DE1537179A1

DE1537179A1 - Bistabile Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE1537179A1
Application number: DE19671537179
Authority: DE
Inventors: Karner Friedrich Anton
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1966-10-10
Filing date: 1967-10-07
Publication date: 1970-01-29
Also published as: GB1198133A; US3487235A

Description

Die Erfindung betrifft eine bistabile Schaltungsanordnung mit einem Transistor, zu dessen Basis-Emitterstrecke eine von einer Konstantstromquelle gespeiste Tunneldiode parallel geschaltet ist, und der in Abhängigkeit von den beiden umschaltbaren Schaltzuständen der Tunneldiode entweder gesperrt oder in Sättigung leitend ist.

Ein Anwendungsgebiet für derartige bistabile Schaltungsanordnungen ist beispielsweise die Prüfung logischer Schaltkreise. Dabei wird die Schaltungsanordnung dazu verwendet, d.en Eingängen der zu prüfenden logischen Schältkreise einer logischen 1 oder einer logischen 0 zugeordnete Spannungen zuzuführen. Diese Spannungswerte sind in Abhängigkeit von den zu prüfenden

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Schaltkreisen sehr unterschiedlich und liegen beispielsweise im Bereich von - 12 Volt. Ausserdem können die Unterschiede der Spannungswerte für eine logische 1 und eine logische 0 sehr unterschiedlich sein und beispieleweise 0, 5 Volt oder 12 Volt betragen. Auch die aufzubringenden Ströme können verhältnismässig hoch sein und beispielsweise 40 mA betragen.

Bei der Prüfung bestimmter Typen von logischen Schaltkreisen müssen die zugeführten Eingangs signale extrem kurze Anstiegs- oder Abfallzeiten aufweisen, die beispielsweise 10 Nanosekunden und weniger betragen.

Zieht man automatische Prüfmethoden in Betracht, so weise man, daß sich die Prüfgeschwindigkeiten ständig erhöhen. Eine Folge davon ist, daß auch die Schaltgeschwindigkeiten der prüfenden Schaltkreise ständig erhöht werden müssen.

Neben der grossen Schaltgeschwindigkeit ist «* andererseits erforder lich, in bestimmten Fällen den einen oder den anderen mit der bistabilen Schaltungsanordnung erzeugten Pegel während unterschiedlicher Zeitintervalle aufrechtzuerhalten. j

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Während dieserintervalle lassen sich dann eine oder mehrere Prüfungen vornehmen.

In dem hier beispielsweise umrissen^en Anwendungsgebiet ergeben sich für die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung folgende Bedingungen. Die Anstiegs- und Abfallzeiten der gelieferten Ausgangssignale müssen so kurz wie möglich und ausserdem nahezu gleich gross sein. Diese Zeiten sollten sich nicht ändern, wenn sich die Amplitude der Ausgangs signale ändert. Die Schaltungsanordnung sollte auch hinsichtlich der zu liefernden Ströme bestimmte Eigenschaften aufweisen.

Es ist bereits für das beispielsweise genannte» Anwendungsgebiet eine bistabile Schaltungsanordnung bekannt, die im wesentlichen aus einem Schalttransistor besteht, zu dessen Basis-Emitter-Strecke eine Tunneldiode parallel geschaltet ist. Die Tunneldiode bewirkt, daß der Transistor gesperrt oder in Sättigung leitend ist, wenn sich die Tunneldiode in ihrem einen oder in ihrem anderen Schaltzustand befindet. Der dem einen Schaltzustand entsprechende Spannungswert der Tunneldiode muss so hoch sein, daß der Transistor mit Sicherheit in die Sättigung gesteuert wird (DAS 1 135 038) .

Diese bekannte Anordnung erfüllt die aufgestellten Forderungen nur

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teilweise. Sie arbeitet insbesondere mit konstanten Betriebsspannungen. Der Tunneldiode und dem Transistor wird ein konstanter Strom zugeführt, um hinsichtlich der Schaltgeschwindigkeit ein Optimum zu erzielen. Diese bekannte Anordnung hat aber den Nachteil, daß infolge des zugeführten konstanten Stromes hinsichtlich der Ein- und Ausschaltzeiten nicht für alle Betriebsbedingungen optimale Ergebnisse erzielt werden. Die Höhe des konstanten Stromes muss notwendigerweise so gewählt sein, daß der Transistor auch bei der höchsten vorkommenden Betriebsspannung an Emitter und Kollektor in die Sättigung gesteuert werden kann. Da jedoch der Basis strom, der notwendig ist, um den Transistor in die Sättigung zu bringen, von der Höhe des Sättigungsstromes abhängig ist, ist er eine Funktion, der an den Transistor angelegten Betriebsspannung. Wenn der Strom so gewählt ist, daß er bei höheren Kollektor strömen die Sättigung bewirkt, dann ist er bei niedrigeren Betriebsspannungen so gross, daß die Abschaltzeiten des Transistors infolge der Ladungsträgerspeicherung in der Basis nicht mehr definiert ist.

Es ist das Ziel der Erfindung, die bekannte bislabile Schaltungsanordnung, bestehend aus einem Transietor mit einer zwischen Basis und Emitter angeschlossenen Tunneldiode, die an eine Konstantstromquelle angeschlossen ist, dahingehend zu verbessern, daß sie unabhängig von der an den Tran-

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sistor angelegten Betriebsspannung konstante Ein- und Ausschaltzeiten aufweist. Dabei aollen die sonstigen Eigenschaften der bekannten Schaltungsanordnung, insbesondere ihre Schaltgeschwindigkeit, erhalten bzw. verbessert werden.

Gemäss der Erfindung wird vorgeschlagen, daß an die Basis des Transistors zusätzlich zur Konstantstromquelle eine Regelstromquelle , angeschlossen ist, die in Abhängigkeit von der Differenz der an Kollektor und Emitter angeschlossenen und im weiten Bereich veränderbaren Betriebsspannungen (Vl und V2) stets einen solchen Strom liefert, daß der Transistor in einem Schaltzustand gerade in die Sättigung gebracht wird.

Insbesondere wird vorgeschlagen, daß die Regelstromquelle aus einem geeignet dimensionierten, an die Kollektor-Betriebsspannung (Vl) angeschlossenen Widerstand besteht.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß die Konstantstromquelle aus einer parallel zur Tunneldiode liegenden Serienschaltung eines Widerstandes und einer Zener-Diode besteht, wobei die Zener-Diode ausserdem Über einen Widerstand an eine Spannung angelegt ist, die sie bei jeder Betriebsbedingung im Zener-Gebiet hält.

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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung de« in der Zeichnung dargestellten Ausführung sbei spiel s.
Es zeigen :

Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemässen elek

tronischen Schalters und

Fig. 2 an einer Strom-Spannungscharakterietik die

Zusammenhänge, die die Funktionsweise des erfindungsgemässen Schalters wiedergeben.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, enthält der erfindungsgemässe Schalter einen Transistor 1, dessen Emitteranschluss an der Klemme 2 einer Betriebespannungsquelle liegt und dessen Kollektoranschluss über eine Induktivität 4 und einen Widerstand 5 an der Klemme 3 einer Betriebsspannungsquelle liegt. Der Kollektor anschluss liegt ausserdem an einer hochohmigen Last 30.

Die Spannungen V2 und Vl an den Klemmen 2 und 3 sind über einen weiten Bereich veränderlich. Beispielsweise werden die beiden Spannungen in einem bestimmten Anwendungsfall unter der Steuerung eines Computers so verändert, daß sie Werte zwischen + 12 Volt annehmen. Die Differenz

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zwischen beiden Spannungen kann dabei etwa zwischen 5/10 Volt und 12 Volt liegen. Ausscrdem sei angenommen, daß die Spannung Vl in Bezug auf die Spannung V2 stets positiv ist..

Zwischen den Klemmen 2 und 3 ist ein Kondensator 6 angeordnet, um irgendwelche Störungen im Ausgangskreis zu reduzieren.

Zwischen den Basis-Emitteranschlüssen des Transistors 1 liegt eine Tunneldiode 7. Eine die Tunneldiode und den Transistor spei sende Konsiantstromqui Ue H enthält einen ersten Widerstand 9 und eine Zener-Diode 10, die in Sei ienschaltung zwischen der Klemme 11 einer positiven Spannungsquelle und der Klemme 2 liegen. Dir Spannung an der Klemme Il ist positiver als die grössW- positive Spannung an der Klemme 2, und zwar um einen Bet ι ag, der grosser als die Durchbruchrpaniiung der Zener-Diode 1 0 in Rückwärtsrichtu^· ist« Wenn beispielsweise die höchste, an Klemme 2 vorkommende Spannung V2 ⁴ J-2 Volt beträgt und die Duichbruchspannunp der Zener-Diode bei * 10 Veit liegt, so wäre eine Spannung von -f 30 Volt an der Klemme 11 ein geeigneter Wert, der sicherstellt, daß die Zener-Diode stets im Durchbruchsgebiet betrieben wird.

Ein Widerstand 12 liegt in Serie zu der Parallelschaltung aus der Tunneldiode 7 und dem Basis-Emitter-Ühergang des Transistors 1. Diese Serieri-

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schaltung liegt parallel zur Zener-Diode 10. Die Zener-Diode liefert damit eine konstante Spannung an diese Serienschaltung. Da die maximale Spannung an der Parallelschaltung aus Tunneldiode 7 und Basie-Emitter-Übergang in der Gröeeenordnung von etwa 9/l0 Volt lieft und die Spannung an der Zener-Diode 10 Volt beträgt, bestimmt die Grosse des Widerstandes 12 die Höhe des der Tunneldiode und dem Basis-Emitter-Übergang zugeführten Stromes. Dieser Strom ist weitgehend konstant.

Die Tunneldiode und der Baeieanschluee des Transistors 1 sind über einen Widerstand 15 mit dem Anschluss 3 der Betriebs Spannungsquelle verbunden. Dieser Widerstand liefert einen Regelstrom für die Tunneldiode und den Basis-Emitter-übergang. Dieser Regelstrom ändert sich mit der Differenz der beiden Spannungen Vl und V2 an den Klemmen 3 und 2. Ist die Spannungsdifferenz Vl - V2 gross im Vergleich zum Spannungsabfall an der Tunneldiode, so sind die Spannungsänderungen an der Tunneldiode nicht so gross, daß sie merklich den über den Widerstand 15 gelieferten Träger strom beeinflussen. Der Regelstrom ist etwa gleich der Spannungsdifferenz Vl - V2 geteilt durch den Wert de· Widerstandes 15. Nähert sich jedoch die Spannungsdifferenz Vl - V2 ihrer unteren Grenze, dann haben die zwei unterschiedlichen Spannungewerteei ■«§eevd* neten S ehalt zustände der Tunneldiode einen merklichen Einfluss auf die

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Höhe des Regelstromes. Nimmt man beispielsweise an, daß die Spannungsdifferenz Vl - V2 gleich 1 Volt ist, dann ist der Regelstrom durch den Widerstand 15 nahezu 0, wenn sich die Tunneldiode in ihrem der höheren Spannung entsprechenden Schaltzustand befindet. Beträgt die Spannungsdifferenz Vl - V2 nur 5/lO Volt und befindet sich die Tunneldiode in ihrem dem höheren Spannungswert zugeordneten Schaltzustand, so kehrt sich die Stromrichtung im Widerstand 1 5 um. Dadurch wird der Basis strom in den gesättigten Transistor verringert und die Abschaltzeitverzögerung des Transistors verbessert.

Zur Umschaltung der Tunneldiode 7 vom einen in den anderen stabilen Zustand ist ein Transistor 20 vorgesehen, dessen Emitter anschluss an Masse und dessen Kollektoranschluss über einen Widerstand 22 an die Klemme 21 einer positiven Spannungsquelle angeschlossen ist. Der Basisanschluss dieses Transistors ist über einen Eingangskreis mit den Widerständen 23 und 24 an eine nicht dargestellte Eingangssignalquelle anschließbar. Die bei Zuführung von Eingangs Signalen am Kollektor des Transistors 20 auftretenden Spannungssprünge werden differenziert und der Tunneldiode 7 und der Basis des Transistors 1 zugeführt. Die Differenzitation erfolgt durch eine Reihenschaltung aus einer Kapazität 25 und einer Parallelschaltung der Kapazität 26 und des Widerstandes 27.

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Die Klemme 2 ist über eine Kapazität 28 mit Masse verbunden.

Die an den Kollektoranschluss des Transistors 1 angelegte hochohmige Last 30 kann beispielsweise aus einem Emitterfolger bestehen.

Wenn Transistor 20 in seinen leitenden Zustand geschaltet wird, bringt der dabei entstehende negative Impuls die Tunneldiode in ihren den niedrigeren Spannungswert entsprechenden Schaltzustand. Dadurch wird Transistor 1 gesperrt. Wird Transistor 20 gesperrt, so schaltet der dabei entstehende positive Ausgangsimpuls die Tunneldiode in ihren dem höheren Spannungswert zugeordneten Schaltzustand. Dadurch wird Transistor 1 in seinen in Sättigung leitenden Zustand umgeschaltet. Die Tunneldiode endet ihren Schaltzustand in Bruchteilen einer Nano-Sekunde und liefert dabei eine extrem schnelle Spannungsänderung an die Basis des Transistors 1. Auf diese Weise werden die Ein- und Ausschaltzeiten des Transistors 1 ein Minimum.

Wenn die Tunneldiode den Transistor 1 einschaltet, wird der Last 30 die Spannung V2 zugeführt. Da sich jedoch eine am Ausgang vorhandene Streukapazität Cs auf die Spannung Vl aufgeladen hat, wird die Änderung der Spannung an der Last um die Zeit verzögert, die erforderlich ist,

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um die Streukapazität Cs auf den neuen Spannungewert umzuladen. Die erforderliche Gesamtzeit zur Änderung der Spannung an der . Last ergibt eich angenähert aus der Summe ■ au» der Schaltzeit der Tunneldiode 7, der Einschaltzeitverzögerung des Traneistore 1 und der erforderlichen Umladezeit der Streukapazitttt Cs.

Wird die Tunneldiode 7 in ihrem den niedrigeren Spannungswert entsprechenden Schaltzustand umgeschaltet, um den Transistor 1 auszuschalten, dann wird von der Last 30 die Spannung VZ weggeschaltet und die Spannung Vl über den Widerstand 5 und die Induktivität 4 zugeschaltet. Der Wert dee Widerstandes 5 ist im Vergleich zur hochohmigen Last 30 verhäitni«massig gering; da der Gleichstromwiderstand der Induktivität 4 noch geringer ist, ist der am Widerstand und an der Induktivität auftretende Spannungsabfall vernachlässigbar. Die Streukapazität Cs muss über den Widerstand 5 und die Induktivität 4 auf die neue Spannung Vl umgeladen werden. Die gesamte Abschaltzeit setzt sich somit zusammen aus der Summe der Schaltzeit der Tunneldiode 7, der Ausschaltzeit des Transistors 1 und der Umladezeit der Streukapazität Cs.

Die Induktivität 4 vermindert die UmlaÄeeeit der Streukapazität auf den neuen Spannungswert, wenn der TraÄSiilor I ausgeschaltet wird.

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Die Induktivität hält den Kollektor strom Ic kurzzeitig aufrecht, so daß die Umladung der Streukapazität sehr schnell erfolgt. Die Induktivität 4 muse aber verhältnismässig klein gehalten werden, um ein Uberschwingen oder Aueechwingvorgänge auf der Ausgangeleitung zu vermeiden. «

Mit einer entsprechend den nachstehend angegebenen Werten ausgelegten Schaltung wurden Ein- und Aueschaltzeiten von etwa 10 Nanosekunden erreicht. Kürzere Schaltzeiten lassen eich durch Auswahl geeigneter Schaltelemente erzielen. Für die erfindungegemäcee Schaltung der Fig. 1 eignen sich beispielsweise folgende Werte der Schaltelemente:

Widerstände Werte in Ohm

5 300

9 22000

12 6200

15 4500

22,27 1000

23 750

24 66 Kapazitäten Werte

6 3. 3 ,ι

25 IQOO pF

26 5OpF 28 2. 2,u F

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Induktivität Wert

1 ,uH

Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Schaltung, der die hier beispielsweise angegebenen Werte zu Grunde gelegt sind, wird im folgenden anhand der Fig. 2 näher, erläutert.

Die Tunneldiode 7 ist unter allen möglichen Betriebsbedingungen stets so vorgespannt, daß sie durch die vom Transistor 20 zugeführten Eingangssignale zwischen zwei stabilen Schaltzuständen umgeschaltet werden kann. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, hängen die beiden stabilen Schaltzustände der Tunneldiode von der Differenz der beiden Betriebs-· spannungen Vl und V2 ab. In der Fig. 2 sind nur zwei Betriebsbedingungen dargestellt, d. h. , bei denen die Spannungsdifferenz Vl - V2 im einen Falle etwa 12 Volt und im anderen Falle etwa 1 Volt beträgt.

Beträgt die Spannungsdifferenz 12 Volt, so de/finiert die Arbeitsgerade ' A die beiden Schaltzustände S (niedrige Spannung) und P (hohe Spannung) der Tunneldiode. Hat in diesem Falle der Widerstand 5 einen Wert von 300 Ohm, so fliesst im Transistor 1 ein Sättigungsstrom von etwa 40 mA.

Beträgt die Spannungsdifferenz 1 Volt, so definiert die Arbeitsgerade B Docket EN 9-66-015

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die beiden stabilen Schaltzustände T,R der Tunneldiode. Der Sättigungsstrom beträgt in diesem Falle etwa 3 mA.

Beträgt die Spannungsdifferenz Vl - V2 etwa l/2 Volt, so verläuft die Arbeitsgerade (nicht dargestellt) unterhalb der Arbeitsgeraden B und definiert ebenfalls zwei stabile Schaltzustände der Tunneldiode. Es zeigt sich also, daß für jeden Wert der Spannungsdifferenz Vl - V2 ein gesondertes Paar von stabilen Schaltzuständen vorhanden ist. Ausserdem zeigt es sich, daß der der Tunneldiode und der Basis des Transistors 1 zugeführte Gesamtstrom eine, Funktion der Spannungsdifferenz Vl und VZ ist.

Die nur teilweise dargestellten Kurvenverläufe C und D ergeben sich durch Addition der Stromwerte aus der Tunneldioden-Kennlinie E und aus den Strom-Spannungskennlinien des Transistors 1 F_}G bei den im vorhergehenden betrachteten Kollektor strömen, beispielsweise 3 und 40 mA. Für einen gegebenen Betriebszustand ergibt sich der Basisstrom durch Subtraktion des Tunneldiodenstromes vom Gesamtstrom, den man am Schnittpunkt der Arbeitsgeraden mit dem zugehörigen »usamtnengesetzten Kurvenverlauf erhält. f

In Punkt P beträgt der Gesamtstrom (Tunneldiodenstrom und Regelstrom Docket EN 9-66-015

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über Widerstand 15) 4, 15 mA; der Tunneldiodenetrom beträgt etwa 1, 95 mA. Deshalb ergibt sich für den Basis strom ein Wert von etwa 2, 2 mA. Dieser Basisstrom gewährleistet die Sättigung des Transistors 1, wenn der Kollektorstrom in der Sättigung 36 mA beträgt.

Im Punkt R beträgt der Geeamtstrom etwa 1,45 mA. Durch die Tunneldiode flies·en etwa 0, 5 mA. Der Basisstrom beträgt demnach etwa 0, 95 mA; dieser Wert gewährleistet die Sättigung des Transistors bei einer Betriebsspannung, die einen Kollektorstrom von 3 mA hervorruft. ·

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Claims

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PA T ENTANSPRÜCHE

Bistabile Schaltungsanordnung mit einem Transistor, zu dessen Basis-Emitterstrecke eine von einer Konstantstromquelle gespeiste Tunneldiode parallel geschaltet ist, und der in'Abhängigkeit von den beiden umschaltbaren Schaltzuständen der Tunneldiode entweder gesperrt oder in Sättigung leitend ist, dadurch gekennzeichnet, daß an die Basis des Transistors zusätzlich zur Konstantstromquelle eine Regelstromquelle angeschlossen ist, die in Abhängigkeit von der

Differenz der an Kollektor und Emitter angeschlossenen und in weitem. Bereich veränderbaren Betriebsspannungen (Vl und V2) stets einen solchen Strom liefert, daß der Transistor im einen Schaltzustand gerade in Sättigung gebracht wird.
2. Bistabile Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelstromquelle aus einem geeignet dimensionierten, an die Kollektor-Betriebsspannung (Vl) angeschlossenen Widerstand (15) besteht.
3. Bistabile Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromqueile aus einer parallel zur Tunneldiode liegenden Serienschaltung eines Widerstandes

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(12) und einer Zener-Diode (10) besteht und die Zener-Diode aus s er dem über einen Widerstand (9) an eine Spannung (V) angelegt Ut, die sie bei jeder Betriebsbedingung im Zener-Gebiet hält.

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