DE1184381B - Bistabile Schaltungsanordnung, enthaltend einen Transistor und einer Tunneldiode - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 03 k

Deutsche Kl.: 21 al - 36/1»

Nummer: 1184 381

Aktenzeichen: R 29330 VIII a/21 al

Anmeldetag: 20. Dezember 1960

Auslegetag: 31. Dezember 1964

Die Erfindung betrifft eine bistabile Schaltungsanordnung (Flip-Flop), die einen Transistor und eine Tunneldiode enthält.

Es sind Flip-Flops bekannt, die zwei Transistoren enthalten. Solche Schaltungen sind zwar relativ preiswert, sie lassen jedoch hinsichtlich ihrer Stabilität und Arbeitsgeschwindigkeit zu wünschen übrig.

Es ist außerdem bekannt, daß man eine Tunneldiode, die bekanntlich eine etwa N-förmige Kennlinie hat, so vorspannen kann, daß in einem bei niedrigen Spannungen liegenden Bereich positiven Widerstandes und einem bei höheren Spannungen liegenden Teil positiven Widerstandes der Kennlinie je ein stabiler Arbeitspunkt existiert. Solche bistabilen Schaltungen mit einer einzigen Tunneldiode arbeiten zwar sehr schnell, sie besitzen jedoch den schwerwiegenden Nachteil, daß Eingangs- und Ausgangsklemme zusammenfallen und daß die Signalfortpflanzungsrichtung nicht eindeutig festliegt.

Es ist ferner eine Schaltungsanordnung zum Durchschalten einer Wechselspannung oder von Impulsen mit einer Halbleiterdiode mit negativem Widerstandsteil vorgeschlagen worden, die im Basis-Emitter-Kreis eines Schichttransistors liegt. Die Diode ist über einen Widerstand derart vorgespannt, daß sie zwei stabile Betnebszustände anzunehmen vermag, bei denen die Spannung an der Diode einen relativ kleinen bzw. relativ großen Wert hat. Der Diode sind Steuerimpulse zuführbar, die sie abwechselnd in den Zustand kleiner und den Zustand größerer Spannung schalten. Der Transistor wird dadurch leitend oder gesperrt, so daß ein an seinem Eingangskreis liegendes Signal auf den Ausgangskreis übertragen werden kann oder nicht. Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung hat zwar zwei verschiedene stabile Zustände, sie stellt jedoch einen Schalter dar. der einen Übertragungsweg durchzuschalten oder zu unterbrechen gestattet.

Es sind ferner frei schwingende Multivibratoren bekannt, die zwei Tunneldioden enthalten. Diese Schaltungsanordnungen sind relativ aufwendig, da die Tunneldiode ein verhältnismäßig teures Schaltungselement darstellt.

Durch die Erfindung soll eine bistabile Schaltungsanordnung angegeben werden, die eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit hat, ferner die bei Transistorschaltungen störenden Drifteffekte vermeidet und nur eine einzige teure Tunneldiode und im übrigen relativbillige Transistoren und gewöhnliche Dioden benötigt.

Eine bistabile Schaltungsanordnung, enthaltend einen Transistor mit einer Steuerelektrode, einer Bistabile Schaltungsanordnung, enthaltend
einen Transistor und eine Tunneldiode

Anmelder:

Radio Corporation of America,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,

München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:
Wilbur Albert Miller, Levittown, Pa.;
Jack Young Robertson,
Collingswood, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 13. Januar 1960 (2248)

Ausgangselektrode und einer dritten Elektrode, eine zwischen die Steuerelektrode und die dritte Elektrode des Transistors geschaltete Tunneldiode, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Vorspannung für die Tunneldiode, die stabile Arbeitspunkte in zwei verschiedenen Bereichen positiven Widerstandes der Kennlinie der Tunneldiode ermöglicht, und eine Eingangsklemme zur Zuführung von Umschaltimpulsen, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Eingangsklemme und einen Anschluß der Tunneldiode ein mit einem ersten Richtleiter in Reihe geschalteter erster Kondensator und zwischen die Eingangsklemme und einen zweiten Anschluß der Tunneldiode ein mit einem zweiten Richtleiter in Reihe geschalteter zweiter Kondensator geschaltet ist. ^:

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Gleichstromkopplung zwischen der Ausgangselektrode des Transistors und einem dem ersten Kondensator und dem ersten RicMeiter gemeinsamen Schaltungspunkt vorgesehen. Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung enthält die Schaltungsanordnung zur Erzeugung der Vorspannung für die Tunneldiode einen Kondensator.

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Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung dem Sperrpegel, und die Spannung an der Ausgangs-

näher erläutert werden. Es zeigt klemme 80 beträgt annähernd — V_c.

F i g. 1 ein Schaltbild einer bistabilen Schaltungs- Ein den Eingangsklemmen 90 zugeführter positiver

anordnung gemäß der Erfindung mit symmetrischer Stromimpuls 108 kann unter diesen Umständen die

Tastung, 5 hohe, durch die Spannung — V_c am Kollektor 46

Fig. 2 eine Kennlinie einer Tunneldiode, an erzeugte Sperrspannung an der Diode 92 nicht überHand derer die Arbeitsweise der in F i g. 1 dar- winden. Die andere Diode 98 ist jedoch nicht in gestellten Schaltungsanordnung erläutert wird, und Sperrichtung vorgespannt und der Eingangsimpuls 1OS

Fig. 3 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungs- kann sie zur Kathode 60 der Tunneldiode 12 durchform der Erfindung. io laufen. Durch diesen Eingangsimpuls wird der die

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der Tunneldiode 12 durchfließende Strom plötzlich her-

Erfindung ist ein Flip-Flop mit einem Eingang. Die abgesetzt.

Schaltung enthält einen PNP-Transistor 44 mit KoI- Die Amplitude des positiven Stromimpulses 108 lektor 46, Basis 48 und Emitter 50. Der Kollektor ist so bemessen, daß die Belastungsgerade so weit 46 ist über einen Widerstand 52 mit einem Pol — V_c 15 nach unten verschoben wird (Stellung 38 in F i g. 2), einer Spannungsquelle verbunden. Der Emitter 50 daß kein Schnittpunkt mit dem bei höheren Spanliegt auf einem Bezugspotential, beispielsweise Masse. nungen liegenden Ast c-d positiven Widerstandes der Die Anode 56 einer Tunneldiode 12 ist über einen Kennlinie mehr existiert. Der Arbeitspunkt der Tun-Widerstand 58 an eine Vorspannung + V_B an- neldiodel2 springt daher in den Kennlinienbereich geschlossen. Die Kathode 60 der Tunneldiode 12 20 a-b positiven Widerstandes, der bei niedrigen Span* liegt über einen Widerstand 62 an einer Vorspannung nungen liegt, und der Arbeitspunkt stabilisiert sich — F₄. Die Betriebsspannungen können beispielsweise schließlich nach Abklingen des EiEgangsimpulses M von nicht dargestellten Batterien geliefert werden. Schnittpunkt 22 der Kennlinie 10 mit der Belastungs-

Die Basis 48 des Transistors 44 ist an einen Ver- geraden 20 (»Niederspannungszustand«). Die Vorbindungspunkt 64 zwischen dem Widerstand 58 und 25 Spannungsschaltung für die Tunneldiode ist so beider Anode 56 der Tunneldiode 12 angeschlossen, messen, daß das Potential der Anode 56 unterhalb

Das Flip-Flop ist durch positive Impulse 108 des Massepotentials liegt, wenn die Tunneldiode 12

steuerbar, die seinen Emgangsklemmen 90 von einer im Niederspannungszustand arbeitet.

Impulsquelle 88 zugeführt werden. Wenn das Potential an der Basis 48 unter das

Die eine der Klemmen 90 ist geerdet. Die Anode 30 Massepotential absinkt, beginnt der Transistor 44 56 der Tunneldiode 12 ist mit einem Anschluß eines Strom zu führen. In der Praxis wird die Spannung nur in einer Richtung Strom führenden Schalt- an der Basis 48 so weit abgesenkt, daß der Tranelementes verbunden, das hier als Diode 92 dar- sistor44 im stark leitenden Zustand, beispielsweise gestellt ist. Der andere Anschluß der Diode 92 ist der Sättigung, arbeitet; die Spannung an der Auserstens über einen Kupplungskondensator 94 mit der 35 gangsklemme 80 erhöht sich dann annähernd auf nicht geerdeten Eingangsklemme 90 und zweitens Massepotential. Der Transistors 44 stellt in gewisser über einen Widerstand 96 mit dem Kollektor 46 des Hinsicht eine Stromquelle für die Tunneldiode 12 Transistors 44 verbunden. Die Kathode 60 der Tun- dar, da der Basisstrom die Tunneldiode 12 durchneldiode 12 ist an eine Klemme eines anderen Rieht- fließt. Die dadurch bewirkte Erhöhung des die Tmxleiters 98 angeschlossen. Der andere Anschluß des 40 neldiode 12 durchfließenden Stromes verschiebt den zweiten Richtleiters 98 liegt an einem Verbindungs- Arbeitspunkt der Tunneldiode etwas längs der punkt 100. Zwischen diesen Verbindungspunkt 100 Kennlinie 10 nach oben, beispielsweise bis zum und die nicht geerdete Eingangsklemme 90 ist ein Punkt 32 (Fig. 2). Der Punkt 32 stellt also den Kondensator 102 geschaltet. Ein dritter Richtleiter stabilen Arbeitspunkt der Diode 12 dar, wenn der 104 liegt zwischen dem Verbindungspunkt 100 und 45 Transistor-44 leitet.

Masse. Die Richtleiter 92, 98 und 104 können bei- Durch den Anstieg des Kollektorpotentials wird

spielsweise Kristalldioden sein. Die Dioden 92 und die in Sperrichtung wirkende Vorspannung an der

98 liegen in Flußrichtung zwischen der Impulsquelle Diode 92 weitgehend abgebaut, sie kann schließlich

88 und dem Transistor 44 und werden also durch sogar in Flußrichtung vorgespannt werden. Dei

den Eingangsklemmen 90 zugeführte positive Strom- 50 nächste positive Eingangsimpuls 108 beaufschlagt

impulse 108 in Flußrichtung beaufschlagt. Die beide Dioden 92, 98 in Flußriehtung. Die Kapazität

Anode 110 der Shunt-Diode 104 liegt an Masse, des Kondensators 94 ist jedoch größer, als die des

diese Diode dient zur Entladung des Kondensators Kondensators 102, so daß die Zeitkonstante des

102. Die Kapazität des Kondensators 94 wird größer, Kondensators 94. und des Widerstandes 62 gröB#·

beispielsweise doppelt so groß, als die Kapazität des 55 ist als die Zeitkonstante des Kondensators 102 'uncT" ~

Kondensators 102 gewählt. des Widerstandes 62. Das durch den Kondensator Si

Die Werte der Widerstände 58, 62 und der Vor- eingekoppelte positive Signal ist daher länger wirk-

spannungen — V_A und + V_B werden so bemessen, kam als das über den Kondensator 102 eingekuppelte

daß sich eine Arbeitsgerade 20 (Fig. 2) für die Signal. Der positive Eingangsimpuls an der Anode

Tunneldiode 12 ergibt, die die Diodenkennlinie 10 in 60 56 der Tunneldiode 12 erhöht den Stromfluß durch

den Punkten 22, 24, 26 schneidet. Die Schaltung die Diode 12, so daß die Belastungsgerade über den

wird ferner so bemessen, daß das Potential der Punkt b der Kennlinie 10 gehoben wird, z. B. in die

Anode 56 der Diode und damit der Basis 48 des Lage 36. Der Arbeitspunkt der Tunneldiode 12

Transistors gegenüber Masse etwas positiv ist, wenn springt dann in den Hochspannungszustand, etwa

sich der Arbeitspunkt der Diode im oberen Kenn- 65 den Schnittpunkt 34 der Belastungsgeraden 36 mit

linienbereich positiven Widerstandes (»Hochspau- dem Kennlinienast c-d positiven Widerstandes. Nach

nungszustand«) befindet. Unter diesen Voraussetzun- Abklingen des Impulsse nimmt die Belastungsgerade

gen liegt die Vorspannung des Transistors 44 unter wieder die Ruhelage 20 ein. Durch das Entladen des

Kondensators 94 kann ein geringfügiges Überschwingen unter den Punkt 24 eintreten, das sich jedoch durch geeignete Wahl der Zeitkonstanten klein halten läßt.

Die Eingangsimpulse 108 werden also durch die Dioden 92, 98 geleitet.

Nach Abklingen des zweiten positiven Eingangsimpulses ist der Transistor 44 gesperrt. Das Flip-Flop schaltet also bei jedem positiven Eingangsimpuls 108 um. ίο

F i g. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, das im wesentlichen der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung entspricht, mit der Ausnahme, daß die im Eingang liegenden Kopplungskondensatoren 102, 102' gleiche Kapazitätswerte haben. Außerdem ist dem Vorspannungswiderstand 58 ein Kondensator 114 parallel geschaltet.

Wenn die Tunneldiode 12 im Hochspannungszustand arbeitet, liegt das Potential des Kollektors 46 nahe bei — V_c. Die Diode 92 ist daher stark in Sperrichtung vorgespannt. Ein den Eingangsklemmen 90 zugeführter positiver Impuls kann unter diesen Umständen die obere Diode 92 nicht in den leitenden Zustand aussteuern. Die untere Diode 98 wird jedoch von dem Eingangsimpuls in den Flußbereich ausgesteuert. Der durch den Kondensator 102 eingekoppelte Eingangsimpuls 108 verringert den Stromfluß durch die Tunneldiode 12 kurzzeitig stark, und der Arbeitspunkt der Tunneldiode 12 springt in den Niederspannungszustand.

Der Überbrückungskondensator 114 im Vorspannungskreis bildet eine kleine Impedanz für die dem Eingang 90 zugeführten Impulse 108. Man kann annehmen, daß ein Drittel des Ladestromes des Kondensators 102 nach oben (von der Kathode zur Anode) durch die Tunneldiode 12 fließt und daß zwei Drittel des Ladestromes nach unten durch den Widerstand 62 fließen. Ferner fließen ein Drittel des Ladestromes des oberen Kondensators 102' durch den Widerstand 58 und den Parallelkondensator 114 nach unten und zwei Drittel nach unten durch die Tunneldiode 12. Wenn beide Dioden 92, 98 leiten, fließt durch die Tunneldiode 12 ein resultierender Strom in der Höhe eines Drittels des Ladestromes nach unten. Dies ist dann der Fall, wenn ein Eingangsimpuls 108 zugeführt wird, während die Tunneldiode 12 im Niederspannungszustand arbeitet. Der resultierende, nach unten durch die Tunneldiode gerichtete Strom reicht aus, um die Tunneldiode 12 in den Hochspannungszustand zu schalten.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Bistabile Schaltungsanordnung, enthaltend einen Transistor mit einer Steuerelektrode, einer Ausgangselektrode und einer dritten Elektrode, eine zwischen die Steuerelektrode und die dritte Elektrode des Transistors geschaltete Tunneldiode, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Vorspannung für die Tunneldiode, die stabile Arbeitspunkte in zwei verschiedenen Bereichen positiven Widerstandes der Kennlinie der Tunneldiode ermöglicht, und eine Eingangsklemme zur Zuführung von Umschaltimpulsen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Eingangsklemme (90) und einen Anschluß der Tunneldiode (12) ein mit einem ersten Richtleiter (92) in Reihe geschalteter erster Kondensator (94, 102') und zwischen die Eingangsklemme und einen zweiten Anschluß der Tunneldiode ein mit einem zweiten Richtleiter (98) in Reihe geschalteter zweiter Kondensator (102) geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Gleichstromkopplung (96) zwischen der Ausgangselektrode (46) des Transistors (44) und einem dem ersten Kondensator (94, 102') und dem ersten Richtleiter (92) gemeinsamen Schaltungspunkt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung zur Erzeugung der Vorspannung für die Tunneldiode (12) einen Kondensator (114) enthält.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1131736;
»Electronics«, 27. 11. 1959, S. 64.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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