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DE1941264C3 - Asynchrone RS-Kippstufe in ECL-Technik - Google Patents

Asynchrone RS-Kippstufe in ECL-Technik

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DE1941264C3
DE1941264C3 DE1941264A DE1941264A DE1941264C3 DE 1941264 C3 DE1941264 C3 DE 1941264C3 DE 1941264 A DE1941264 A DE 1941264A DE 1941264 A DE1941264 A DE 1941264A DE 1941264 C3 DE1941264 C3 DE 1941264C3
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Friedrich-Karl Dipl.-Ing. 8135 Soecking Kroos
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Description

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 Eingangsüiformation eingeteilt. Von der großen Anzahl der hierbei möglichen, an sich sinnvollen Kippstufenarten sind nur wenige technisch realisiert, worden (vgL zum Beispiel »Elektronische Rechen-
anlagen«' (I], Februar 1968, S. 34 bis 40). Eine wichtige Rolle spielt das sogenannte RS-Flipflop mit den zwei Eingängen R (Reset) und 5 (Set). Die beiden Eingänge dürfen nicht gleichzeitig auf »1« liegen, da sonst der Zustand der Kippstufe unbestimmt
ίο ist. Es sei vorweggenommen, daß die im folgenden beschriebene Kippstufe nach der Erfindung im Gegensatz hierzu diese Einschränkung nicht erfordert, sondern in jedem Fall gegenphasige AusgangssignaJe liefert. Im Zustand R = 1, S = 1 setzt sich
der Eingang R durch. Obgleich für eine Kippstufe mit einer derartigen Funktion schon die Bezeichnung MN-Flipflop vorgeschlagen wurde (Wiss. Ber. AEG-Telefuuken, 41 [1968], soll im folgenden die Bezeichnung RS-Kippstufc zunächst auch dafür beibehalten werden.
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
»5 er sich gleichermaßen auch für ihr dynamisches Verhalten, da insbesondere auf dem Gebiet der Datenverarbeitung immer höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten verlangt werden.
Hinsirhtlhh 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 τ anzugeben.
Asynchrone, d. h. nicht von einem Takt gesteuerte
RS-Kippschaltungen lassen sich nach F i g. 1 a bis 1 c aus zwei gegenseitig rückgekoppelten Gattern aufbauen, wobei vorausgesetzt werden muß, daß jeweils mindesten« eines der beiden Gatter der Kombination eine Signalverstärkung aufweist. Dabei gibt es nur
drei verschiedene Möglichkeiten:
a) zwei NAND-Gatter (F i g. 1 a),
b) zwei NOR-Gatter (F i g. 1 b),
c) ein ODER- und ein UND-Gatter (F i g. 1 c).
Alle drei Kombinationen benötigen Einstellsignale, d. h. Setz- bzw. Rücksetzsignale, deren Dauer mindestens zwei Gatterlaufzeiten beträgt. Ein erster Schritt zur Verringerung der notwendigen Dauer der Einstellsignale und der Signallaufzeit in der Kippstufe ist somit die Verwendung von Gattern mit möglichst geringer Gatterlaufzeit.
Hier bietet sich eine Schaltkreistechnik mit nicht in das Sättigungsgebiet gesteuerten Transistoren an.
Derartige Schaltungen sind als ECL-Schaltungen bekannt. Ihre Grundform ist ein emittergekoppelter Transistorschalter (Differentialverstärker) mit 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
tn 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 F i £ la bis Ic vorhandenen Gatter durch eine sogenannte verdrahtete Gatterfunktion, wie verdrahtetes UND oder verdrahtetes ODER ersetzt. Nur diese beiden Funktionen sind möglich, weil NAND- und NOR-Gatter einen Inverter erhalten müssen, der mit 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) [Fig. la bis Ic] bestehen kann, folgt unmittelbar, daß nur in der Kombination c) ein Gatter durch eine verdrahtete Gatterfunktion zu ersetzen ist. Beide sich hieraus ergebenden Möglichkeiten — Ersatz des UND-Gatters bzw. Ersatz des ODER-Gatters — führen zu Kippstufen, bei denen eine Rückkopplung nur über ein Gatter erfolgt und daher einer der Einstellimpulse 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 Eingangszveig, in dem das Gatter durch die entsprechende verdrahtete Gatterfunktion ersetzt wurde, ein Hilfsgatter vorgesehen werden, weil im allgemeinen nicht vorausgesetzt werden kann, daß der Ausgang 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 F nstellzeit und kurzer Laufzeit anzugeben, bei der η idestens für die Setzimpulse eine D: ;er von nur einer Gatterlaufzeit ausreichend ist. Dc Kippstufe soll ferner so abgeführt sein, daß — im Gegensatz zu der üblichen Definition der RS-Kippstufe — ihre beiden Ausgänge gegenphasige Signale auch dann liefern, wenn an beiden Eingängen Λ 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 emittergekoppelter Stromschalter 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 Bezugspotential und mit einem die Ausgangsstufe für das Ausgangssignal Q bildenden Emitterfolger verbunden ist, und mit zwei direkt angesteuerten, bezüglich ihrer Kollektor-Emitter-Strecken parallelgeschalteten Transistoren, wobei an der Basis des «inen 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 paralielgeschalteten Transistoren über einen gemeinsamen Kollektorwiderstand mit dem Bezugspotential und mit einem weiteren Emitterfolger verbunden sind, der zur Bildung einer verdrahteten ODER-Funktion ebenfalls auf die ίο Klemme für das invertierte Ausgangssignal £7 arbeitet. Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung,
F i g. 3 das Ersatzschaltbild für das Ausführungsbeispiel nach F i g. 2,
F i g. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel, F i g. 5 das Ersatzschaltbild für das Ausführungsbeispiel nach F i g. 4.
Die RS-Kippstufe nach Fig. 2 enthält zwei der schon erwähnten emittergekoppelten Transistorschalter. Da die Funktion dieser Schalter darin besteht, einen zumindest annähernd konstanten Strom von dem einen Kollektorkreis auf den anderen umzu- »5 schalten, wird zutreffend auch von einem emittergekoppelten Stromschalter gesprochen.
Der erste, aus den Transistoren 71 und 72 bestehende Stromschalter wird durch das Rücksetzsignal R gesteuert. Am Kollektor des indirekt gesteuerten Transistors 72 mit dem Kollektorwiderstand W1 ist die Basis eines als Emitterfolger betriebenen Transistors 73 angeschlossen. Dessen Emitter ist wiederum mit der Klemme S für das gleichnamige invertierte Ausgangssignal ζ? der Kippstufe verbunden. Das Ausgangssignal ~Q wird jedoch nicht allein durch den jeweiligen Schaltzustand des Transistors T3 bestimmt; vielmehr ist das von dem ebenfalls als Emitterfolger betriebenen Transistor TA gelieferte Signal in gleicher Weise an der Bildung des Ausgangssignals 3 beteiligt. Die Teilsignale werden durch eine ODER-Funktion verknüpft (verdrahtetes ODER, wired or).
Der Kollektor des direkt angesteuerten Transistors T1 des ersten Stromschalters ist unmittelbar mit dem Kollektor des indirekt gesteuerten Transistors TS eines zweiten Stromschalters verbunden. Beide Transistoren besitzen nur einen gemeinsamen Kollektorwiderstand W 2, dem eine Diode D in Durchlaßrichtung parallel geschaltet ist. Damit soll bekanntlich erreicht werden, daß der Spannungsabfall am Widerstand W2 zumindest annähernd konstant bleibt, und abhängig davon, ob nur einer der beiden Transistoren TX oder 75 leitend ist oder ob beide Transistoren Strom führen.
Am Verbindungspunkt der Kollektoren der beiden zuletzt genannten Transistoren ist ein dritter Emitterfolger mit dem Transistor 78 angeschlossen, der an die Klemme Q das gleichnamige nicht invertierte Ausgangssignal Q liefert. Von hier aus führt eine Rückkopplungsleitung zur Basis des einen (76) von zwei direkt angesteuerten, bezüglich ihrer Kollektor-Emitter-Strecken parallelgeschalteten Transistoren 76, 77 des zweiten Stromschalters. Der zweite Transistor 77 dieses Paares wird durch das Setz-65 signal S gesteuert. Die über den Kollektorwiderstand W 3 an das Bezugspotential U O angeschlossenen Kollektoren der parallelgeschalteten Transistoren 76 und 77 sind schließlich mit der Basis des schon
erwähnten Transistors Γ 4 in Emitterfolgerschaltung verbunden.
Einen besseren Überblick über di« RS-Kippstufe nach F i g. 2 vermittelt das in der F i g. 3 dargestellte Ersatzschaltbild. Dabei entspricht das Hilfsgatter G1 dem ersten emittergekoppelten Stromschalter Γ1, Tl in Fig. 2 und das ODER-NOR-Gatter G2 dem zweiten emittergekoppelten Stromscltialter Γ 5, T 6, TT. Das mit G3 bezeichnete Symbol bedeutet die verdrahtete ODER-Funktion (Phantom-ODER-Gatter), die, wie schon erwähnt wurde, durch die Verbindung der Emitter der Transistoren Γ3 und TA nach Fig. 2 realisiert wird. Das invertierte Ausgangssignal des Hilfsgatters G1 und das nicht invertierte Ausgangssignal des ODER-NOR-Gatters G 2 werden über die verdrahtete UND-Funktion G 4 auf die Ausgangsklemme Q zusammengefaßt. Von hier aus führt ein Rückkopplungsweg wieder auf einen Eingang des Gatters G 2.
Die verdrahtete UND-Funktion G 4 wird in an sich bekannter Weise (Datenblatt MC 1019, 1029 der Motorola Semiconductor Products Inc., Ausgabe November 1967) durch die Verbindung der Kollektoren der Transistoren Γ1 und Γ5 gebildet. Wie aus Fig. 2 leicht zu erkennen ist, liegt nämlich am Verbindungspunkt der Kollektoren und somit auch an der Ausgangsklemme Q der dem binären Wert »1« entsprechende höhere Signalpegel nur dann an, wenn weder der Transistor Π noch der Transistor Γ 5 Strom führt. Hieraus läßt sich unmittelbar eine der charakteristischen Gleichnungen der Kippstufe ableiten:
Qn+I = Rn(S" + Qn),
wobei die Indizes η und η + 1 in üblicher Art die Signalzustände zur Zeit t" bzw. die daraus resultierenden Signalzustände zur Zeit f+1 angeben. In entsprechender Weise ergibt sich für den zweiten Kippstufenausgang
= Rn
Dem Ersatzschaltbild nach F i g. 3 läßt sich ferner entnehmen, daß die Einstellsignale S und R jeweils nur ein laufzeitbehaftetes Gatter durchlaufen müssen, um sich an den Kippstufenausgängen auswirken zu können. Entsprechend muß die Mindestdauer des Setzsignals 5 nur eine Gatterlaufzeit betragen, da der Ausgang Q unmittelbar mit einem dem Setzeingang 5 äquivalenten Eingang des Gatters G 2 verbunden ist Für die Dauer des Rücksetzsignals R sind dagegen zwei Gatterlaufzeiten erforderlich, da dieses Signal beide Gatter Gl und G 2 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 F i g. 2. Ein weiterer Nachteil ist dadurch bedingt, daß der Spannungsabfall über der Parallelschaltung der Diode D und des Widerstands Wl sowohl beim einfachen als auch beim doppelten Strom ίο trotz der Wirkung der Diode nicht ganz konstant bleibt. Eine kleine Verschiebung der statischen Ausgangspegel 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 Störimpulse entstehen, wenn sich der Strom in der Diode durch Schaltvorgänge ändert.
Die genannten Nachteile werden bei einer weiteren in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der ao RS-Kippstufe gemäß der Erfindung vermieden. 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 as weiteren Transistors T 9 zu den direkt angesteuerten Transistoren Γ6 und Γ7 des zweiten Stromschalters. Dieser Transistor T 9 wird ebenfalls durch das Rücksetzsignal R gesteuert. Damit wird zunächst einmal erreicht, daß durch den für die Transistoren Tl und Γ 5 gemeinsamen Kollektowiderstand Wl nie der doppelte Strom fließt Die beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 vorgesehene Diode D kann also beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 entfallen. Die gleichzeitige Steuerung der Transistoren Π und T 9 durch das Rücksetzsignal ergibt noch den. weiteren Vorteil, daß nunmehr die Mindestdauer für den Rücksetzimpuls ebenfalls nur noch eine Gatterlaulzeit betragen muß.
Die Zulässigkeit der zweifachen Ansteuerung der Kippstufe nach F i g. 4 ist am besten aus dem Ersatzschaltbild F i g. 5 ersichtlich. Im Zustand R — 1 liegt der Kippstufenausgang Q unabhängig vom Zustand des ODER-Gatters G 2 auf Null. Damit stört es aber auch nicht, wenn das Gatter G 2 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 Gl schneller als das Gatter G 2, so kann am Ende eines Rücksetzimpulses R ein positiver Störimpuls entstehen, der die Kippstufe wieder in den Zustand Q — 1 zurückkippt. Dieser Fall muß dabei durch eine geeignete Schaltungsauslegung verhindert werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Asynchrone RS-Kippstufe in ECL-Technik mit kurzer Einstellzeit und kurzer Laufzeit, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster emittergekoppelter Stromschalter vorgesehen ist, mit einem durch das Rücksetzsignal R angesteuerten Transistor (Γ1) und einem indirekt gesteuerten Transistor (Tl), dessen Kollektor mit einem auf die Klemme (Q) für das invertierte Ausgangssignal ~Q arbeitenden Emitterfolger (Transistor Γ 3) und über einen Kollektorwiderstand (Wl) mit dem Bezugspotential (U 0) verbunden ist, daß ein zweiter emittergekoppelter Stromschalter vorgesehen ist, mit einem indirekt gesteuerten Transistor (Γ 5), dessen Kollektor mit dem Kollektor des direkt angesteuerten Transistors (Γ1) des ersten Stroraschaiters, über einen Widerstand (W 2) und über eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode (D) mit dem Bezugspotential (UO) und mit einem die Ausgangsstufe für das Ausgangssignal Q bildenden Emitterfolger (Transistor 78) verbunden ist und mit zwei direkt angesteuerten, bezüglich ihrer Kollektor-Emitter-Strecken parallelgeschalteten Transistoren (76, Tl), wobei an der Basis des einen Transistors (77) 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 parallelgeschalteten Transistoren (76, 77) über einem gemeinsamen Kollektorwiderstand (W 3) mit dem Bezugspotential (U 0) und mit einem weiteren Emitterfolger (74) verbunden sind, der zur Bildung einer verdrahteten ODER-Funktion ebenfalls auf die Klemme (Q) für das invertierte Ausgangssignal "Q arbeitet.
2. RS-Kippstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den parallelgeschalteten direkt angesteuerten Transistoren (76, 77) des zweiten Stromschalters ein weiterer durch das Rücksetzsignal R direkt gesteuerter Transistor (79) parallel geschaltet ist und daß die dem einen Kollektorwiderstand parallelgeschaltete Diode (D) entfällt.
3. RS-Kippstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (78) der als Emitterfolger geschalteten Ausgangsstufe für das Ausgangssignal Q als Mehremittertransistor ausgebildet ist. und daß der Rückkopplungsweg zur Basis des einen direkt angesteuerten Transistors (76) des zweiten Stromschalters an einem Emitter und die Ausgangsklemme (Q) an einem anderen Emitter angeschlossen ist.
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