DE1286094B

DE1286094B - Steuerschaltung fuer integrierte Schaltungen, beispielsweise fuer bistabile Kippschaltungen

Info

Publication number: DE1286094B
Application number: DEI31108A
Authority: DE
Inventors: Harper Leonard Roy
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-06-21
Filing date: 1966-06-21
Publication date: 1969-01-02
Also published as: JPS4416449B1; FR1483568A; GB1091713A

Description

Für eine sichere Betriebsweise ist dabei Voraussetzung, daß die durch das Entladen eines Kondensators gewonnenen Impulse eine Energie besitzen, die groß genug ist, um z. B. eine bistabile Kippstufe umzuschalten. Diese Voraussetzung läßt sich dadurch

, g,

Kondensatoren großer > Kapazität wirtschaftlich zu realisieren, da sie einen großen Teil der Fläche des Halbleiterscheibchens^'beanspruch'en und· · außerdem einen starken Ladungsabfluß zum Masseanschluß des Substrates aufweisen.

Beim gegenwärtigen Stand der Technik der monolithischen integrierten Schaltungen ist es jedoch verhältnismäßig leicht, kleine Kondensatoren zu erhalten, die mit dem Masseanschluß des Substrates gei d d rfid

leicht erfüllen, daß ein Kondensator genügend großer io je einen Widerstand 26 bzw. 28, der zwischen dem Kapazität gewählt wjrd. zweiten Eingang des Schaltgliedes und der Basis des

Soll jedoch eine Schaltung in monolithischer Tech- zu dem Schaltglied gehörenden Transistors 30 bzw. nik ausgeführt, ifl" der alle aktiven und passiven Bau- 32 angeordnet'ist. Ein kleiner Kondensator 34, 36 elemente der Schaltung.in einem Halbleiterplättchen liegt jeweils zwischen der Basis des Schaltgliedrealisiert" werden, "ist es nur sehr schwer möglich, is transistors und Masse. Der erste Eingang ist mit dem

Emitter des Schaltglied-Transistors verbunden.

Der Kollektor des Schaltglied-Transistors 30 bzw. 32 ist mit dem Kollektor der Kollektorstufe 10 bzw. 12 gekoppelt, die, wie bereits erwähnt, die Steuer-30 stufe des Flipflops bilden. Ein typischer Wert für die Kapazität der Kondensatoren 34, 36 beträgt 5 Picofarad, und ein typischer Wert für die Widerstände 26, 28 beträgt 22.00 Ohm. Der Kondensator hat die Funktion, auf Grund eines dem zweiten Eingang zukoppelt sind. Es ist daher das Ziel dieser Erfindung, 25 geführten Eingangsimpulses eine Ladung zu speieine Steuerschaltung anzugeben, die die Vorteile der ehern, so daß eine zuverlässige Betriebsweise bei bekannten Steuerschaltungen aufweist, aber nur Schaltgeschwindigkeiten im Bereich von 10 ns erkleine Parallelkapazitäten erfordert, so daß die möglicht wird. Diese Arbeitsgeschwindigkeit wird Steuerschaltung leicht in monolithischer Technik aus- auch in den Fällen erreicht, in denen die beiden Eingeführt werden kann. Die Steuerschaltung für inte- 30 gahgsimpulse nicht genau koinzident zueinander sind, grierte Schaltungen ist gemäß der Erfindung dadurch wie beispielsweise beim Betrieb eines Schiebergekennzeichnet, daß die Basis eines zur Steuerschal- registers, in welchem der gleiche Taktimpuls sowohl tung gehörenden Transistors an den Verbindungs- als Schiebeimpuls und als Tastimpuls verwendet wird pünkt^: eines Widerstandes, mit einem Kondensator ■. .. und auch in den Fällen, in denen der Impuls bei der kleiner Kapazität angeschlossen ist, dessen andere 35 Koinzidenz nicht die berechnete Amplitude aufweist. Elektrode an Masse liegt und der durch einen Ein- Es sei angenommen, daß das Flipflop nach F i g. 1

gang der Steuerschaltung zugeführten Impuls über getastet worden ist, so daß der Transistor 10 Strom einen Widerstand aufgeladen wird, worauf der Kon- führt, und sein Kollektor eine Spannung von ungefähr densator durch einen dem Emitter des Transistors, 0,9 Volt und der Kollektor des Transistors 12 eine der den anderen Eingang des Schaltgliedes bildet, 40 Spannung von etwa 1,5 Volt aufweist. Wenn zu diezugeführten Impuls entladen und der dabei ent- sem Zeitpunkt ein Potential den beiden Eingängen stehende Entladestrom. im Transistor verstärkt und , 22,24 der Schaltglieder zugeführt wird, so daß diese vom Kollektor aus dem Verbraucher "zugeführt wird. Eingänge eine Spannung von 2,2VoIt aufweisen, Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weisen steigt die Spannung an der Basis des Transistors 32 die Eingänge der. Steuerschaltung entgegengesetzte 45,auf Grund der Diodenwirkung zwischen seinem Potentiale auf. ' " ^r '■ ^: Kollektor und seiner Basis auf ungefähr 2,2 Volt an,

während die Spannung an der Basis des Transistors 30 auf ungefähr 1,6 Volt ansteigt. Daher ist zu diesem Zeitpunkt die an der Basis des Transistors 30 mittels des Kondensators 34 gespeicherte Ladung gegenüber Masse geringer als die an der Basis des Transistors 32 auf Grund des Kondensators 36 gegenüber Masse gespeicherte Ladung. Wenn zu diesem Zeitpunkt auch den Emittern der Transistoren 30 und 32 Eingangsimpulse zugeführt werden, sinkt deren Spannung von 2VoIt oder mehr auf eine Spannung von 0,9VoIt ab, wie das in dem Kurvenverlauf für den zweiten Eingangsimpuls in der Fi g. 3 dargestellt ist, und nur der Transistor 32 führt Strom. Dadurch wird eine

Eingangsimpulse und die resultierenden Ausgangs- 60 Stromsteuerung des Flipflops bewirkt und sein Zuimpulse der Schaltung nach F i g. 2 zeigen. stand umgekehrt. Das Umschalten des Flipflops geht

Als eine Anwendung für das Schaltglied gemäß der aus den in F i g. 3 dargestellten Kurvenverläufen her-Erfindung ist das Tasten eines Flipflops gezeigt, ob- vor, unter denen der erste Kurvenverlauf den dem gleich die Erfindung nicht auf dieses Anwendungs- zweiten Eingang zugeführten Eingangsimpuls und beispiel beschränkt ist, sondern ein weites Anwen- 65 der zweite Kurvenverlauf den dem ersten Eingang dungsfeld in all den Fällen findet, in denen Schalt- zugeführten Eingangsimpuls darstellt. Der .dritte glieder verwendet werden. Kurvensatz zeigt die Kurvenverläufe an der Basis des

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Schaltglied-Transistors, wobei der Kurvenverlauf an

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen, von denen zeigt

F i g. 1 das Schaltbild eines Flipflops, bei dem die Erfindung realisiert wurde,

Fig. 2 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform eines FlipflopsV bei dem die Erfindung ebenfalls realisiert wurde,

F i g. 3 eine Reihe von Spannungsverläufen typischer Eingangsimpulse und den resultierenden Ausgangsimpulsen der Schaltung nach Fi g. 1,

F i g. 4 eine Anzahl Spannungsverläufe, die typische

Claims

,3 4

der Basis des Transistors 30 durch die ausgezogene die der andere, Inverter leitend gemacht wird und

Linie und der Kurvenverlauf an der Basis des Tran- seine Kollektorstufe auf eine Spannung voh 0,5 Volt

•sistors 32 durch die gestrichelte Linie dargestellt wird. gehalten wird. ,

Der vierte Satz zeigt die Spannungsverläufe an den Das Durchschalten eines Impulses erfolgt in ahn-Kollektoren der Kollektorstufen, wobei der Kurven- 5 licher Weise wie bei der vorher beschriebenen S,chalverlauf für den Transistor 12 die ausgezogene Linie ' tung, wobei der durchzuschauende Impuls über den und der Kurv.enverlauf für den Transistor 10 ge- Widerstand 62 bzw. 64 der Basis des Schaltgliedstrichelt dargestellt ist. Eine Steuerung auf Grund Transistors 66 bzw. 68 zugeführt wird. Die Kondendet Eigenschaften der Schaltung erfolgt durch die satoren 70 bzw. 72 mit kleinen Kapazitätswerten Schaltglied-Transistoren auf Grund des Spannungs- io sind mit der Basis des Schaltglied-Transistors und pegels, der den Kollektoren der Transistoren 10 und · mit Masse verbunden. Die Ausgangsspannung der 12 zugeführt wird, und dieser Spannungspegel be- nicht dargestellten Treiberstufe für die zweiten Einträgt normalerweise entweder 0,9 oder 1,5 Volt. gangsimpulse muß nicht auf 0,9 Volt gehalten werden,

Der dem zweiten Eingang zugeführte Eingangs- da die Pegel, bei denen der Koppelkondensator impuls ist so bemessen, daß sichergestellt wird, daß 15 arbeitet, Relativpegel sind, die auf die Basisspannung die Ausgangsspannung auf etwa 0,9 Volt fällt, jedoch vor 0,7VoIt bezogen sind, die erforderlich ist, um nicht darunter. Dies wird durch Kopplung des den Inverter leitend zu machen. Die Spannungsver-Emitters des Transistors 10 bzw. 12 mit der Basis des laufe für den Betrieb dieses Flipflops sind in der Ausgangstransistors 14 bzw. 16 und des Kollektors F i g. 4 dargestellt. Der erste Spannungsverlauf zeigt des Traneistors 10 bzw. 12 mit dem Kollektor des ao den Verlauf des Eingangssignals für die Treiberstufe Transistors 30 bzw. 32 erreicht, so daß die Ausgangs- für die dem zweiten Eingang zugeführten Eingangsspannung im wesentlichen die Summe der Kollektor- impulse und der zweite Spannungsverlauf gibt den Emitter-Spannung des Transistors 30 bzw. 32 und der Spannungsverlauf am ersten Eingang wieder. Der Basis-Emitter-Spannung des Ausgangstransistors 14 dritte Satz von Spannungsverläufen zeigt die Spanbzw. 16 darstellt. 35 nung an der Basis des Schaltglied-Transistors 66 bzw.

Die oben beschriebene Steuerwirkung sorgt für 68, wobei der Spannungsverlauf für den Transistor eine zufriedenstellende Betriebsweise der meisten An- 66 durch die ausgezogene Linie und der für den Wendungen. Bei einigen Anwendungen, jedoch ins- Transistor 68 durch die gestrichelte Linie dargestellt besondere in solchen Anwendungen, in denen eine ist. Der vierte Satz zeigt den Verlauf der Ausgangsgroße Anzahl von Eingangsimpulsen dem Flipflop 30 spannung an den Ausgangsklemmen 78, 80, wobei zugeleitet werden, können die beiden in F i g. 1 ge- der Spannungsverlauf am Ausgang 78 durch die gestrichelt dargestellten Dioden 42, 44 der Schaltung strichelte Linie und der am Ausgang 80 durch die hinzugefügt werden, um für eine bessere Steuerung ausgezogene Linie dargestellt ist. Eine Spannung von an den beiden Transistoren 30, 32 zu sorgen. Die 1,8 Volt, die der Basis des Transistors 66 über den Diode ist von der Basis des Transistors 30 bzw. 32 35 Widerstand 62 zugeführt wird, lädt diese Basis bis mit dem Kollektor des Ausgangstransistors 14 bzw. auf die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 50 auf 16 verbunden. Diese Ergänzung der Schaltung ver- und die Kollektor-Basisdiode des Transistors 66 auf ursacht, daß die Spannung an der Basis des nicht etwa 1,4 Volt. Während diese Ladung nicht ausreicht, ausgewählten Transistors 30 bzw. 32 unter 1,6 Volt um den Transistor 50 zu sperren, wird diese Ladung absinkt, die vorher für den Transistor 30 genannt 40 um den Stromverstärkungsfaktor des Transistors 66 wurde. Die Diode 42, die die Basis des Transistors 30 verstärkt, so daß das resultierende Signal leicht den mit dem Kollektor des Transistors 14 verbindet, be- Transistor 50 sperrt und dadurch den Zustand des wirkt dies, da der Transistor 14 zu dieser Zeit ge- Flipflops ändert.

sättigt ist und die kombinierten Spannungsabfälle die Über den Transistor 74 bzw. 76 wird der Konden-Spannung an der Basis auf etwa 1 Volt erniedrigen. 45 sator entladen. Der Wert des Eingangswiderstandes Dies stellt sicher, daß irgendein Überschwingen am 62 bzw. 64 des Schaltgliedes muß so gewählt werden, Ausgang der Treiberstufe für die dem zweiten Ein- daß der Strom, wenn die Basis eines Schaltgliedgang zugeführten Impulse keinen Tastimpuls oder Transistors eine Spannung von 1,4VoIt aufweist, eine Verzögerung der Steuerung und daher des Um- nicht ausreicht, um die Vorspannung an den Widertastens des Flipflops verursacht. 50 ständen 54 bzw. 56 zu überwinden, wenn keine

Das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung, das Steuerung erfolgt. Die Zeitkonstanten sind immer in der F i g. 2 dargestellt ist, gehört zu einer Schal- noch sehr klein im Vergleich zu bekannten Flipflops, tungsf amilie, die mit Spannungsänderungen von etwa und die Verwendung eines hohen Eingangswiderstan-1,7 oder 1,8 Volt arbeitet, und in dieser Schaltungs- des des Schaltgliedes ist der hohen Schaltgeschwinfamilie erfolgen alle Spannungsänderungen symme- 55 digkeit des Flipflops nicht abträglich. Eine in dieser trisch zu der Schwellwertspannung des in ihr verwen- Weise aufgebaute Schaltung arbeitete zuverlässig bei deten Siliziumtransistors, die etwa 0,6 oder 0,7 Volt einer Impulsdauer von 10 ns und einer Impulsbeträgt. In dieser Schaltungsfamilie ist kein Span- frequenz von 33 MH.
nungsteiler notwendig, um einen Inverter 50 bzw. 52

zu steuern, und lediglich der Serienwiderstand 54 60 Patentansprüche:
bzw. 56 der Kollektorstufe 58 bzw. 60, der mit den 1. Steuerschaltung für integrierte Schaltungen, Invertern verbunden ist, genügt, um diese so vorzu- dadurch gekennzeichnet, daß die Basis spannen, daß sie leiten oder sperren. Bei diesem eines zur Steuerschaltung gehörenden Transistors Flipflop sind die Kollektoren an eine höhere Span- (30 bzw. 32; F i g. 1) an den Verbindungspunkt nung angeschlossen, und der nichtleitende Inverter 65 eines Widerstandes (26 bzw. 28) mit einem Konweist eine Spannung von über 2 Volt auf, bis die densator (34 bzw. 36) kleiner Kapazität an-Kollektorstufe gesättigt ist und an ihrem Ausgang geschlossen ist, dessen andere Elektrode an Masse eine Spannung von 1,7 bis 1,8 Volt aufweist, durch liegt und der durch einen dem einen Eingang

(22 bzw. 24) der Steuerschaltung zugeführten Impuls aufgeladen wird, worauf der Kondensator durch einen dem Emitter (19 bzw. 20) des Transistors, der den anderen Eingang der Steuerschaltung bildet, zugeführten Impuls entladen und der dabei entstehende Entladestrom im Transistor verstärkt und vom Kollektor aus dem Verbraucher zugeführt wird.
2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Eingänge Potentiale entgegengesetzter Polarität aufweisen.
3. Steuerschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem durch den Emitter gebildeten Eingang negative Impulse und dem anderen Eingang positive Impulse zugeleitet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen