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DE1941264A1 - Asynchrone RS-Kippstufe in ECL-Technik - Google Patents

Asynchrone RS-Kippstufe in ECL-Technik

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DE1941264A1
DE1941264A1 DE19691941264 DE1941264A DE1941264A1 DE 1941264 A1 DE1941264 A1 DE 1941264A1 DE 19691941264 DE19691941264 DE 19691941264 DE 1941264 A DE1941264 A DE 1941264A DE 1941264 A1 DE1941264 A1 DE 1941264A1
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Description

Asynchrone RS-Kippstufe in ECL-Technik
Die Erfindung betrifft eine in ECL-Technik -aufgebaute asynchrone RS-Kippstufe, die eine geringe Signallaufzeit besitzt und nur kurze Einstellimpulse erfordert.
Neben der Einteilung in taktgesteuerte und asynchrone, d. h. ungetaktete Kippschaltungen werden bistabile Kippschaltungen häufig nach ihrem logischen Verhalten, d. h. nach der Art der Verknüpfung der Eingangsinformätion eingeteilt. : Von der großen Anzahl der hierbei möglichen, an sich sinnvollen Kippstufenarten sind nur wenige technisch realisiert worden. (Vergl. z. B. "Elektronische Rechenanlagen" (1), Febr. 1968, Seiten 34 - 40). Eine wichtige Rolle spielt das sogenannte RS-Flipflop mit den zwei Eingängen R (Reset) und S (Set). Die beiden Eingänge dürfen nicht gleichzeitig, auf "1" liegen, da sonst der Zustand der Kippstufe unbestimmt ist. Es sei vorweggenommen, daß die im folgenden beschriebene Kippstufe nach der Erfindung im Gegensatz hierzu diese Einschränkung nicht erfordert, sondern in jedem Pail gegenphasige Ausgangssignale liefert. Im Zustand R = 1, S = 1 setzt sich der Eingang R durch. Obgleich für eine Kippstufe mit einer derartigen Fmktion schon die Bezeichnung MN - Flipflop vorgeschlagen wurde (Wiss. Ber. AEG-Telefunken 41 (1968), soll im folgenden .die Beaeichnung RS-Kippstufe zunächst auch dafür beibehalten werden.
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BAD ORIGINAL
Die Einteilung der Kippstufen nach ihrem logischen Verhalten bietet zwar dem Anwender bei der Ausarbeitung logischer Pläne für komplexe digitale Schaltungen eine wesentliche Hilfe, doch interessiert er sich gleichermaßen auch für ihr dynamisches Verhalten, da insbesondere auf dem Gebiet der Datenverarbeitung immer höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten verlangt werden.
Hinsichtlich des dynamischen Verhaltens von Kippstufen muß unterschieden werden zwischen der Laufzeit d (Verzögerungszeit), die ein Eingangssignal braucht, um sich auf die Ausgänge auszuwirken und der Dauer b (Impulsbreite), die ein Eingangssignal haben muß, damit sich auch die interne Rückkopplung auswirken kann, das Signal also gespeichert ist. Es hat sich eingebürgert, diese beiden Zeiten bei Kippstufen, die aus Gattern gebildet sind, in ganzen Vielfachen der Gatterlaufzeit Έ anzugeben.
Asynchrone, d. h. nicht von einem Takt gesteuerte RS-Kippsehaltungen lassen sich nach Pig. ta bis ic aus zwei gegenseitig rückgekoppelten Gattern aufbauen, wobei vorausgesetzt werden muß, daß jeweils mindestens eines der beiden Gatter der Kombination eine Signalverstärkung aufweist. Dabei gibt es nur drei verschiedene Möglichkeiten?
a) zwei HASD-Gatter (Fig. 1a)
b) zwei UTOR-Gatter (Fig. 1b) ■ -
c) ein ODER und ein MD-Gatter (Fig. 1c).
Alle drei Kombinationen benötigen Einstellsignale, d.h. Setz- bsv/. Rüeksetzsignale, deren Dauer mindestens zwei Gatterlaufzeiten beträgt. Bin erster Schritt zur Verringerung der notwendigen Dauer der Einstellsignale und der Signallaufzeit in dor Kippstufe ist somit die Verwendung von Gattern mit möglichst geringer Gatterlaufzeit.
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Hier bietet eich eine Schaltkreistechnik mit nicht in das Sättigüngsgebiet gesteuerten Transistoren an. Derartige Schalturigen sind als EÖL-Schsltungen bekannt. Ihre Grundform ist ein emittergekoppelter Transistorschalter (Differentialverstärker) Mt zwei Transistoren, wobei das Eingangssignal der Basis des einen (direkt angesteuerten) Transistors zugeführt wird und die Basis des anderen (indirekt gesteuerten) Transistors an einem festen Hilfspotential liegt. Die Emitter der beiden Transistoren liegen gemeinsam Über eine Einrichtung zur Konstanthaltung des Stroms an dem einen Pol der Betriebsspannungsquelle. Diese Einrichtung wird häufig durch einen Widerstand ersetzt, dessen Wert groß gegen den Wert der Kollektorwiderstände ist.
Eine weitere Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit der Kippstufe ergibt sich, wenn die erforderliche Dauer der Einstellsignale auf eine Gatterlaufzeit verkürzt wird. Das ist bei asynchronen RS-Kippstufen nur dann möglich, wenn man eines der nach Fig. 1a bis ic vorhandenen Gatter durch eine sogenannte verdrahtete Gatterfunktion, wie verdrahtetes UND oder verdrahtetes ODER ersetzt. Hur diese beiden Funktionen sind möglich, weil HAND- und NOR-Gatter einen Inverter erhalten müssen, der" m it ausschließlich passiven (statischen) Bauelementen (zu denen auch die verdrahtete Gatterfunktion gerechnet werden muß) nicht realisiert werden kann. Da eine RS-Kippstufe aber nur aus den vorher angegebenen Gatterkombinationen a) bis c) (Pig. 1a bis 1c) bestehen lEänn, folgt unmittelbar, daß nur in der Kombination c) ein Gatter durch eine verdrahtete Gatterfunktion zu ersetzen ist. Beide sieh heraus ergebenden Möglichkeiten - Ersatz des UND-Gatters bzw. Ersatz des ODER-Gätters - führen zu Kippstufen, bei denen eine Rück-
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kopplung nur über, ein Gatter erfolgt und daher einer der JSinstellimpulee nur für die Dauer einer Gatterlaufzeit anliegen muß.
Beide Schaltungen benötigen für das andere Einstellsignal eine Dauer von mindestens zwei Gatterlaufzeiten. Es muß nämlich in dem Eingangszweig, in dem das Gatter durch die entsprechende verdrahtete Gatterfunktion ersetzt wurde, ein Hilfsgatter vorgesehen werden, weil im allgemeinen nicht vorausgesetzt werden kann, daß der Auegang der vorhergehenden Verknüpfungsschaltung, in der dieses Einstellsignal erzeugt wird, für eine verdrahtete Gatterfunktion geeignet ist. Man kann aber das Hilfsgatter gleichzeitig dazu benutzen, um damit das betreffende Einstellsignal aus Teilsignalen zusammenzusetzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine asynchrone RS-Kippstufe in ECL-Technik mit kurzer Einstellzeit und kurzer Laufzeit anzugeben» bei der mindestens für die Setzimpülse eine Dauer von nur einer Gatterlaufzeit ausreichend ist. Die Kippstufe soll ferner so ausgeführt sein, daß -im Gegensatz zu der üblichen Definition der HS-Kippstttfe - ihre beiden Ausgänge gegenphasige Signale auch dann liefern, wenn an beiden Eingängen R und S eine "1" anliegt.
Gemäß der Erfindung besteht die Lösung darin, daß ein erster emittergekoppelter Stromschalter vorgesehen ist, mit einem durch das Rücksetzsignal R angesteuerten Transistor und einem indirekt gesteuerten Transistor, dessen Kollektor mit einem auf die Klemme für das invertierte Ausgangssignal Q arbeitenden Emitterfolger und Über einen Kollektorwiderstand mit dem Bezugspotential verbunden ist, daß ein zweiter
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emittergekoppelter StiOmschaltei1 vorgesehen ist, mit einem indirekt gesteuerten Transistor, dessen Kollektor mit dem Kollektor des direkt angesteuerten Transistors des ersten -Stromschalters, über einen Widerstand und über eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode mit dem Besugspotential und mit einem die Ausgangsstufe für das Ausgangssignal Q bildenden Emitterfolger verbunden ist und mit zwei direkt angesteuerten, bezüglich ihrer Kollektor-Emitter-Strecken parallel geschalteten Transistoren, wobei an der Basis des-einen Transistors das Setzsignal S anliegt und die Basis "des anderen Transistors mit dem Emitter des die Ausgangsstufe für das Ausgangssignal Q bildenden. Transistors verbunden ist, daß die Kollektoren der parallel geschalteten Transistoren über einen gemeinsamen Kollektorwiderstand mit dem Bezugspotential und mit einem weiteren Emitterfolger verbunden sind, der zur Bildung einer verdrahteten QDER-Funktion ebenfalls auf die Klemme für das invertierte Ausgangssignal Q arbeitet. . '
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt .
Pig. 2 ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, Pig. 3 das Ersatzschaltbild für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2,
Pig. 4 ein weiteres Ausführungs"b:eispiel, Pig. 5 das Ersatzschaltbild für das Ausführungsbeispiel nach Pig. 4, ·
Die RS-Kippstufe nach Pig. 2 enthält zwei der schon erwähnten emittergekoppelten Transistorsehalter« Da die Punktion dieser Schalter darin besteht, einen zumindest annähernd konstanten Strom von dem einen Kollektorkreis auf den anderen umzuschalten, wird zutreffend auch von •einem emittergekoppelten Stromschalter gesprochen.
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Der erste, aus den Transistoren T1 und T2 bestehende Stromschalter wird durch das Rücksetzsignal Rgesteuert. Am Kollektor des indirekt gesteuerten Transistors T2 mit dem iCollektorwiderstand Wt ist die Basis eines als Emitter- -folger be tr ie be neri Transistors T3 angeschlossen. Dessen Emitter ist wiederum mit der Klemme Q für das gleichnamige invertierte Ausgangssignal Q der Kippstufe verbunden. Bas Ausgangssignal Q wird jedoch nicht allein durch den jeweiligen Schaltzustand des Transistors T5 bestimmt; vielmehr ist das von dem ebenfalls als Emitterfolger betriebenen Transistor T4- gelieferte Signal in gleicher Weise an der Bildung des P Ausgangssignals Q beteiligt. Die Teilsignale werden durch eine ODER-Funktion verknüpft (verdrahtetes ODER, wired or).
Der Kollektor des direkt angesteuerten TransistorsT1 des ersten Stromschalters ist unmittelbar mit dem Kollektor des indirekt gesteuerten Transistors T5 eines zweiten Stromschalters verbunden. Beide Transistoren besitzen nur einen gemeinsamen Kollektorwiderstand W2, dem eine Diode D in Durchlaßrichtung parallel geschaltet ist. Damit soll bekanntlich erreicht werden, das der Spannungsabfall am Widerstand ¥2 zumindest annähernd konstant bleibt, unabhängig davon, ob nur einer der beiden Transistoren Tl _ oder T5 leitend ist oder ob beide Transistoren Strom führen.
Am Verbindungspunkt, der Kollektoren der beiden zuletzt genannten Transistoren ist ein dritter Emitterfolger mit dem Transistor TS angeschlossen* der an die Klemme Q das gleichnamige nicht invertierte Ausgangssignal Q liefert. Ton, hier aus führt eine Rückkopplungsleitung zur Basis des. einen (T6) von zwei direkt angesteuerten» bezüglich ihrer Kollektor-Emitterstreeken parallel geschalteten. Transistoren T6, T? des zweiten Stromsehalters. Der zweite Transistor T7 dieses Paares wird durch das Setssignal S gesteuert. Die
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über den Kollektorwideretand WJ an daa Bezugspotential UO angeschlossenen Kollektoren der parallel geschalteten Transistoren $6 und T7 sind schließlich mit der Basis des schon erwähnten Transistors TA in Emitterfolgerschaltung
verbunden.
Einen besseren Überblick über die RS-Kippstufe nach Fig. vermittelt das in der Fig. 3 dargestellte Ersatzschaltbild. Dabei entspricht das Hilfsgatter G1 dem ersten emittergekoppelten Stromsehalter T1, T2 in Fig. 2 und das ODER-NOR-Gatter G2 dem zweiten emittergekoppelten Stromschalter T5, T6, T7. Das mit. G3 bezeichnete Symbol bedeutet die verdrahtete ODER-Funktion (Pharitom-ODER-Gatter), die, wie schon erwähnt wurde, durch die Verbindung der Emitter der Transistoren T3 und T4 nach Fig. 2 realisiert wird. Das invertierte Ausgangssignal dee Hilfsgattere 61 und das nicht invertierte Ausgangesignal des QDER-HGS-Gatters 02 werden über die verdrahtete UID-Funktion 34 auf die Auegangsklemme Q zusammengefaßt. Von hier aus führt ein RUckkopplungeweg wieder auf einen Eingang des Gatters G2.
Die verdrahtete UHD-Funktion 04 wird in an sich bekannter Weise (Datenblatt MC 1019, 1029 der Motorola Semiconductor-Products Inc., Ausgabe Hov. 1967) durch die Verbindung der Kollektoren der Transistoren T1 und T5 gebildet. Wie aus Fig. 2 leicht zu erkennenist, liegt nämlich am Verbindungepunkt der Kollektoren und somit auch an der Auagangsklemme Q der dem binären Wert 11I" entsprechende höhere Signalpegel nur dann an» wenn weder der Transistor T1 noch der Transistor T5 Strom führt. Hieraus läSt sich unmittelbar eine der charakteristischen Gleichungen der Kippstufe ableiten« Q0+V=R5CS11 + Qn)
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wobei die Indices η und n+1 in üblicher Art die Signalzuständezur Zeit t Tazvr. die daraus resultierenden Signalzustände zur Zeit tn angeben. In entsprechender Weise ergibt sich für den zweiten Kippstufenausgang
Qn+1 . Rn + 8n + Qn - Rn (Sn + Qn).
Dem Ersatzschaltbild nach Pig. 3 läßt sich ferner entnehmen, daß die Einstellsignale S und H jeweils nur ein laufze itbehaftetes Gatter durchlaufen müssen, um sich an den Kippstufenausgängen auswirken zu können. Entsprechend muß die Mindestdauer des Setzsignals S nur eine Gatterlaufzeit betragen, da der Ausgang Q unmittelbar mit einem dem Setzeingang S äquivalenten Eingang des Gatters Q2 verbunden ist. Für die Dauer des RücksetzsignalsR sind dagegen zwei Gatterlaufzeiten erforderlich, da dieses Signal' beide Gatter Gl und G2 durchlaufen muß, um sich bleibend :· auszuwirken.
Die für die Rücksetzimpulse. R erforderliche Mindestdauer von zwei Gatterlaufzeiten ist noch ein gewisser Mangel der Ausführungsform der Kippstufe nach Pig. 2. Ein weiterer Nachteil ist dadurch bedingt, daß der Spannungsabfall über der Parallelschaltung der Diode D und des Widerstands W2 sowohl beim einfachen als auch beim doppelten Strom trotz der Wirkung der Diode nicht ganz konstant bleibt. Eine kleine Verschiebung der statischen Ausgangepegel ist daher nicht zu vermeiden, so daß der statische Störabstand etwas kleiner als bei Normalgattern wird. Durch die Trägheit der Diode können außerdem noch kurze Störimpulee entstehen, wenn sich der Strom in der Diode durch Schaltvorgänge ändert.
Die genannten Hachteile werden bei einer weiteren in Fig. dargestellten Ausführungsform der RS-Kippstufe gemäß der
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_ Q J.Erfindung vormieden. Dieses Ausführungsbeispiel ist dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 weitgehend ähnlich, so daß sich eine allgemeine Beschreibung erübrigt. Der wesentliche Unterschied besteht in der Parallelschaltung eines weiteren Transistors T9 zu den direkt angesteuerten Transistoren T€ und T7 des zweiten Stromschalters". Dieser Transistor T9 wird ebenfalls durch das Rücksetzsignal H.gesteuert» Damit wird zunächst einmal erreicht, daß durch den für die Transistoren T1 und T5 gemeinsamen Kollektorwiderstand W2 nie der doppelte Strom fließt. Die beim Ausführungsbeispiel nach Pig. 2 vorgesehene Diode D kann also beim Ausführungsbeispiel nach Pig. 4 entfallen« Die gleichzeitige Steuerung der Transistoren T1 und T9 durch-das Rüeksetzsignal ergibt noch den weiteren Vorteil/ daß nunmehr die Mindesi^flauer für den Rücksetzimpuls ebenfalls nur noch eine Gatterlaufzeit betragen muß.
Die Zulässigkeit der zweifachen Ansteuerung der Kippstufe nach Pig. 4 ist am besten aus dem Ersatzschaltbild Pig. ersichtlich. Im Zustand R = 1 liegt der Kippstufenausgang Q unabhängig vom Zustand des ODEB-Gatters G 2 auf Null. Damit stört es aber auch nicht, wenn das Gatter G2 durch das Rücksetzsignal R auf "1." gelegt oder gehalten wird. Allerdings gilt dabei die Bedingung, daß beide Gatter möglichst gleich schnell schalten. Schaltet z. B. das Gatter GI schneller als das Gatter G2f so kann am Ende eines Rücksetzimpulses R ein positiver Störimpuls entstehen, der die Kippstufe wieder in den Zustand Q =1 zurückkippt. Dieser Pail muß daher durch eine geeignete Schaltungsauslegung verhindert werden.
.5 Figuren
3 Patentansprüche
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Claims (3)

  1. - ίο -
    Patentansprüche
    Asynchrone RS-Kippstufe in ECL-Technik mit kurzer Einstellzeit und kurzer Laufzeit, dadurch gek ennzeichnet, daß ein erster emittergekoppeiter Stromschalter vorgesehen ist, mit einem durch das Rücksetzsignal R angesteuerten Transistor (T1) und einem indirekt gesteuerten Transistor (T2), dessen Kollektor mit einem auf die Klemme (Q) für das invertierte Ausgangssignal Q arbeitenden Emitterfolger (Transistor T5) und über einen Kollektorwiderctand (W1) mit dem Bezugspotential (UO) verbunden ist, daß ein zweiter emittergekoppelter Stromschalter vorgesehen ist, mit einem indirekt gesteuerten Transistor (T5), dessen Kollektor mit dem Kollektor des direkt angesteuerten Transistors (Tl) des ersten Stromschalters, über einenWiderstand (W2) und über eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode (D) mit dem Bezugspotential (UO) und mit einem die Ausgangsstufe für das Ausgangssignal Q bildenden Emitterfolger (Transistor T8) verbunden ist und mit zwei direkt angesteuerten, bezüglich ihrer Kollektor-Bmitter-Strecken parallel geschalteten Transistoren (T6, (Φ7), wobei an der Basis des einen Transistors (T7) das Setzsignal S anliegt und die Basis des anderen Transistors (T6) mit dem Emitter des die Ausgangsstufe für das Ausgangssignal Q bildenden Transistors (TS) verbunden ist, daß die Kollektoren der parallel geschalteten Transistoren (T6, T7) über einem gemeinsamen Kollektorwiderstand (1W?) mit dem Besugspotential (UO) und mit einem weiteren Emitterfolger verbunden sind, der zur Bildung einer verdrahteten ODER- $unktion ebenfalls auf die Klemme (Q) für das invertierte Ausgangssignal Q arbeitet.
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    BAD OBiGINAL
  2. 2. RS-Kippstufe nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß den parallel geschalteten direkt angesteuerten Transistoren (T6, T7) des zweiten Stromschalters ein weiterer durch das Rücksetzsignal R direkt gesteuerter Transistors (T9) parallel geschaltet ist und daß die dem einen Kollektorwiderstand parallel geschaltete Diode (D) entfällt.
  3. 3. RS-Kippstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennze ichne t, daß der Tranaistor (T8) der als Emitterfolger geschalteten Ausgangsstufe für das Ausgangssignal Q als Mehremittertransistor ausgebildet ist und daß der Rückkopplungsweg zur Basis des einen direkt angesteuerten Transietors (Τβ) des zweiten Stromschalters an einem Emitter und die Ausgangsklemme (Q) an einem anderen Emitter angeschlossen ist.
    PA 9/415/617
    (9809/1716
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