DE1161582B - Schaltungsanordnung zur Umkehrung binaerer Signale - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KL: H 03 k

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 21 al-36/18

J 21247 VIII a/21 al
3. Februar 1962
23. Januar 1964

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Umkehrung binärer Signale mit Bauelementen mit negativer Widerstandskennlinie, insbesondere mit Tunneldioden.

Eine Umkehrstufe wird bei logischen Schaltungen zur Umkehr des binären Wertes eines Eingangssignals in ein Ausgangssignal mit umgekehrtem binären Wert verwendet. Ist das Eingangssignal z. B. ein Signal mit Massepotential und stellt eine binäre »1« dar, dann ist das Ausgangssignal bezüglich Masse negativ und stellt eine binäre »0« dar, und umgekehrt. Es sind bereits logische Umkehrstufen mit Röhren, Transistoren und Magnetkernen bekannt. Seit nun Tunneldioden als Bauelemente logischer Schaltungen verwendet werden, ist es erwünscht, eine Umkehrstufe zur Verfügung zu haben, die mit anderen logischen Baugruppen mit Tunneldioden zusammenarbeiten kann und die den Vorteil einer hohen Arbeitsgeschwindigkeit bei kleinen Betriebsspannungen aufweist.

Es ist der Zweck der Erfindung, eine solche Umkehrstufe anzugeben. Die Erfindung enthält einen ersten und einen zweiten Zweig, die je ein Bauelement mit negativem Widerstand in Reihe mit einem normalen Widerstand enthalten. Binäre Eingangssignale, die auf den ersten Zweig gegeben werden, beeinflussen den Wert des negativen Widerstandes in diesem Zweig, der wiederum den negativen Widerstand im zweiten Zweig steuert. Man erhält ein Ausgangssignal des zweiten Zweiges, das die logische Umkehr des Eingangssignals ist.

Die Schaltungsanordnung zur Umkehrung binärer Signale ist gekennzeichnet durch eine Parallelschaltung zweier Stromkreise, die je eine Reihenschaltung von Widerstand und negativem Widerstand enthalten, und bei der an dem ersten gemeinsamen Punkt der Parallelschaltung, an dem außerdem die Stromquelle liegt, jeweils der Widerstand des Eingangskreises mit der Diode des Ausgangskreises zusammengeschaltet ist, durch eine erste Eingangsklemme am Verbindungspunkt der Bauelemente des Eingangskreises und eine zweite Eingangsklemme am zweiten gemeinsamen Punkt der Parallelschaltung und schließlich durch eine Ausgangsklemme am Verbindungspunkt der Bauelemente des zweiten Kreises.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Arbeitskennlinie einer Tunneldiode,

F i g. 2 eine logische Umkehrstufe gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine andere Umkehrstufe gemäß der Erfindung.

Schaltungsanordnung zur Umkehrung
binärer Signale

Anmelder:

International Standard Electric Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,

Stuttgart W, Rotebühlstr. 70

Als Erfinder benannt:

Ernest Henri Paul Bigo, Nutley, N. J.,

Peter Pleshko, Bronx, N.Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 14. Februar 1961

(Nr. 89 290)

Eine Tunneldiode ist ein Bauelement mit negativem Widerstand in einem Teil der Kennlinie. In der F i g. 1 ist das Betriebsverhalten einer Tunneldiode als Kurve des Tunneldiodenstromes (/) über der Spannung (V) gezeigt. Der Teil der Kennlinie mit negativer Widerstandscharakteristik liegt in dem Bereich zwischen dem Hügelpunkt A, an dem die Spannung und der Strom V₁, bzw. I_p bezeichnet sind, und dem Talpunkt B, an dem die Spannung und der Strom mit V_v bzw. /_v bezeichnet sind. Der Ausdruck »negativer Widerstand« wird von der Tatsache abgeleitet, daß im Bereich zwischen den beiden Punkten bei abnehmender Spannung eine Zunahme des Stromes auftritt.

Wird die Tunneldiode in Reihe mit einem Widerstand mit der Kennlinie 2 betrieben, so hat die Tunneldiode zwei stabile Arbeitspunkte bei A und B, die durch einen instabilen Bereich getrennt sind. Ist die Tunneldiode auf den Punkte vorgespannt und wird mit einem Stromimpuls geschaltet, kann man erreichen, daß sie auf den Punkt B umschaltet. Für die Tunneldiode, deren Kennlinie in der Fig. 1 gezeigt ist, ist eine Schaltspannung V_s notwendig, um einen Strom /„ durch die Tunneldiode und den Reihenwiderstand hervorzurufen. Wenn der Strom I„ in der Tunneldiode erreicht ist, schaltet diese vom Punkte zum PunktZ? um, und der Widerstand der

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Tunneldiode nimmt von R_u, = V₁JI₁₁ auf R,_d = V_v/I_v ab. Dieser Wert beträgt bei einer Germanium-Tunneldiode im allgemeinen etwa das 60fache des Widerstandes im Hügelpunkt. Es wird hier darauf hingewiesen, daß, wenn der Widerstand, der in Reihe mit der Tunneldiode liegt, größer als der Wert wäre, der durch die Kennlinie 3 dargestellt ist, die gleiche Schaltspannung F_x einen Strom zur Folge hat, der kleiner als /„ ist und der die Tunneldiode nicht umschalten würde.

Diese Kennlinie der Tunneldiode kann für eine logische Umkehrstufe ausgenutzt werden. In F i g. 2 ist eine logische Umkehrstufe gezeigt, die einen ersten und einen zweiten Zweig enthält, die mit C und D bezeichnet sind, wobei jeder der Zweige ein Bauelement mit negativer Widerstandskennlinie (Tunneldioden 4 und 5) in Reihe mit den normalen Widerständen 6 und 7 enthält. Eine Stromquelle 24 ist am einen Ende der Zweige angeschlossen, und das Ausgangssignal 22 wird an der Verbindungsstelle 21 des negativen Widerstandes 5 mit dem Widerstand 7 abgenommen. Die Stromquelle 24 kann eine Induktivität sein, deren Speienereigenschaften zur Erzeugung eines Schaltstromes verwendet werden können.

Der Widerstand 6 und die Tunneldiode 5 sind direkt mit der Spule 24 verbunden. Die Tunneldiode 4 ist direkt mit dem anderen Ende des Widerstandes 6 bei 17 verbunden, und der Widerstand 7 ist direkt mit der Tunneldiode 5 bei 21 verbunden. Ein Verzögerungsglied 19 ist mit der Tunneldiode 4 bei 16 und mit dem Widerstand 7 bei 20 verbunden. Die Tunneldioden 4 und 5 seien z. B. in ihren ersten stabilen Zuständen (Punkt A in der F i g. 1). Die Widerstände 6 und 7 sind gleich, wobei diese nur wenig größer als der Wert R_s sind, der erforderlich ist, um das Umschalten der Tunneldioden beim Anlegen der Schaltspannung V_s zu bewirken. Die Widerstände 6 und 7 können z. B. den Wert 1,1 · R_s haben. Dieser Wert ist wesentlich größer als der Widerstand der Tunneldioden im Zustand geringen Widerstandes, der dem Punkt B in der F i g. 1 entspricht.

Ein bekanntes Verfahren zur Darstellung binärer Informationen ist negatives Potential, z. B. — V_s, für die logische »0« und Massepotential für die logische »1«. Bei der Erfindung werden über eine geeignete Torschaltung »0«- und »!«-Eingangssignale in Form von negativen und Massepotentialen aufgenommen und in logische »1«- und »O«-Ausgangssignale umgekehrt.

Die binären Eingangssignale werden auf die Umkehrstufe über eine geeignete Eingangsstufe gegeben. Die Eingangsstufe ist ebenfalls beispielsweise mit Tunneldioden aufgebaut. Die Eingangsstufe 8 enthält zwei Tunneldioden 9 und 10, die durch einen Widerstand 11 getrennt sind. Befindet sich die Tunneldiode 9 im Zustand hohen Widerstandes, dann ist die Tunneldiode 10 im Zustand geringen Widerstandes, und umgekehrt, entsprechend dem angelegten Signal an der Leitung 12. Der Widerstandsunterschied zwischen dem Zustand hohen und geringen Widerstandes einer Tunneldiode liegt in der Größenordnung 60:1, so daß der Spannungsabfall an der Tunneldiode im Zustand geringen Widerstandes im Verhältnis zum Spannungsabfall an der Tunneldiode im Zustand hohen Widerstandes vernachlässigt werden kann.

Ein Schaltimpuls, z. B. — F₅, wird an dem Punkt 13 angelegt. Wenn an den Tunneldioden ein Signal von der Leitung 12 anliegt, so daß sich die Tunneldiode 10 im Zustand geringen Widerstandes befindet, dann nimmt das Potential am Punkt 14 den Wert — V_s an. Ist die Tunneldiode 10 im Zustand hohen Widerstandes und die Tunneldiode 9 im Zustand geringen Widerstandes, dann nimmt der Punkt 14 Massepotential an. DerZustand mit dem Potential — V_s am Punkt 14 bedeutet die logische »0«, und der Zustand mit Massepotential an diesem Punkt bedeutet die logische »1«. Der Spannungsimpuls — V_s gelangt über ein Verzögerungsglied 15, z. B. eine LC-Verzögerungsleitung, zum Punkt 16 der Umkehrstufe. Die geringe Verzögerung ist gleich der Schaltzeit der logischen Stufe 8, wodurch der Impuls — V_s am Punkt 16 gleichzeitig mit dem Potentialzustand am Punkt 14 auftritt. Der Punkt 14 ist mit dem Punkt 17 der Umkehrstufe durch die Diode 18 verbunden. Die Diode 18 würde sperren, wenn der Punkt 14 die Spannung — V_s aufweist, und kein Strom würde am Punkt 17 eingespeist; befindet sich jedoch der Punkt 14 auf Massepotential, dann leitet die Diode 18, und der Strom gelangt an den Punkt 17.

Die Eingangssignale zur Umkehrstufe sind damit: ein Spannungsimpuls — V_s am Punkt 16 und ein positiver Strom am Punkt 17 bei einer binären »1« und ein Spannungsimpuls — V_s am Punkt 16 und kein Strom am Punkt 17 bei einer binären »0«.

Wenn ein Eingangssignal entsprechend einer »0« auf die Umkehrstufe gegeben wird, dann ist der Widerstand 6 größer als R_s, und der Strom, der durch den Spannungsimpuls — V_s erzeugt wird, ist nicht groß genug, um die Tunneldiode 4 umzuschalten. Der Zustand der Umkehrstufe ändert sich damit nicht. Der Spannungsimpuls — V_s gelangt durch das Verzögerungsglied 19, das nachher noch näher beschrieben wird, zum Punkt 20. Da sich die Tunneldiode 5 im ersten stabilen Zustand befindet, ist ihr Widerstand wesentlich kleiner als der Widerstand? und kann vernachlässigt werden. Der Spannungsabfall des Impulses — V_s wirkt sich fast vollständig am Widerstand 7 aus, wobei der Punkt 21 etwa Massepotential annimmt entsprechend einer logischen »1«. Auf diese Weise wurde die Umkehr bewirkt, und der logische »1 «-Impuls steht an der Ausgangsleitung 22 zur Verfügung.

Wenn ein Eingangssignal entsprechend einer »1« auf die Umkehrstufe gegeben wird, d.h. wenn ein Spannungsimpuls — V_s auf den Punkt 16 gegeben wird und Strom am Punkt 17 anliegt, dann ist der Strom am Punkt 17 zusammen mit dem Strom, der durch den Spannungsimpuls — V_s am Punkt 16 hervorgerufen wird, genügend groß, um die Tunneldiode 4 umzuschalten. Wenn die Tunneldiode 4 umschaltet, befindet sie sich im Punkt B der Kennlinie, die in F i g. 1 gezeigt ist. Beim Umschalten steigt der Widerstand der Tunneldiode 4 von einem vernachlässigbaren kleinen Wert auf einen Wert, der wesentlich größer als der Widerstand 6 ist. Der Widerstand einer Germanium-Tunneldiode kann z.B. um den Faktor 60 zunehmen und wird dabei lOmal größer als R_s. Das Ansteigen des Widerstandes der Tunneldiode 4 verursacht ein steiles Absinken des Stromes zwischen dem Punkt 16 und dem Massepunkt 23. Dieser steile Stromabfall bewirkt eine Rückspannung in der Spule 24, die wiederum einen steilen Stromanstieg im Zweig der Tunneldiode 5 zur Folge hat.

Dieser Zweig ist der Zweig mit dem geringeren Widerstand, bei dem der Rückweg zur Masse über die Leitung 22 und einen Belastungswiderstand 27 erfolgt. Das Verzögerungsglied 19 verzögert den Spannungsimpuls — V_s am Punkt 20 um einen Betrag gleich der Zeit, die die Spule 24 benötigt, um den Stromanstieg in der Tunneldiode 5 zu bewirken. Das Verzögerungsglied 19 kann eine LC-Verzögerungsleitung sein. Mit dem zusätzlichen Strom erfolgt nun das Umschalten der Tunneldiode 5, wobei der Widerstand dieser Tunneldiode auf einen solchen Wert ansteigt, daß der Widerstand 7 sehr klein und vernachlässigbar dagegen ist. Der Spannungsabfall des Impulses — V_s liegt nun fast vollständig an der Tunneldiode 5, wobei der Punkt 21 und die Ausgangsleitung 22 das Potential — V_s annehmen, das der logischen »0« entspricht und die Umkehrung des logischen »1 «-Signals vom Eingang ist.

Es wurde gezeigt, daß der Umschaltvorgang der Tunneldioden in der Anordnung gemäß der Erfindung zur logischen Umkehr von binären Eingangssignalen bei hoher Arbeitsgeschwindigkeit und niederen Spannungen verwendet werden kann. Die Kapazität der Tunneldioden wurde vernachlässigt, da der kapazitive Scheinwiderstand der Tunneldiode vernachlässigbar im Verhältnis zu den betrachteten ohmschen Widerstandes ist. Die durch die Kapazität hervorgerufene Verzögerung könnte beim Schaltvorgang der Tunneldiode mitverwendet werden. Im vorliegenden Falle kann dieser Einfluß vernachlässigt werden, da die Impulsfolgefrequenz der Eingangsimpulse innerhalb gewisser Grenzwerte liegt.

Der Arbeitswiderstand 27 ist an Stelle eines beliebigen Verbrauchers eingezeichnet, dem die umgekehrten logischen Signale zugeführt werden. Manchmal ist es erwünscht, eine Reihe logischer Umkehrungen zu erzeugen, indem man eine Anzahl Umkehrstufen hintereinanderschaltet. Dabei wird das Ausgangssignal von der Leitung 22 auf einen dem Punkt 17 ähnlichen Punkt der folgenden Umkehrstufen gegeben, und der Schaltimpuls — V_s vom Punkt 20 wird an einen dem Punkt 16 ähnlichen Punkt der nachfolgenden Stufen gegeben, wodurch das binäre logische Signal umgekehrt und durch eine Anzahl solcher Umkehrstufen wieder zurückgewandelt werden kann. Die einzige Forderung für einen solchen Reihenbetrieb ist, daß der Strom, der auch von der Leitung 22 für die nächste Stufe entnommen wird, puls dem Strom, der durch den Widerstand 7 fließt, kleiner als der Spitzenstrom der Tunneldiode 5 ist. Ist diese Forderung nicht erfüllt, so erfolgt ein Umschalten der Tunneldiode 5 zu einem ungeeigneten Zeitpunkt.

In der F i g. 3 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bis der kein Verzögerungsglied erforderlich ist. Die Anordnung nach F i g. 3 ist identisch mit der nach Fig. 2, mit der Ausnahme, daß das Verzögerungsglied 19 fehlt und die Spule 24 durch eine Batterie 25 in Reihe mit dem Widerstand ersetzt ist. Die Wirkungsweise der Anordnung nach F i g. 3 unterscheidet sich nicht wesentlich von der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 2.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Umkehrung binärer Signale, gekennzeichnet durch eine Parallelschaltung zweier Stromkreise, die je eine Reihenschaltung von Widerstand und negativem Widerstand enthalten und bei der an dem ersten gemeinsamen Punkt der Parallelschaltung, an dem außerdem die Stromquelle liegt, jeweils der Widerstand des Eingangskreises mit der Diode des Ausgangskreises zusammengeschaltet ist, durch eine erste Eingangsklemme am Verbindungspunkt der Bauelemente des Eingangskreises und eine zweite Eingangsklemme am zweiten gemeinsamen Punkt der Parallelschaltung und schließlich durch eine Ausgangsklemme am Verbindungspunkt der Bauelemente des zweiten Kreises.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle eine Induktivität ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle die Reihenschaltung eines Widerstandes mit einer Batterie ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Eingangsklemmen (16, 17) eine Eingangsstufe (8) angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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