schaltungsentwurf dieser Mehrfunktionsplättchcn.

In F i g. 1 sind zwei Stufen einer logischen Schaltungsanordnung für die logische Schwcllwcrtfunklion dargestellt, wobei die linke Stufe 20 die rechte Stufe 50 ansteuert. Die Stufe 20 besitzt eine Anzahl η gleicher Verglcichsschaltungcn 21. von denen zur Vermeidung von Wiederholungen nur die Vergleichsschaltungen 21, und 2I_n dargestellt sind. Die Zahl η ist ganzzahlig und sei am Anfang ungerade, um ein Majoritätsgatter als bevorzugtes Äusführungsbeispiel zu erläutern. Jede der Vergleichsschaltungen 21, und 21 „ ist an eine Leistungszufuhrleitung 25 angeschlossen. Ferner ist jede Vergleichsschaltung mit einer zugeordneten Eingangsleitung 39, bzw. 39„ und mit einer Referenzspannungsleitung 30 verbunden. Die Eingangsleitungen 39, und 39„ sind so geschaltet, daß ihnen Eingangssignale X_x bzw. X_n zuführbar sind, die jeweils die Wertigkeit Eins haben. Die Referenzspannungsleitung 30 liegt an einer festen Referenzspannung V_ref, wie links an der Stufe 20 dargestellt ist. Jede der Vergleichsschaltungen 21, und 21„ besitzt mindestens eine Ausgangsleitung 27, bzw. 27„.

Eine Vorrichtung zum Herleiten des Ausgangssignals verbindet die Ausgangsleitungen miteinander und mittels einer Lastimpedanzvorrichtung, die als getrennte Lastwiderstände dargestellt ist, mit einer weiteren Leistungszuführungsleitung 26. Die Lastwiderstände 28, und 29, verbinden die Ausgangsleitung 27, mit der Leistungszuführungsleitung 26, während die Lastwiderstände 28„ und 29„ mit dieser Leitung 26 die Ausgangsleitung 27„ verbinden. Es sei daraufhingewiesen, daß die Lastimpedanzvorrichtung auch ein einziger Lastwiderstand geeigneten Wertes sein könnte.

Die Vorrichtung zum Herleiten des Ausgangssignals enthält ferner einen Emitterfolger-Transistor 35. dessen Basis 35 £> an die Ausgangsleitungen 27, und 27„ angeschlossen ist. Der Kollektor 35c liegt an der Versorgungsleitung 26, während der Emitter 35p über Emitterwiderstände 36 und 37 mit der Zuführungsleitung 25 verbunden ist. Ferner ist der Emitter 35 e an eine Ausgangsleitung 40 der ersten Stufe angeschlossen.

Die Zuführungsleitungen 25 und 26 liegen an den Klemmen einer Betriebsspannungsquelle mit dem Wert Vp₃, die irgendeine geeignete Gleichspannungsquelle sein kann, beispielsweise eine Batterie. Die Leitung 25 wird als P^s-Leitung bezeichnet, während die Leitung 26 willkürlich als Masseleitung G festgelegt wird, wie in F i g. 1 mit dem bekannten Symbol dargestellt ist.

Jede der Vergleichsschaltungen 21, und 21„ enthält ähnliche Komponenten und innere Verbindungen, so daß es genügt, nur die Vergleichsschaltung 21, genauer zu beschreiben. Die Vergleichsschaltung 21, ist dargestelU als strommäßiger Schalter mit zwei Transistoren 22 und 23. Die Emitter 22e und 23e sind zusammengeschaltet und über einen gemeinsamen Emitterwiderstand 24 mit der Zuführungsleitung 25 verbunden. Die Basis 22h ist mit der Eingangsleitung X_x verbunden, während die Basis 23/) an der P^-Leitung 30 liegt. Der Kollektor 22r ist unmittelbar an die Masseleitung 26 angeschlossen, der Kollektor 23c ist mit der Ausgangileitung 27, verbunden.

Die Ausgangsleitung 40, die sich zu einer großen Zahl möglicher Ausgänge verzweigen kann, wie mit den punktierten Linien angedeutet ist, ist an die Eingangsleitung 69, der angesteuerten Stufe 50 angeschlossen. Diese angesteuerte Stufe 50 ist in jeder Beziehung ähnlich der Stufe 20, abgesehen davon, daß sie eine unterschiedliche Anzahl in von Eingangsleitungen aufweisen kann, wie mit der Eingangsleitung 69_m dargestellt ist. Wiederum sind nur zwei Eingangsleitungen dargestellt, um Wiederholungen zu vermekcn. Den Eingangsieitungen 69, und 69_m sind mit Y_x bzw. Y_m bezeichnete Eingangssignalspannungen zuführbar. Die Stufe 50 ist ferner an die gleichen V_vs- und K_r(,y-Klemme5i wie die Stufe 20 anschließbar. Die

dargestellte Schaltungsanordnung der Eingangsvergleichsschaltung51, die der Eingangsleitung Y_x zugeordnet ist, ist weitgehend ähnlich den Vergleichsschaltungen 21, und 2I_n, wobei die Stromschalttransistoren mit den Bezugszeichen 52 und 53 versehen sind. Die Stufe 50 besitzt ferner eine Ausgangsleitung 70.

Beim Betrieb des dargestellten Ausführungsbeispiels mit NPN-Transistoren ist der Wert von V_PS negativer als das Bezugs-Massenpotential G, und der Wert von V_rtJ liegt zwischen V_PS und G, wobei V_ref mittels eines Spannungsteilers gewonnen werden kann. Jede der Eingangsvergleichsschaltungen vergleicht die ihr angelegte Signalspannung mit der Referenzspannung V„_f und liefert an ihrer zugeordneten Aus-

gangsleitung entweder einen Ausgangsstrom oder nicht, was davon abhängt, ob die Eingangssignalspannung kleiner oder größer ist als V_ref.

Gemäß einer Betrachtung, insbesondere d«.r Vergleichsschaltung 21. simulieren die Spannung V_K und

der gemeinsame Emitterwiderstand 24 für die Stromschalttransistoren 22 und 23 eine Stromquelle.

Immer wenn die angelegte Signalspannung X₁ einen Wert aufweist, der größer ist als V_ref, wird der Transistor 22 leitend, der Transistor 23 dagegen gesperrt.

Der Quellenstrom fließt durch den Kollektor-Emitter-Pfad des Transistors 22, und auf der Ausgangsleitung 27, fließt praktisch kein Strom. Wenn andererseits die angelegte Signalspannung X₁ kleiner ist als V_nf, wird der Transistor 23 leitend und der Transite stör 22 gesperrt. Bei diesen Eingangssignalverhältnissen win' der Quellenstrom durch den Kollektor-Emitter-Pfad des Transistors 23 geleitet, so daß ein Ausgangsstrom durch die Ausgangsleitung 27, fließt und an den Lastwiderständen 28, und 29, eine Aus-

gangsspannung hervorruft. Jede der änieren Vergleichsschaltungen der Stufen 20 und 50 reagieren auf die ihnen angelegten Eingangssignale in ähnlicher Weise und bewirken, daß ein Ausgangsstrom fließt

oder nicht fließt. Die Ausgangsstrombeiträge der Vergleichsschaltungen der Stufe 20 werden durch die Kombina*ion der parallelen Lastwiderstände wirksam summiert und über den Emitterfolger-Transistor 35 als Eingangssignal Y₁ an die angesteuerte Stufe 50 angelegt. Die EingangsvcrglcichsschaltungSl in der angesteuerten Stufe50 führt für die Signalspannungen X₁ bis X_n die Diskriminierung cdi,- den Vergleich mit dem Schwellwert durch.

Ein Schaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung empfangt Eingangssignale, deren Spannungen irgendeinen beliebigen Wert oberhalb (positiver) oder unterhalb (negativer) von V_nt haben können. Dies steht im Gegensatz zu bekannten Schaltungen mit der Verwendung von Stromschalter-Vergleichsschaltungen, bei denen die logischen Signalspannungspegel innerhalb enger Grenzen entweder auf einen hohen Spannungspegel oder auf einen niedrigen Spannungspcgel bezüglich V,_eS beschränkt sind, wobei die hohen und niedrigen Pegel die gewünschten Binärwerte darstellen. Bei einem Schaltkreis gemäß der Erfindung kann die Ausgangssignalspannung irgendein beliebiger Wert sein, der durch die summierten Strombeiträge der Eingangsvergleichsschaltungen bestimmt ist, wobei die Spannungswerte oberhalb und unterhalb von V_ref einem ersten und einem zweiten Binärwert zugeordnet sind. Wie aus der graphischen Darstellung der F i g. 2 zu sehen ist und für den Zweck der folgenden Beschreibung, sind die Binärzahlen 1 und 0 willkürlich Signalspannungswerten oberhalb bzw. unterhaib von V_re, zugeordnet.

Bei Anwendung der Erfindung wird in einem Schwellwertgatter eine gesonderte Diskriminatorschal· tung überflüssig, da die Vergleichsfunktion durch die Vergleichsschaltung der angesteuerten, d. h. der nächstfolgenden Stufe durchgeführt wird. Außerdem ermöglicht die Erfindung einen Schaltkreis, in welchem ein Temperatur- und Leisiungsversorgungsgleichlauf zuverlässig gewährleistet ist.

Bei dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung gemäß F i g. 1 werden im Schaltkreis nur Widerstände vom Wert R verwendet. Dem Schaltkreis wird eine Referenzspannung V_ref zugeführt, welche gleich der halben Leistungsversorgungsspannung V_rr ist. Es gilt also, wie in F i g. 2 zu sehen ist:

Fp₅ = -2B (1)

Da η eine ungerade Zahl ist, werden die nächstkommenden Entscheidungen getroffen, wenn Eingangssignale O-Signale oder Signale 1-Signal«

sind, d. h.,

Signale O-Signale sind. Diese kritischen Werte entwickeln eine gemeinsame Kollektorspannung V_c von

Kef= '

(2)

Λ = V₁

Bt-

(3)

h =

-B- J -(-2B) R

R '

/i ±

*(B-*	Λ)	I	*(-2R)*
R		η
Β

Wenn man annimmt, daß das gleiche I am Emitterfolger-Transistor 35 vorhanden ist (die Ströme unterscheiden sich nur geringfügig), so ist die Ausgangsspannung V₀

V₀ = -B±

(B- I)

Gleichung (8) zeigt, daß der Schaltkreis gemäD F i g. 1 dem Wesen nach unabhängig von ^,.-Änderungen ist, da der Mittelpunkt des Ausgangssignals stets bei - B bleibt. Dies ist auch der Wert von V_re} für die Eingangsvergleichsschaltung der angesteuerten

Stufe. Selbst wenn akn die Spanne sich mit

K_flt-Schwankungen (die bei höheren Temperaturen zunehmen) ändert, stellt die Eingangsvergleichsschalschaltung der angesteuerten Stufe lediglich fest, ob

-— ~— positiver oder negativer als — B ist.

-B ±

Für die folgende Beschreibung sei angenomme.i. daß der Basis-Emitter-Spannungsabfall V_BE eines jeden Transistors gleich dem Spannungsabfall V_BE aller andeieii Transistoren des SchaU!'reises ist.

Die Zahl der möglichen Eingix'isvergleichsschaltungen, n, wird durch V_PS bestimmt sowie dadurch, wie nahe die Signalspannungen an — B kommen dürfen. Es sei

Die Größe des von einer Eingangsvergleichsschaltung mit einem O-Signaleingang beigesteuerten Laststromes I_L beträgt dann

Gleichung (8) zeigt ferner, daß die Schaltungsanordnung nach Fig. I grundsätzlich unabhi ,lgig von Schwankungen der Versorgungsspannung V_PS ist, vorausgesetzt, daß die Schwankungen des Massepotentials G praktisch gleich und entgegengesetzt sind. Bei einer großen integrierten Schaltkreisordnung ist es beispielsweise möglich, die Spannungsabfälle (IR) an den Versorgungs- oder Zuführungsleitungen für V_PS und G praktisch gleich zu machen. Dies ist in F i g. 8 gezeigt, wo an die V_PS- und G-Zuführungsleitungen 25 und 26 an einer ersten Stelle eine Stufe 220 und an einer zweiten Stelle eine Stufe 250 angeschlossen sind. An der ersten Stelle ist zwischen die Zuführungsleitungen 25 und 26 eine erste Schaltung 240 zum Herleiten der Referenzspannung V_n,geschaltet, weiche die Referenzspannung an die Stufe 220 liefert. Ebenfalls zwischen die Zuführungsleitungen 25 und 26, jedoch an der zweiten Stelle, ist eine zweite Schaltung 241 zum Herleiten der Referenzspannung V_re/ geschaltet, weiche die Stufe 250 versorgt.

Es kann zwischen den beiden Stellen oder örtlichen Positionen der Stufen 220 und 250 eine beträchtliche Entfernung auf dem Plättchen vorhanden sein, so daß die Zuführungsleitungen 25 und 26 einen endlichen Widerstand aufweisen. Wenn man bei der Herstellung die Breite und den spezifischen Widerstand der Zuführungsleitungen 25,26 entsprechend steuert, können diese Leitungswiderstände gleiche Werte besitzen, wie mit den diskreten Widerständen 221 und 231 vom Wert R₁ dargestellt ist. Wenn also in den Leitungen 25 '-nd 26 gleiche, jedoch entgegengesetzt gerichtete Ströme / fließen, sind die Spannungsabfälle IF:

209&I/298

2S30 '$

η	±	433	5	±	260	mV	±	7	I
	±	367		±	220		±
B = 2,0	±	300	±	180		±	186
B = 1,8					157
B = 1,6					129

± 144
± 122
± 100

Werte der Signalspanne .ί—~_ι!1 .

Für B = \,6{\Vps\ = 3,2 Volt) könnte es scheinen, daß die Werte von η = 7 und /i = 9 zu anfällig gegen Rauschon sind. Da sich jedoch Ι(^_/;), Pi>_sunddieTemperalurschwankungen aufheben, müssen bei der Toleranzanalyse nur die Toleranzen der Widerstandsverhäiinisse und der Änderungen des Eingangssignaiwertes berücksichtigt werden. Ferner können, wie in F i g. 1 gezeigt ist, alle Widerstandswerte Vielfache eines festen Widerstandswertes R sein, so daß der Schaltungsentwurf von Verhältnissen gleichwertiger Widerstände abhängt.

Dies ist bei der Herstellung von integrierten Schaltungen von Bedeutung, da die Widerstandswerte durch die Widerstandsgeometrie bestimmt werden. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, kann zur Realisierung aller Widerstandswerte nur eine einzige Widerstandsform mit dem Wert R verwendet werden, so daß die Widerstandsverhältnisse zuverlässig innerhalb 2% liegen sollten.

Das Haupterfordernis für eine SonJersignalspanne ergibt sich also daraus, Rauschen auf den Eingangsleitungen zu berücksichtigen. Die Signale, welche einem merklichen Rauschen unterliegen, wie es z. B. bei Signalen der Fall ist, die ein Register a jftasten oder einblenden, und eine lange Strecke auf dem Plättchen der integrierten Schaltung zurücklegen oder das Plättchen gänzlich verlassen, sollten durch Gatter mit einer geringen Zahl möglicher Eingänge definiert werden, so daß die Spanne des Ausgangssignalpegels relativ groß sein wird. Im Falle des Fortsendens vom Plättchen hinweg könnte man beispielsweise ein einziges Eingangsgatter verwenden.

Die maximalen Signalschwingverhältnisse trclen auf, wenn kein 0-Signal und wenn alle 0-SignaIe angelegt werden. Falls kein 0-Signal angelegt wird, ist V_c = 0, und V₀ wird tu - i. Wenn alle 0-Signale angelegt sind, steuern alle Eingangsvergleichsschaltungen einen Strom bei, so daß

V_r = η

(B-Λ) (-2R)

an jeder Stelle entlang der Leitungen 25 und 26 entgegengesetzt gleich, und zwar unabhängig von der Entfernung von den wirklichen Anschlüssen an die Versorgungs-Leistungsquclle. Es sei darauf hingewiesen, daß Tür den Fall, daß V_ref als die Hälfte von V_n hergeleitet wird, der Wert von V_ref unverändert bleibt, gleichgültig, wo auf dem Plättchen die Referenzspannung i.ergeleitct wird, unabhängig von der Entfernung von den Verbindungen der Leitungen 25, 26 mit der Lcistungsquclle.

Unter der Annahme, daß /I = 0,7 Volt (bei Silizium als Werkstoff) sind in der folgenden Tabelle ver-

O ,1

schiedene Werte der Signalspannc (Gleichung 8) zusammengestellt:

gnalvcrhältnisse sind symmetrisch zu -B, so daß
Kn_m„_x) = -B ±{B- I). (9)

Eines der Hauptmerkmale mit strommäßigen Schaltern arbeitender Vergieichsschaltungen ist, daß sie ohne Sättigung betrieben werden können, so daß ein sehr schneller Betrieb möglich ist. Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß F i g. I wird der nicht gesättigte Betrieb auf der Eingangsleitungsseitc

ίο einer jeden Vergleichsschaltung bewerkstelligt, da die Kollcktorelcktroden (z. B. die Kollcktorelcktrodc 22c der Vergleichsschaltung 21,) an Masse liegen und die Signalspannung stets mindestens gleich oder negativer als -, I Volt ist. Die Referenzleitungsseite der Eingangjvcrgleichsschaltungen (beispielsweise der Transistor 23 der Vergleichsschaltung 2I₁) könnte jedoch durch die unteren Extremwerte des Signals gesättigt werden, wenn man nicht eine Klemmung (clamping) vorsieht, je nach dem Wert von B. Diese Referenztransistoren werden eine Kollektor-Basis-Vorspannung in Durchlaßrichtung von 0,4 Volt besitzen, wenn nicht

-2B + 2/1 > -B -0,4,
Tür /I = 0,7 Volt bedeutet dies

oder

B < 1.4 + 0,4

IV_PJ < 3,6 Volt.

(10)

(II)

(12)

Es ist möglich, den Schaltkreis mit V„_s = -.1 _:.

zu betreiben, um eine Klemmung vermeiden zu können, doch ist die Zahl der möglichen Eingänge begrenzt, und erhöhte Temperaturen könnten zur Sätligung rühren. Aus diesen Gründen ist vorzugsweise eine Klemmeinrichtung vorgesehen, beispielsweise der Klemmtransistor 38 in der Stufe 20. Der Transistor 38 klemmt die Ausgangsleitungen 27, bis 27„ über seinen Basis-Emitter-Ubcrgang auf eine Klemmspannung V₁₇.. Der Emitter 38, des Transitors 38 ist mit den Ausgangsleitungen 27, bis 27„ verbunden, und die Basis 38fc iiegt an der Klemmspannung K_n.. Der Kollektor 38 c ist an die Masseleitung 26 angeschaltet. Die Klemmspannung V₁, besitzt einen geeigneten Wert,

um zu verhindern, daß bei ungünstigsten Bedingungen eine Sättigung der Referenztransistoren auftritt, beispielsweise kann sie die folgende Größe besitzen:

= -B

A.

(13)

Wenn eine nennenswerte Anzahl von 0-Eingangs-, jedoch allgemein weniger

Signalen (mehr als

st und V₀Ta -2B+ 1 wird. Diese maximalen Sials n) vorhanden ist, zieht der Klemmtransistor 38 merklichen, jedoch mäßigen Strom. Sein Spannungs-

abfall V_BE beträgt 1. so daß der Emitter 38έ> und die den Vergleichsschaltungen gemeinsame Kollektorspannung V₁ auf - B Volt geklemmt wird, unabhängig von 1. Die Ausgangsspannung wird dann auf (-ß-.l)Volt.geklemmt.

Im Falle der Klemmung summieren also die logischen Schaltkreisstufen 20 und 50 jewels ihre entsprechenden Eingangssignale zur Erzeugung eines Ausgangssignalpegels, der einen beliebigen Wert oberhalb des V_rrJ- Pegels bis zu -Λ Volt oder uaterhalb

von V_re/ hinab bis zu (- B - J) Volt haben kann. Der Ausgangssignalpegel wird dann mit dem Referenzpegel von -B Volt durch die Eingangsvergleichsschaltung der angesteuerten Stufe zur Feststellung der 1- bzw.

2830

Ü-Signale verglichen. Im Interesse einer Signalsymmetiic zu V_reI kann es auch wünschenswert sein, eine zusätzliche Klemmung einzuführen, um die oberen Extremwerte der Ausgangsspannung zu begrenzen. Dies ist jedoch nicht notwendig. Für den Fall, daß jeweils ein verschiedenes Eingangssignal an jede der Eingangslcitungen 39, bis 39„ angelegt wird, kann man sagen, daß die logische Schaltungsanordnung als Majoritätsgatter mit /ι Eingängen wirkt. Die Eingänge können gewertel werden, indem man das gleiche Eingangssignal an zwei oder mehr Eingangsleitungen anlegt. Wenn beispielsweise« = 5 ist, ergibt sich, wenn ein einziges Signal an zwei der fünf Eingangsleitungen angelegt wird, ein (211I)-Gattcr. wobei die Bewertungen 2, ι, bzw. I sind. Eine andere Möglichkeit, die Eingänge zu bewerten, besteht darin, den /-ten Verglcichsschaltungs-Emitterwiderstand 24 durch die Bewertung W₁- zn dividieren, beispielsweise durch Parallelschaltung von W, Widerständen des Wertes R.

Die in F i g. 1 dargestellte logische Schwellwertschaltung ist nur eine aus einer Gruppe von kompatiblen logischen Schaltkreisen, die zur Bildung eines gewünschten digitalen Systems in verschiedenen Kombinationen zusammengefügt werden können, in den Fig. 3, 4 und 5 sind einige andere Ausführungsbeispiclc der Schaltkrcisgruppe oder -Familie dargestellt, die alle mit den gleichen Spannungen V,,_s, V_ref und V, ι sowie Signalpcgcln wie bei dem Schwcllwertschaltkreis gemäß F i g. 1 betrieben werden. Jeder dieser Schaltkreise ist ähnlich aufgebaut wie der Schaltkreis nach Fig. 1, so daß gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bezeichner..

In F i g. 3 ist ein UND-Gatter mit n Eingängen dargestellt, welches sich von der Stufe 20 gemäß Fig. 1 nur insofern unterscheidet, als die Schwellwertlaslimpedanz durch eine Laslimpcdanz mit allgemein höherem Wert ersetzt ist. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist. kann die Lastimpedanz einen Wert von 2 R aufweisen und durch zwei in Serie geschaltete Widerstände 91 und 92 realisiert sein, von denen jeder den Wert R besitzt.

Im Betrieb, wenn alle Eingangssignale A', bis X„ eine 1 sind, fließt kein Strom durch den gemeinsamen Lasiwiderstand. Der Ausgang ist dann - I Volt, was positiver ist als -ßVolt (V_rcl). und stellt daher ein I-Signal dar. Wenn andererseits ein oder mehrere Eingangssignal eine 0 sind, fließt ein Strom durch den einzelnen Lastwiderstand und bewirkt, daß das Ausgangssignal unterhalb von -B Volt absinkt, was ein O-Signal bedeutet. Es sei darauf hingewiesen, daß. wenn genau eines der Eingangssignale ein O-Stgnal ist,

die Spannung am Lastwiderstand -^— [2R) oder

— 2 [B- 1) beträgt, was hinreichend niedrig ist, den Klemmtransistor 38 zu verlassen, den gemeinsamen Kollektorpunkt auf -B Volt zu klemmen. Es sei hier angenommen, daß B > 20. Andernfalls ist ein größerer Lastwiderstand erforderlich. Das Ausgangssignal ist also nur dann eine 1, wenn alle Eingangssignale eine 1 sind, dagegen eine 0, wenn ein oder mehrere Eingangssignale 0 betragen.

Es ist hier zu beachten, daß bei jedem der bisher erläuterten Ausfuhrungsbeispiele eine einzige Sammelschiene oder ein einziger Ausgangspunkt, die bzw. der jeder der η Vergleichsschaltungen gemeinsam ist, verwendet wird, so daß der Kollektor des Eingangstransistors eine Vergleichsschaltung (beispielsweise der Transistor 22 der Vergleichsschaltung 21,) an Masse liegen kann, wodurch eine Sättigung verhindert wird Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Fall beschränkt. Die vorliegende Erfindung umfaßt auch der Fall, daß ein Schaltkreis mit einer Doppelschiene vor· gesehen ist, wobei die Kollektoren der Eingangstransistoren der Vergleichsschaltung nicht an Masse liegen, sondern gemeinsam an eine Lastwiderstandsschaltung angeschaltet sind. Man müßte selbstverständlich eine geeignete Klemmvorrichtung -nrsehen um eine Sättigung der Eingangstransistoren zu verhindern. Bei einer solchen Gestaltung kann man ar der gemeinsamen Kollektorvcrbindungsstelle der Eingangstransistoren der Vergleichsschaltungen das Komplement V₀ von V₀ abnehmen, und zwar mittel.-, eines zusätzlichen Emitterfolger-Transistors.

In Fig.4 ist als Ausführungsbeispiel ein Inverter· schaltkreis dargestellt, welcher nach der Regel arbeitet, den Kollektor des Vergleichsschaltungs-Eingangs· transistors an Masse zu legen. Gemäß F i g. 4 ist die Zahl η der Eingangsvergleichsschaltungcn gleich Eins und der Kollektor 22c des Eingangstransistors 22 dei Eingangsvcrgleichsschaltung 21, liegt also an Masse Die Vorrichtung zum Herleiten des Ausgangssignals umfaßt zwei Widerstände 100, 101, die zwischen die V_fs- und G-Zuführungsleitungen in Reihe geschaltet sind, wobei ihr gemeinsamer Punkt mit der Ausgangsleitung 27, der Eingangsvergleichsschaltung zusammengeschaltet ist. Ferner enthält die Vorrichtung zum Herleiten des Ausgangssignals einen Inverter-Transistör 102, der einen Ausgangs-Emitterfolger-Transistor 103 betreibt bzw. ansteuert. Die Basis 102/) des tnuf»rlf»r_ Franciclnrc IfI") ic( mil Atw Λ nrnnnnKl^t.^r ....... ..w. ■ ■»■·** 4**·.νιυ ■ ν«, υ«, iiiji vi χ, λ ι \ UOgCt 11 gill W11 U 11 £

27, gekoppelt. Der Kollektor 102c liegt über einen Kollektorwiderstand 104 an Masse, während dei Emitter 102i> über einen Emitterwiderstand 105 mil der K_PS-Leitung verbunden ist. Ferner ist der Kollektor 102c mit der Basis 103fr des Emitterfolger-Tran sistors 103 gekoppelt. Der Kollektor 103c ist mit dei Masseleitung, der Emitter 103e mit einer Ausgangs-

leitung 108 und über einen Widerstand 106 mit dei F_M-Leitung verbunden.

Alle Widerstände besitzen den Vert R, mit Ausnahme des Widerstandes 101, dessen Wert «R beträgt. Der Parameter « wird so gewählt, daß für eir O-Eingangssignal der Vergleichsschaltungs-Referenztransistor 23 nicht in Sättigung gerät und der Inver ter-Transistor 102 nicht bei einem l-Einsangssigna gesättigt wird. Wenn „ entsprechend gcwähl' vird kann sich der Widerstandswerl »«R« aus Widerstän den mit dem Wert R zusammensetzen, wie in F i g. 5. für a = 5/3 und in Fig.5b für α = 3/2 dargestell ist. In jeder dieser Figuren weist die Widerstands anordnung 101 einen Serienwiderstand R auf, der ir Reihe mit einer Parallelschaltung aus Widerstände!

vom Wert R geschaltet ist.

In F i g. 6 ist eine durch die Verdrahtung (Leitungs verbindung) gebildete oder sogenannte Phantom ODER-Ausführung der erfindungsgemäßen logischer Schaltungsanordnung dargestellt. Die Ausgangs-Emit

terfolger-Transistoren 35 von zwei oder mehr logi sehen Schwellwertstufen oder UND-Gatterstufen kön nen so geschaltet werden, daß sie einen gemeinsamei Emitterwiderstand vom Wert 2 R teilen. Das Ausgangs signal V₀ ist dann einfach der Maximalwert der ge trennten Ausgänge. Es sei darauf hingewiesen, dal bei einer überbrückung der Emitterwiderstände de: Ausgangstransistoren durch eine gemeinsame Schal tung die Emitterfolger-Ausgangsimpedanz verringer

2 8*0 ft

and der Basisstrom erhöht würde, was sich an den gemeinsamen Kollektorpunkten bemerkbar machen könnte.

Die verschiedenen Spannungen V_PS, V„_f und V_CL können von einer geeigneten Leistungsversorgungsschaltung zur Verfugung gestellt werden. Die Leistungsversorgungsschaltung enthält eine geeignete Gleichspannungsquelle 120, welche gemäß der Darstellung eine Batterie ist, deren positive Klemme an die Zuführungsleitung 25 und deren negative Klemme an die Zuführungsleitung 26 angeschlossen sind. Für die dargestellten Ausführungsbeispiele mit NPN-Transistoren kann die Zuführungsleitung 25 Massepotentiil führen, während die Leitung 26 die K_PS-Leitung ist.

Die Leistungsversorgungsschaltung enthält zwei Transistoren 121 und 122. deren Kollektor-Emitter-Pfad jeweils zwischen die Versorgungsleitungen 25 und 26 geschaltet ist. Der Kollektor 122 c des Transistors 122 ist an die Leitung 25, der Emitter 122 e über einen Emitterwiderstand 123 an die Leitung 26 angeschlossen. Der Kollektor 121c des Transistors 121 ist über einen Kollektorwiderstand 124 an die Leitung 25, der Emitter 121 e über einen Emitterwiderstand 125 an die Leitung 26 angeschlossen. Die Basis 122fc des Transistors 122 ist mit dem Kollektor 121 c und mit der V₁ ,-Leitung verbunden. Der Emitter 122e ist mit der Basis 1216 und mit der K_re/-Leitung zusammengeschaltet.

Jeder der Widerstände besitzt einen Wert von R, so daß die Emitter- und Kollektorströme des Transistors 121 gleiche Werte besitzen, wobei V„_f einen Wert von -B oder der Hälfte der Leistungsversorgungsspannung aufweist. Die Klemmspannung V_CL ist positiver als V_reI, um die Spannung (A) des Basis-Emitter-Dberganges des Transistors 122, so daß V_CL = -B + J.

Eine Leistungsversorgungsschaltung der oben beschriebenen Art kann für jede Stufe vorgesehen sein, oder sie kann uuch zum Betreiben von mehr als einer Stufe verwendet werden. Mehrere Versorgungsschaltungen können also auf einem einzigen Plättchen angeordnet sein und sich in eine einzige Leistungsquelle 120 teilen, wobei jede eine oder mehrere Stufen betreibt.

Die in F i g. 1 dargestellte logische Schaltungsanordnung eignet sich besonders gut für große integrierte SchaItungsanoTdmmgen, wie z.B. ein Vielfachfunktionsplättchen. Ein Plättchen kann beispiels weise eine Reihe von Zellen enthalten, wobei jede Zelle ihrerseits zwei Transistoren und vier Widerstände mn jeweils dem gleichen Wert R aufweist. Eine logischi Stufe, wie etwa die Stufe 20. erfordert π + 1 derartig. Zellen (wobei η Widerstände übrigbleiben). Die Referenzversorgung erfordert eine Zelle, der Inverter zwei Zellen (wobei ein Widerstand von einer Nachbarzelle fi:«· den Fall entliehen wird, daß α = 5 3). Die Einheitszellen können in einem sehr kleinen Bereich aufgebaut werden, wobei eine Verdrahtungsschichi die besondere Zellenfunktion und die Zwischenverbindungen bildet, während eine zweite Verdrahtungsschicht zur Leistungsversorgung und für die Zwischciiverbindungen der Referenzpunkte dient.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verknüpfungsschaltung mit einer ganzen Zahl π von Eingangsleitungen und mit einer Anzahl von'Vergleichsschaltungen, die jeweils einen emittergekoppelten Stromübernahmeschalter enthalten, der mit einem ersten Eingang mit einem der π Eingangsleitungen und mit einem zweiten Eingang mit einer eine feste Referenzspannung liefernden äußeren QueHe gekoppelt ist, wobei die Eingangs- und Ausgangssignalspannungen jeweils den einen bzw. anderen Binärwert repräsentieren, wenn sie positiver bzw. negativer als die Referenzspannung sind, dadurchgekennzeichnet, daß die Ausgange der Vergleichsschaltungen (21) mit einer gemeinsamen Impedanz (28,29) zum Erzeugen einer Ausgangssignalspannung verbunden sind und laß der Wert der Referenzspannung (V_ref) im wesentlichen gleich dem halben Wert der Versorgungsspannung (V_PS) der Verknüpfungsschaltung ist und der Mittelpunkt des Sign?lhubes de." Ausgangssignalspannung auf dem Potential der Referenzspannung bleibt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Vergleichsschaltung (51) vorgesehen ist. welche die Ausgangssignalspannung mit der Referenzspannung (V_reJ) vergleicht, um deren Binärwert festzustellen.

3. Schaltung nach Anspruch I oder 2, dadurch

gekennzeichnet, daß die Impedanz den Wert —^-

aufweist, \obei R der Wert .lines gemeinsamen Emitterwiderstandes (24) jeder Vergleichsschaltung (21 (ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz η parallelgeschaltete Widerstände (28, 29) umfaßt, von denen jeder den Wert R besitzt.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung von der Größe der doppelten Referenzspannung mittels zweier Versorgungsleitungen (25. 26) an einer ersten Stelle den η Vergleichsschaltungen (21) und an einer zweiten Stelle der weiteren Vergleichsschaltung (51) zugeführt ist, daß zwei Schaltungsanordnungen zur Lieferung der Referenzspannung vorgesehen sind, von denen die eine an der eisten Stelle und die andere an der zweiten Stelle an die Versorgungsleitungen angeschlossen sind und daß die Versorgungsleitungen zwischen den beiden Stellen praktisch identische Längen- und Breitenwerte aufweisen.

6. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung zum Erzeugen des Ausgangssignals einen Emitterfolger-Ausgangstransistor (35) enthält, welcher die Ausgangsspannung von den zusammengeschalteten Ausgangsleitungen der Vergleichsschaltungen (21) liefert.

7. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Klemmeinrichtung (38), welche die Ausgangslcitungen der Vergleichsschaltungen (21) auf eine ipannung (V_n) klemmt, weiche eine Sättigung von Transistoren (22, 23) der Vergleichsschaitungen verhindert.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung einen Klcmmtransistor (38) aufweist, dessen Basis-Emitter-Ubergang zwischen die Ausgangsleitungen (27) der Vergleichsschaitungen und einen Punkt mit einer Klemmspannung geschaltet ist, die gleich dem Wert der Referenzspannung (V„_f) ist

9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle Transistoren vom gleichen Leitfahigk-its'yp sind.