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Die Erfindung betrifft einen Flipflop, bestehend aus einem Steuerflipflop
und einem komplementären Flipflop, dessen zu den Kipptransistoren des Steuerflipflops
komplementäre Kipptransistoren mit diesen über die Kollektoren paarweise verbunden
sind.
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Ein solcher Flipflop ist beispielsweise aus der Zeitschrift »Electronic
Design«, Nr. 15, 1967, S. 94 bis 97 bekannt. Es ist dort ein Flipflop mit geringer
Stromaufnahme beschrieben. In F i g. 1 der Zeichnung ist der von der Erfindung betroffene
Teil dargestellt. Der Flipflop besteht aus einem Steuerflipflop und einem komplementären
Flipflop, dessen Transistoren 3 und 4 zu den Transistoren 1 und 2 des Steuerflipflops
komplementär sind. Durch die Verbindung der Kollektoren jeweils zweier komplementärer
Transistoren sind die beiden Flipflops zu einem Gesamtflipflop zusammengeschaltet.
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Die Basen beider komplementärer Transistorpaare sind über je einen
Kondensator 5 bzw. 6 untereinander und über je einen Widerstand 7 bis 10 mit den
Kollektoren des anderen Paares verbunden. Die Kondensatoren 5 und 6 sind für das
Umschalten des komplementären Flipflops erforderlich. Die Widerstände 7 bis 10 begrenzen
den durch die Transistoren fließenden Strom.
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Die Forderung nach geringer Stromaufnahme des Flipflops bedingt hochohmigen
Widerstände. Soll aber die Schaltung integriert werden - wie es an sich beispielsweise
aus der deutschen Auslegeschrift 1208 764 bekannt ist, wo ein integrierbarer
bistabiler Kippschalter hoher Schaltfrequenz und hoher Schaltleistung beschrieben
ist, bei dem es allerdings nicht wie im vorliegenden Fall auf die geringe Stromaufnahme
ankommt -, dann sind der Größe dieser Widerstände Grenzen gesetzt. Ohmsche Widerstände
beanspruchen in integrierter Technik den weitaus größten Anteil der nutzbaren Fläche.
Den zweitgrößten Anteil beanspruchen Kondensatoren von der Größe der Kondensatoren
5 und 6. Es soll die Anzahl und die Größe dieser Bauelemente möglichst klein sein.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flipflop
nach dem an sich bekannten Komplementärprinzip zu schaffen, der bei minimaler Stromaufnahme
optimale Bedingungen für die integrierte, insbesondere monolithisch integrierte
Bauweise bietet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Flipflop der eingangs erwähnten
Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Emitter der Kipptransistoren 3 und 4
des komplementären Flipflops über je einen Widerstand 11 bzw. 12 an der Versorgungsspannung
liegen und daß die Basen der Kipptransistoren 1 bis 4 jeweils direkt mit den Kollektoren
entsprechend einer Flipflopschaltung verbunden sind.
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Damit die Unterschiede und Vorteile eines erfindungsgemäßen Flipflops,
insbesondere hinsichtlich der Stromaufnahme, gegenüber dem in F i g. 1 der Zeichnung
dargestellten bekannten Flipflop deutlich aufgezeigt werden können, sei auf die
F i g. 2 der Zeichnung hingewiesen. Dort ist ein dem Flipflop der F i g. 1 entsprechender,
erfindungsgemäßer Flipflop dargestellt. Es fehlen sowohl die Widerstände 7 bis 10
als auch die Kondensatoren 5 und 6. Dagegen besitzen die Transistoren 3 und 4 jeweils
einen Emitterwiderstand 11 bzw. 12.
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In jedem Schaltzustand des Flipflops sind zwei komplementäre Transistoren
leitend, und zwar jeweils die sich »gekreuzt« gegenüberliegenden Transistoren 2
und 3 oder 1 und 4. Ist beispielsweise der Transistor 3 leitend, fließt ein Gleichstrom
über den Emitter in den Transistor 3, verzweigt sich dort und fließt teils über
den Kollektor zur Basis des Transistors 2, teils über die Basis zum Kollektor des
Transistors 2. Vom Transistor 2 fließen beide Teilströme gemeinsam über dessen Emitter
ab. Der Gesamtstrom während eines Schaltzustandes wird in beiden Fällen, nach F
i g. 1 und F i g. 2, im wesentlichen getrieben von der Differenz aus der angelegten
Speisespannung und der Summe zweier Schwellspannungen (pn-übergänge der Emitterdioden
der leitenden Transistoren 2 und 3). Begrenzt wird der Gesamtsamtstrom im bekannten
Fall nach F i g. 1 von der Parallelschaltung zweier Widerstände 8 und 9. Bei einem
erfindungsgemäßen Flipflop nach F i g. 2 wird er nur von einem einzigen Widerstand
11 begrenzt. Nimmt man in beiden Fällen gleiche Stromaufnahme an, dann muß jeder
der Widerstände 7 bis 10 den doppelten Wert des Widerstandes 11 besitzen, weil je
zwei Widerstände immer parallel geschaltet sind. Als Gesamtwiderstandssumme benötigt
man dann also in der bekannten Ausführung den 4fachen Wert der Gesamtwiderstandssumme
der erfindungsgemäßen Ausführung, ein Verhältnis, das in der Integrier-Technik von
entscheidender Bedeutung ist. Umgekehrt nimmt bei gleicher Gesamtwiderstandssumme
die erfindungsgemäße Ausführung eines Flipflops den 4. Teil des Stromes auf, den
die bekannte Ausführung aufnimmt. Beim bekannten Flipflop nach F i g. 1 kann bei
hohen Schaltgeschwindigkeiten während des Umschaltens kurzzeitig ein erheblicher
Querstrom über die Kipptransistoren 1 und 3 bzw. 2 und 4 fließen, der durch keine
Widerstandselemente begrenzt wird. Demgegenüber stellen die Widerstände 11 und 12
des erfindungsgemäßen Flipflops nach F i g. 2 auch für diese Ströme eine Begrenzung
dar.
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Bei dem erfindungsgemäßen Flipflop nach F i g. 2 sind die Transistoren
direkt miteinander gekoppelt. Dadurch wird eine schnelle Spannungssteuerung ermöglicht,
die bei dem bekannten Flipflop nach F i g. 1 nur durch die beiden Kondensatoren
5 und 6 erreicht wird. Man erspart sich also beide Kondensatoren, ein Vorteil, der
in der Integriertechnik fast ebenso wichtig ist wie eine Widerstandseinsparung.
Beides gibt einem erfindungsgemäßen Flipflop eine besonders gute Eignung für monolithisch
integrierten Aufbau.
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An Hand eines in der F i g. 3 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
soll eine günstige Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Flipflops erläutert werden.
Dabei ist die Möglichkeit gezeigt, einen erfindungsgemäßen Flipflop als integrierbaren
binären Frequenzteiler zu verwenden.
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Die paarweise verbundenen Kollektoren der Kipptransistoren 1 bis 4
des Flipflops nach F i g. 2 sind hier nicht direkt verbunden, sondern über jeweils
eine in Durchlaßrichtung der Emitterdioden gepolte Diode 13 bzw. 14. Die Transistoren
1 bis 4 nach F i g. 1 und 2 sind hier zum Unterschied zu den weiteren Transistoren
Kipptransistoren genannt. Die Kipptransistoren 3 und 4 des komplementären F1ipflops
besitzen wie in F i g. 2 je einen Emitterwiderstand 11 bzw. 12. Den Kipptransistoren
1 und 2 des Steuerflipflops sind jeweils ein Steuertransistor 15 bzw. 16 gleichen
Typs parallelgeschaltet, d. h., die Kollektoren und die Emitter sind jeweils untereinander
verbunden.
Von dem dadurch gemeinsamen Kollektoranschluß führt jeweils eine in Durchlaßrichtung
der Emitterdioden gepolte Diode 17 bzw. 18 zur Basis des Steuertransistors 19 bzw.
20. An diese Basis sind außerdem angeschlossen jeweils ein Kondensator 19 bzw. 20,
über den die Ansteuerimpulse eingespeist werden, und jeweils der Kollektor eines
Transistors 21 bzw. 22, der ansonsten dem jeweiligen Kipptransistor
1 bzw. 2 parallelgeschaltet ist und vom gleichen Typ ist. Die freien Anschlüsse
der Kondensatoren 19 und 20 sind bei der vorliegenden Anwendung eines
erfindungsgemäßen Flipflops als binärer Frequenzteiler zu einem einzigen Eingang
verbunden. Der Ausgang liegt am Kollektor eines der beiden Kipptransistoren
1 und 2.
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Die Dioden 13 und 14 sind zum Herabsetzen der wirksamen
Speisespannung vorgesehen. Die den Strom bewirkende Spannung vermindert sich dadurch
um eine weitere Schwellspannung. Dadurch kann bei gegebener Speisespannung ohne
zusätzlichen ohmschen Widerstand der Strom verringert werden. Bei einem angenommenen
Schaltzustand des Flipflops, wenn beispielsweise die Kipptransistoren 2 und 3 leitend
sind, ist auch der Transistor 22 leitend. Der Strom fließt wie bei F i g. 2 beschrieben,
jetzt zusätzlich durch die Dioden 13 und 14 und durch die Emitterdiode des Transistors
22. Dadurch wird die Basis des Steuertransistors 16 annähernd auf Nullpotential
gelegt, so daß ein in diesem Schaltzustand des Flipflops erfolgender positiver (wenn
die Kipptransistoren 1 und 2 vom npn-Typ sind) Eingangsimpuls, der über den Kondensator
20 übertragen wird, den Steuertransistor 16 nicht leitend machen kann. Dieser Eingang
des Flipflops ist also gesperrt. Der andere Eingang aber ist geöffnet, da der Transistor
21 nichtleitend ist und ein positiver Eingangsimpuls an der Basis des Steuertransistors
15 nicht kurzgeschlossen wird. In dieser Weise ist bei jedem positiven Eingangsimpuls
abwechselnd ein Eingang des Flipflops gesperrt, so daß der Wechselrhythmus des Flipflops
die halbe Frequenz der Eingangsspannung besitzt. Am Ausgang erscheint die Eingangsfrequenz
binär geteilt.
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Ein besondere Vorteil dieser Ausgestaltung der Erfindung wird durch
die Dioden 17 und 18 bewirkt. Während des oben angenommenen Schaltzustandes
des Flipflops liegt zwischen Kollektor und Emitter des nichtleitenden Steuertransistors
15 eine Spannung in der Höhe der Schwellspannung des Kipptransistors 2. Die Diode
17 und die Emitterdiode des Steuertransistors 15 wirken für dessen Basis wie ein
hochohmiger Spannungsteiler. Angenommen, beide Dioden besitzen die gleiche Schwellspannung
wie der Steuertransistor 2, dann werden beide unterhalb ihrer Schwellspannung betrieben.
Sie führen aber einen sehr kleinen Strom, der ausreicht, der Basis des Steuertransistors
15 eine Vorspannung in Höhe der halben Schwellspannung zu geben. Gibt man
der Diode 17 durch eine im Vergleich zur Emitterdiode des Steuertransistors
15 unterschiedliche Dotierung oder durch eine entsprechend dem Flächenverhältnis
der beiden Dioden unterschiedliche Stromdichte eine geringere Schwellspannung, dann
wird diese Vorspannung größer. Man erreicht damit, daß zur Ansteuerung des Flipflops
eine sehr geringe Spannung ausreicht, um den jeweiligen Steuertransistor leitend
zu machen. Die Kondensatoren 19 und 20 können erheblich kleiner ausgelegt
werden. Dieser Vorteil wird der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe gerecht.
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Das Verkleinern der Kondensatoren 19 und 20
bietet den
zusätzlichen Vorteil, daß die Schaltgeschwindigkeit des Flipflops vergrößert wird.
Das bedeutet, daß die Frequenz, mit der angesteuert wird, erhöht werden kann. Wird
der Flipflop als binärer Frequenzteiler verwendet, kann man mehrere solche Teiler
hintereinander schalten. Die Ausgangsspannung einer Teilerstufe von der Größe der
Schwellspannung der Kipptransistoren 1 und 2 reicht aus, um die nächste
Teilerstufe anzusteuern, wenn deren erforderliche Eingangsspannung auf die oben
beschriebene Weise verringert wurde.
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Unabhängig von der vorliegenden Aufgabe, läßt sich die Maßnahme, durch
Verbinden des Kollektors mit der Basis eines Transistors mit einer in Durchlaßrichtung
der Emitterdiode gepolten äußeren Diode der Basis eine Vorspannung zu geben, in
weiterem Umfang verwenden. Bedingung ist nur, daß die bei nichtleitendem Transistor
zwischen Kollektor und Emitter stehende Spannung kleiner ist als die Summe der Schwellspannungen
der beiden Dioden. Dadurch sind beide Dioden noch nicht leitend, führen aber einen
sehr geringen Strom, der genügt, sie als hochohmigen Spannungsteiler wirken zu lassen.
Durch die Wahl der Dotierung oder durch eine entsprechend dem Flächenverhältnis
der beiden Dioden unterschiedliche Stromdichte kann in gewissen Grenzen des Spannungsteilerverhältnis
bestimmt werden.