DE1100692B - Bistabile Schaltung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der bistabilen Schaltungen und bezieht sich im einzelnen auf eine bistabile Schaltung, in welcher Halbleiter mit negativen Widerständen benutzt werden.

Bistabile Schaltungen oder umschaltbare Stromkreise, in welchen impulsförmige Signale zur Wiedergabe binärer Informationen benutzt werden, sind bekannt und werden beispielsweise in weitem Umfang in Rechenmaschinen verwendet. Bei einer Art von Rechenmaschinen benutzt man bistabile Schaltungen, bei denen die Zahl 1 durch einen Impuls einer bestimmten Polarität, z. B. von positiver Polarität, wiedergegeben wird und die binäre Zahl 0 durch einen Impuls der umgekehrten Polarität, In Rechenmaschinen oder anderen Maschinen zur Verarbeitung von digitalen Informationen müssen diese Impulse unter Umständen viele Übertragungsglieder durchlaufen. Dabei werden die Impulse erheblich verzerrt. Ihre Amplitude kann dabei vermindert und ihre Anstiegsze't und Abfallszeit vergrößert werden, und zwar so weitgehend, daß die Impulse nicht mehr weiterverwendet werden können. Die Impulse werden daher wiederholt verstärkt.

Außerdem ist es in vielen Anwendungsfällen erforderlich, bistabile Schaltungen vorzusehen, die in einfädler und zuverlässiger Weise von ihrem einen .stabilen Zustand in ihren anderen stabilen Zustand umgeschaltet werden können. Diese Umschaltung findet jedesmal beim Einlaufen eines Eingangssignals statt, und zwar beispielsweise in Zählkreisen, in sogenannten Kippschaltungen, die durch einen Impuls angestoßen werden können, in verschiedenen logischen Schaltungen usw. Durch jedes Eingangssignal wird die Schaltung in ihren anderen stabilen Betriebszustand umgeschaltet.

Der Zweck der Erfindung besteht darin, eine verbesserte und vereinfachte bistabile Schaltung anzugeben.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung liefern gleichzeitig eine Verstärkung und stellen eine einfache t» Einrichtung zur Umkehr der Polarität der von einer bistabilen Schaltung gelieferten Ausgangssignale dar.

Gemäß der Erfindung ist eine bistabile Schaltung, gekennzeichnet durch zwei in Serie geschaltete Dioden, von denen jede entweder in einen stabilen Betriebszustand niedrigen Widerstandes oder in einen stabilen Betriebszustand hohen Widerstandes gebracht werden kann und von denen jede einen Ast negativen Widerstandes auf ihrer Betriebskennlinie zwischen den stabilen Zuständen besitzt; durch eine an diese Dioden angekoppelte Vorspannungsquelle, welche die eine Diode in den stabilen Betriebszustand hohen Widerstandes und die andere in den stabilen Betriebszustand niedrigen Widerstandes bringt, und durch Bistabile Schaltung

Anmelder:

Radio Corporation of America,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 27. Januar 1959

Arthur Wu-Nien Lo, Fords, N. J. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

eine an den Verbindungspunkt der beiden Dioden angekoppelte Steuersignalquelle, welche die Betriebszustände der Dioden durch Zuführung von Strömen geeigneter Amplitude in Durchlaßrichtung zu vertauschen vermag.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Erregerspannung von einer Impulsspannungsquelle geliefert, welche gleichzeitig Impulse entgegengesetzter Polarität den Halbleitern zuführt. Die Halbleiter stellen für diese Impulse Stromwege mit geringem Innenwiderstand dar. Ein Eingangssignal von geringer Leistung, welches einem beiden Halbleitern gemeinsamen Punkt zugeführt wird, bestimmt dann die Polarität eines Ausgangssignals von höherer Leistung, welches von diesem Punkt abgenommen werden kann. Auf diese Weise wird also auch eine Leistungsverstärkung erzielt.

Fig. 1 ist ein Schaltbild einer bistabilen Schaltung unter Verwendung einer einzigen Diode mit negativem Widerstand;

Fig. 2 zeigt die negative Widerstandskennlinie der Diode in Fig. 1 und' dient zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Schaltung;

Fig. 3 ist ein Schaltbild einer anderen bistabilen Schaltung unter Benutzung von zwei Dioden mit negativem Widerstand;

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Fig. 4 ist eine Darstellung der negativen Widerstandskennlinien der Dioden in Fig. 3 und dient zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Schaltung;

Fig. 5 ist ein Schaltbild einer verbesserten bistabilen Schaltung gemäß der Erfindung, und

Fig. 6 und 7 sind Darstellungen der negativen Widerstandskennlinien der Dioden in Fig. 5 und dienen zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Schaltung.

Jede Vorrichtung, welche in ihrer Kennlinie einen Ast negativen Widerstandes zwischen zwei Ästen von positivem Widerstand hat, kann zusammen mit einer Belastung als bistabile Schaltung verwendet werden. Fig. 1 zeigt eine derartige .Schaltung. Die Schaltung enthält eine Diode 10, deren negativer Widerstand durch die Vorspannung eingestellt werden kann. Diese Diode kann beispielsweise eine sehr hoch dotierte Halbleiterdiode, wie sie unter dem Namen Tunneldiode bekannt ist, sein. Die Diode 10 ist mit ihrer Anode 16 über einen Lastwiderstand 18 an die positive Klemme einer Batterie 14 angeschlossen. Die Kathode 12 der Diode 10 und die negative Klemme der Batterie 14 sind beide geerdet. Die Diode 10 ist somit in der Durchlaßrichtung vongespannt.

In Fig. 2 zeigt die Kurve 20 die Stromspannungskennlinie der Diode 10 und läßt erkennen, daß ein zwischen den punktierten Linien liegendes Gebiet 22 mit negativem Widerstand durch die angelegte Spannung ausgewählt werden kann. Die Kurve 20 wird durch Auftragen der Spannung an der Diode 10 als Funktion des durch die Diode hindurchtretenden Stromes erhalten.

Eine Belastungsgerade 24, deren Steilheit durch die Größe des Belastungswiderstandes 18 gegeben ist, schneidet die Kurve 20 in drei Punkten26, 28 und 30. Die Punkte 26 und 30 liegen auf positiven Widerstandsästen und sind stabile Betriebspunkte. Der Punkt 28 liegt auf dem Ast negativen Widerstandes und ist daher ein unstabiler Betriebspunkt. Die Schaltung ist daher bistabil, d.h. besitzt zwei stabile Zustände. Wenn die Schaltung sich in dem durch den Punkt 26 charakterisierten Zustand befindet, ist die Spannung an der Diode 10 verhältnismäßig niedrig, und man kann also sagen, daß die Diode sich in ihrem Zustand niedrigen Widerstandes befindet, während, wenn die Schaltung sich in dem durch den Punkt 30 charakterisierten Betriebszustand befindet, die Spannung an der Diode 10 verhältnismäßig hoch ist und man die Diode als im Zustand hohen Widerstandes befindlich bezeichnen kann.

Wenn man annimmt, daß der anfängliche Betriebszustand oder Ruhezustand der Schaltung der Punkt 26 ist, und wenn ein positiver Auslöseimpuls von genügender Amplitude in Reihe mit der Belastung auftritt, so geht die Schaltung sehr schnell in den Betriebspunkt 30 über. Dieser Zustand bleibt dann so lange erhalten, bis die Schaltung von außen neuerdings beeinflußt wird. Wenn im Punkt 30 ein negativer Auslöseimpuls in Reihe mit der Belastung auftritt, stellt sich die Schaltung wieder auf den Betriebspunkt 26 ein.

Eine weitere, in Fig. 3 dargestellte Schaltung enthält zwei in der Durchlaßrichtung vorgespannte Dioden mit negativen Widerstandskennlinien. Jede dieser Dioden bildet eine Belastung für die jeweils andere Diode. Die erste Diode 40 mit Kathode42 und Anode 46 wird durch den Anschluß der Kathode 42 an die negative Klemme einer Batterie 44 im Durchlaßsinne vorgespannt, wobei die positive Klemme dieser Batterie an Erde liegt. Die Anode 46 'der Diode 40 ist über einen Schalter 45 an die Serienschaltung einer zweiten . Diode 50 mit Kathode 54 und Anode 56 und einer Vorspannungsbatterie 52 angeschlossen. Die Diode 50 ist durch den Anschluß der Anode 55 an die positive Klemme der Batterie 52 ebenfalls im Durchlaßsinn vorgespannt, wobei die negative Klemme der Batterie 52 geerdet ist.'Die Kathode 54 der Diode 50 ist mit dem Schalter 45 verbunden.

Die Wirkungsweise dieser Schaltung läßt sich an Hand der Fig. 4 erläutern. Wenn der Schalter 45 offen

ίο ist und die Spannungsdifferenz zwischen Erde und der Anode 46 der ersten Diode 40 als Funktion des Stromes durch diese Diode gemessen wird (wobei man sich den Stromkreis der betrachteten Hälfte der Schaltung durch einen Lastwiderstand analog Fig. 1 geschlossen denkt), so erhält man die Kurve 56 in Fig. 4. Dies ist eine Kurve derselben Art wie in Fig. 2, ist jedoch in der Richtung 'der negativen Spannungsachse um einen durch die Batterie 44 gegebenen Betrag verschoben. Ebenso erhält man die Kurve 58 in Fig. 4, wenn man den Spannungsabfall zwischen Erde und der Kathode 54 der zweiten Diode 50 als Funktion des diese Diode durchsetzenden Stromes aufträgt. Die Kurve 58 ist in Richtung der positiven Spanntingsachse um einen duroh die Batterie 52 gegebenen Betrag verschoben.

Wenn die Dioden genau einander angepaßt sein würden, würde die Kurve 58 ein Spiegelbild der Kurve 56 darstellen.

Die Kurven 56 und 58 schneiden sich in drei Punkten, nämlich in den Punkten 60, 62 und 64. Der Schnittpunkt 62 liegt auf den Ästen negativen Widerstandes für beide Kurven 56 und 58 und stellt daher keinen stabilen Betriebszustand dar, während die Schnittpunkte 60 und 64 auf Ästen positiven Widerstandes liegen und daher stabile Betriebszustände sind. Bei Schließung des Schalters 45 kann die Schaltung sioh beliebig lange im Betriebszustand 60 oder 64 befinden, jedoch nicht im Betriebszustand 62. Wenn also der Schalter 45 geschlossen wird und ein Voltmeter zwischen Erde und dem beiden. Dioden gemeinsamen Punkt eingeschaltet wird, kann man eine Spannung von — V_b oder von + Vf, in Fig. 4 messen. Wenn die Schaltung vollkommen symmetrisch ist, ist der Betriebszustand entsprechend Punkt 60 oder 64 gleich wahrscheinlich. Jedoch kann durch einen äußeren Einfluß, beispielsweise durch eine Rauschspannung oder durch einen von außen zugeführten Auslöseimpuls, die Symmetrie leicht gestört werden und der Arbeitspunkt dadurch bestimmt werden. Dies geschieht in der Schaltung nach Fig. 5.

In Fig. 5 liefert ein Impulsgenerator 88 Impulse entgegengesetzter Polarität an zwei Dioden mit negativen Widerstandsästen, beispielsweise an zwei sehr hoch dotierte Halbleiterdioden, die als Tunneldioden bekannt sind. Diese Impulse besitzen die richtige Polarität, um die Dioden im Durchlaßsinn vorzuspannen. Die positiven Impulse 98 an der Klemme 96 und die negativen Impulse 90 an der Klemme 86 werden also der Kathode 82 der Diode 80 und der Anode 94 der Diode 92 zugeführt. Der Stromkreis dieser Dioden und der impulsförmigen Signalspannungsquelle 88 ist durch die Verbindung der Kathode 95 mit der Anode 84 geschlossen. Eine Eingangssignalquelle 100 liefert eine Information oder ein Umschaltsignal an die beschriebene Schaltung und ist über einen Isolationswiderstand 102 mit dem beiden Dioden gemeinsamen Punkt 104 verbunden. Ein Ausgangssignal wird von diesem Punkt 104 über einen Isolationswiderstand 106 an eine Ausigangsvorrichtung 108 geliefert. Diese Ausgangsvorrichtung kann beispielsweise eine logische Schaltung in einer Rechenmaschine sein. Damit die

Eingangssignalquelle 100 ihre Eingangssignale gerade vor der Zuführung der Erregersignale vom Impulsgenerator 88 liefert, kann man diese beiden Spannungsquellen geeignet gegeneinander synchronisieren.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 5 läßt sich an Hand der Fig. 6 und 7 erläutern. Die in Fig. 6 dargestellten Kurven beziehen sich auf den Fall, daß der Impulsgenerator 88 keine Impulse an die Dioden liefert. Die Kurven 110 und 112 zeigen die Stromspannungskennlinien der Dioden 80 und 92. Da die Dioden in den Stromkreis vom Punkt 104 aus gesehen in entgegengesetztem Sinn eingeschaltet sind, sind die Kurven 110 und 112 zueinander spiegelbildlich. Beim Fehlen der Erregerimpulse entsteht im Punkt 104 keine Ausgangsspannung. Der Punkt 104 liegt somit auf Erdpotential. Wenn der Impulsgenerator 88 in der Durchlaßrichtung wirksame Impulse an die Dioden liefert, liegen die Kennlinien so zueinander, wie in Fig. 7 dargestellt. Diese letztere Figur entspricht der oben beschriebenen Fig. 4. Durch die Zuführung der Impulse 90 und 98 an die Dioden 80 und 92 wird die Kurve 110 in Richtung der negativen Spannungsachse verlagert und die Kurve 112 in Richtung der positiven Spannungsachse. Dann bestehen, wie oben erläutert, nur zwei stabile Betriebspunkte, nämlich die Punkte 114 und 116. Aus den an Hand der Fig. 2 und 4 gegebenen Erläuterungen ergibt sich, daß der Punkt 114 einen Betriebszustand darstellt, bei welchem die eine Diode an niedriger Spannung liegt und die andere an hoher Spannung. Der Punkt 116 stellt den Betriebszustand dar, in welchem die Spannungen an den Dioden umgekehrt sind, d. h., daß die eine Diode jetzt eine hohe Spannung aufweist und die andere Diode eine niedrige Spannung. Der Schnittpunkt 118 ist ein unstabiler Betriebszustand. Wenn die Schaltung vollkommen symmetrisch ist, besteht gleiche Wahrscheinlichkeit, daß sich die Schaltung- auf den Betriebspunkt 114 oder auf den Betriebspunkt 116 einstellt. Die Eingangssignalquelle 100 liefert ein Signal geringer Leistung an den Punkt 104, kurz bevor die Erregerimpulse des Impulsgenerators 88 zugeführt werden. Die Polarität des Eingangssignals im Punkt 104 bestimmt dann die Polarität des Ausgangssignals.

Es wurde gefunden, daß die Leistung der Eingangssignalquelle zur Bestimmung der Polarität des Ausgangssignals nur ein kleiner Bruchteil der Ausgangsleistung sein muß. Wenn daher die Eingangssignalquelle synchron mit dem Impulsgenerator betrieben wird, wird durch einen Eingangsimpuls geringer Leistung ein Ausgangsimpuls hoher Leistung erzeugt. Die Eingangsleistung der Eingangssignalquelle 100 muß jedoch hoch genug sein, um einer unvermeidbaren Symmetrieaibweichung zwischen den Dioden 80 und 92 entgegenzuwirken. Unter diesen Umständen wird eine hohe Leistungsverstärkung erzielt.

Tunneldioden sind für die. beschriebene Schaltung !«sonders zweckmäßig, da sie sehr schnell umgeschaltet werden können und Schaltelemente mit nur zwei Klemmen darstellen, so daß die Schaltung sehr einfach wird.

Die beschriebene Schaltung erlaubt es also, mit einem Eingangssignal als Verblockungssignal den einen oder den anderen von zwei bestimmten Ausgangszuständen herzustellen, und ein Impulsgenerator liefert Erregersignale, um in der Schaltung eine Leistungsverstärkung zu erzielen.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Bistabile Schaltung, gekennzeichnet durch zwei in Serie geschaltete Dioden, von denen jede entweder in einen stabilen Betriebszustand niedrigen Widerstandes oder in einen stabilen Betriebszustand hohen Widerstandes gebracht werden kann und von denen jede einen Ast negativen Widerstandes auf ihrer Betriebskennlinie zwischen den stabilen Zuständen besitzt; durch eine an diese Dioden angekoppelte Vorspannungsquelle, welche die eine Diode in den stabilen Betriebszustand hohen Widerstandes und die andere in den stabilen Betriebszustand niedrigen Widerstandes bringt, und durch eine an den Verbindungspunkt der beiden Dioden angekoppelte Steuersignalquelle, welche die Betriebszustände der Dioden durch Zuführung von Strömen geeigneter Amplitude in Durchlaßrichtung zu vertauschen vermag.

2. Bistabile Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode der einen Diode und die Kathode der anderen Diode an einer gemeinsamen Klemme liegen, an die die Steuersignalquelle zur Zuführung der Steuerimpulse so angekoppelt ist, daß ein zugeführter, positiver Impuls die eine Diode in einen stabilen Zustand hohen Widerstandes und die andere in einen stabilen Zustand niedrigen Widerstandes bringt und ein zugeführter negativer Impuls eine Vertauschung der stabilen Betriebszustände der beiden Dioden bewirkt.

3. Bistabile Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Abnahme eines Ausgangssignals an die gemeinsame Klemme angeschlossen ist.

4. Bistabile Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsquelle aus einem Impulsgenerator besteht, der gleichzeitig der Kathode der einen Diode negative Impulse und der Anode der anderen Diode positive Impulse zuführt, so daß ein Strom in der Flußrichtung beide Dioden durchsetzt; daß die Steuersignalquelle Impulse einer Verbindungsleitung zwischen der Anode der einen und der Kathode der anderen Diode gleichzeitg mit der Zuführung der positiven und der negativen Impulse der Vorspannungsquelle an die Dioden zuführt und daß die Polarität der Impulse an dieser Verbindungsleitung der Anode und der Kathode beider Dioden bestimmt, welche Diode ihren stabilen Betriebszustand hohen Widerstandes und welche Diode ihren stabilen Betriebszustand niedrigen Widerstandes einnimmt.

5. Bistabile Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitungsverbindung zwischen der Anode der einen Diode und der Kathode der anderen Diode besteht und daß Mittel zur Zuführung eines Impulssignals an diese Leitungsverbindung und zur Abnahme eines verstärkten Signals von dieser Leitungsverbindung vorgesehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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