DE2941870A1

DE2941870A1 - Logik-anordnung

Info

Publication number: DE2941870A1
Application number: DE19792941870
Authority: DE
Inventors: Akira Yamagiwa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-10-17
Filing date: 1979-10-16
Publication date: 1980-04-24
Also published as: US4329597A; DE2941870C2; JPS635923B2; JPS5553924A

Description

29A1870

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Logik-Anordnung

Die Erfindung betrifft eine Logik-Anordnung, die auch als CML-Anordnung (CML = Strom-Betriebsart-Logik) bezeichnet wird.

Eine CML-Anordnung mit bipolaren Transistoren als deren Grundbausteine wird gegenwärtig für fähig gehalten, mit einer höchsten Geschwindigkeit zu arbeiten. Eine ECL-Anordnung (ECL = emittergekoppelte Logik), die Emitterfolger-Transistoren als deren Grundbausteine aufweist und mit einer logischen Amplitude von 0,8 V arbeitet, wird bisher als eine Logik-Anordnung eingeschätzt, die mit einer hohen Geschwindigkeit betreibbar ist. Der bemerkenswerte Fortschritt in der Technik integrierter Halbleiterschaltungen in den letzten Jahren führte zur Verwirklichung einer Schaltungsintegration bei einer höheren Packungsdichte und war in der Verringerung des Rauschens auf einen viel tieferen Pegel als den Pegel der herkömmlichen Logik-Anordnungen dieser Art erfolgreich. Es ist somit nunmehr möglich, eine Kleinamplituden-Logik-Anordnung herzustellen, in der die logische Amplitude auf ca. 0,4 V von dem vorhergehenden Wert mit 0,8 V verringert ist. Die Kleinamplitude schließt das Problem der Transistorsättigung aus, und die

81-(A4O14-O2;

η ι. π r. ι 7 / η Q ο 7

Emitterfolger-Transistoren sind nun nicht erforderlich, so daß eine in Figur 1 gezeigte CML-Anordnung verwirklichbar ist.

In Figur 1, die die Struktur einer derartigen CML-Anordnung zeigt, sind Transistoren Q_n, Q₁ und Q_ Grundschaltungselemente der CML-Anordnung und über ihre Emitter mit dem Kollektor eines weiteren Transistors Q-, zusammengeschaltet, der eine Konstantstromquelle zusammen mit seinem Emitterujiderstand FL. bildet. Die Kollektoren der Transistoren Q₁ und Q₂ sind über einen gemeinsamen Widerstand R_rw mit einer Künstantpotentialquelle einer Spannung U_pn verbunden, während der Kollektor des Transistors Q_n über einen weiteren Widerstand H an die Honstantpotentialquelle der Spannung \l_nr angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors Q₁ ist über den Widerstand R₇ mit einer anderen Konstantpotentialquelle einer Spannung Wj-p verbunden, und die Basis des Transistors Q-, ist an einen Vorspannungsgenerator 14 angeschlossen, um auf einer Spannung \l_rc höher als die Spannung IL..- gehalten zu werden. Der vOrspannungsgenerator 14 legt eine Bezugsspannung \l an die Basis des Transistors Q_n.

Diese CML-Anordnung arbeitet in üblicher Weise. Der Betrieb dieser CML-Anordnung wird im folgenden kurz erläutert. Wenn eines der Eingangssignale IN. und I(\)„, die an den Basisanschlüssen des Transistors Q. bzuj. des Transistors Q„ liegen, den Pegel der von der Spannungsquelle der Basis des Transistors Q_n zugeführten Bezugsspannung I/ _ überschreitet, wird ein Strom vom Transistor Q_n zum Transistor Q.. oder Q„ geschaltet. Folglich tritt ein die f\iOR-Logik (Weder-Noch-Logik) der beiden Eingangssignale IPJ₁ und Il\l„ darstellendes Ausgangssignal V™._T1 an den zusammenqeschalteten Kollektoren der Transistoren Q. und Q„ auf, mährend ein die DDER-Logik der beiden Eingangssignale IPJ. und INp darstellendes Ausgangssignal U_n.__ am Kollektor des Transistors Q_n vorliegt. In einer derartigen Kleinamplituden-CML-Anordnung sind eine Kompensation für die Versorgungsspannungen \J und \J souie eine Kompensation für die

Lu LiL»

Übergangstemperatur erforderlich, um die gewünschte Rauschgrenze zu gewährleisten. Die Hauptfaktoren zur Erfüllung dieser Forderung umfassen den Betrieb der Konstantstromquelle aus dem Transistor Q-, und dessen

-S-

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Emitteruiiderstand R und den Betrieb des Vorspannungsgenerators 1*t_f der die Stromquellen-Spannung Up₁-. an den Transistor Q, legt. Die Grundidee einer Kompensation einer Änderung in den Versorgungsspannungen und einer Änderung in der Übergangstemperatur in der in Figur 1 gezeigten CML-Anordnung liegt in der Verhinderung jeder Veränderung im Potentialpegel jedes Ausgangssignales \1„.._.. und ^_η||Τ2 ohne Beachtung der Änderungen in den Versorgungsspannungen und der Übergangstemperatur. Hierzu muß die vom Vorspannungsgenerator lh an die Basis des Transistors Q-, gelegte Stromquellen-Spannung ν_Γς so sein, daß der zum Transistor (L· gespeiste Strom keiner Veränderung aufgrund einer Veränderung in der Versorgungsspannung Vp_F und einer Veränderung in der Übergangstemperatur unterworfen ist.

Figur 2 zeigt eine herkömmliche Ausführungsfarm des Vorspannungsgenerators 1ί». Die in Figur 2 dargestellte Anordnung uird auch als IMebenschlußregler bezeichnet, in dem ein Lüiderstand R, am Kollektor und der Basis eines Transistors Q, und ein weiterer Widerstand R, an der Basis und dem Emitter des Transistors Q. liegen, um eine Gegenkopplungsschaltung oder eine Basis-Vorschaltung für den Transistor Q, zu bilden. Der durch diese Gegenkopplungsschaltung fließende Strom uird durch zuei in Reihe geschaltete Widerstände R und R„ begrenzt. Die am Kollektor und am Emitter des Transistors Q, auftretende Stromquellen-Spannung ν_ρς ist durch die folgende Gleichung (1) gegeben:

R + R

Vpij-, = Emitter-Basis-Spannung des Transistors Q,

In Gleichung (1) uird der Basisstram des Transistars Q, nicht berücksichtigt.

Ldenn diese Stromquellen-Spannung V an der Basis des Transistors Q-, liegt und der Widerstand R^ mit dem Emitter des Transistors Q, in Figur verbunden ist, ist der Kollektorstram des Transistors Q₃, d.h. der

+ Basis-Vorspannungs- _ „
schaltung ~

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Strom-Schaltstrom I „ durch die folgende Gleichung (2) gegeben:

(2)

CS R„ ^{K }}

mit U_at-T = Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q...

Es wird dabei angenommen, daß V/_flE, = U™., = U„_E vorliegt und der durch die Gleichung (1) gegebene Wert von Vp₁, in die Gleichung (2) eingesetzt wird. Das ÄnderungsmaB des Strom-Schaltstromes I„_s bezüglich der Änderung der V/ersorgungsspannung U.-.- und das Änderungsmaß des Strom-Schaltstromes I „ bezüglich der Änderung der Übergangstemperatur T .

Lb 3

ist durch die folgende Gleichung (3) bzuj. (^) gegeben:

= D (3)

^AICS ^R3

Aus der Gleichung (3) folgt, daß die Verwendung der in Figur 2 gezeigten Strom- bzu. Spannungsquelle *\k die Abhängigkeit der Ausgangssiqnale ^_Π|,_Τ1 und V/_. _„ υοπ der Uersorgungsspannung U_FF- ausschließt, uie dies in Figur *t gezeigt ist. Jedoch ist die gewünschte Kompensation für die Übergangstemperatur T . noch nicht ausreichend, uie dies der Gleichung (it) entnommen werden kann. Es sei z.B. angenommen \l„_c = D U, W_EE = -2 \J, Amplitudenwert = D,k \l, Spannung an Widerstand R_F = D,^ \1 und \Jr,p = D,ß V·

Dann gilt \l_nc = ( ^³. + 1)W_aI. = 0,U \l + \l_ar = 1,2 U, und in diesem Fall R-, L.b R^ bt dL

ist ·π— = 0,5 gewählt. Daher kann die Gleichung (k) ausgedrückt werden durch:

π ι η π ι 7 / (ι π η ?

"^ß" 29A187Q

Da die Kollektorwiderstände R. und R„_o in Figur 1 mit R- ^ R„ s* Rp geuiählt sind, ist das Änderungsmaß des Kleinpegel-Ausgangssignales V_n, bezüglich der Änderung der Übergangstemperatur T. durch die folgende Gleichung (5) gegeben:

^RCD

oder R_

,5 AV_BE (5)

Das durch die Gleichung (5) gegebene Änderungsmaß ist beträchtlich

groß. Der Wert von AV_n. beträgt AV_n. = 1OG mV, wenn z.B. AV^/AT. = -2 mV/°C bei einer üblichen Übergangsspannung und AT . = 50^DC vorliegen.

Figur 5 zeigt die Temperaturabhängigkeit eines derartigen Ausgangssignales Vi-|i|_T· Figur 3 zeigt die Übertragungskennlinie der in Figur 1 dargestellten CML-Anordnung, wenn hiermit die in Figur 2 gezeigte Strombzw. Spannungsquelle 14 verwendet wird.

Daraus folgt also, daß die in Figur 2 dargestellte Schaltung 14 nicht vollständig die Übergangstemperaturabhängigkeit kompensieren kann, obwohl sie ausreichend die Versorgungsspannungsabhängigkeit kompensieren kann. Wenn das Verhältnis von R zu R, in der Gleichung (4) ausreichend klein gewählt wird, kann das Änderungsmaß von I_rc bezüglich T . klein

Lb J

gemacht werden; jedoch ändert sich der Ausgangspegel nicht zwischen dem niederen Pegel und dem hohen Pegel aufgrund der Zunahme im Verhältnis von R_n zu R_r (R_rn zu R oder R zu R_r). Weiterhin kann diese Zunahme

Li L·. L*lv c. LjU L·

im Verhältnis von R zu R_F und damit der erhöhte Verstärkungsfaktor im Strom-Schalter zu einer unerwünschten Schwingung der Schaltung führen. Weiterhin wird der Schaltungsbetrieb stark durch die Herstellungstoleranzen dieser Widerstände beeinflußt.

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Die Idee einer Kompensation der Temperaturabhängigkeit und der Versorgungsspannungsabhängigkeit einer ECL-Anordnung wurde bereits erujähnt (vergleiche den Aufsatz von Muller und andere: "Fully-Compensated Emitter-Coupled Logic" in 1973 IEEE International Solid-State Circuits Conference DIGEST OF TECHNICAL PAPERS, Seiten 16B-169).

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Logik-Anordnung mit einer CML-Schaltung anzugeben, in der deren Strom- bzu. Spannungsquelle die Temperaturabhängigkeit und die Versorgungsspannungsabhängigkeit der CML-Schaltung beide kompensieren kann.

Die erfindungsgemäße Logik-Anordnung hat eine CML-Schaltung einschließlich wenigstens eines Eingangsanschlusses, an dem ein Eingangssignal liegt, eines Ausgangsanschlusses, an dem ein Ausgangssignal auftritt,und eines Transistors, der als eine Konstantstromquelle arbeitet, und eine Vorschaltung, die mit der Basis des Transistors verbunden ist, der als die Konstantstromquelle arbeitet. Die Vorschaltung hat einen Nebenschlußregler, der eine Basisvorspannung erzeugt, die unabhängig von einer Veränderung in der Versorgungsspannung Up„ konstant gehalten ist, und ein Steuerglied, das den Nebenschlußregler abhängig von einer Veränderung in der Übergangstemperatur steuert, um dadurch entsprechend die Basisvorapannung zu verändern, die vom IMebenschlußregler zugeführt ist. Der Nebenschlußregler kompensiert die Veränderung in der Versorgunqsspannung Vp..-, und das Steuerglied kompensiert die Überganqstemperaturabhängigkeit des Konstantstromquellen-Transistors.

In einer Logik-Anordnung mit einer Kleinamplituden-CML-Schaltung einschließlich eines als eine Konstantstromquelle arbeitenden Transistors ist der Konstantstromquellen-Transistar durch eine Vorspannungsquelle vorgespannt, die die Versorgungsspannungsabhängigkeit und die Übergangstemperaturabhängigkeit der CML-Schaltung beide kompensieren kann. In der Logik-Anordnung liegt eine Gegenkopplung am Konstantstromquellen-Transistor über dessen Basis-Vorspannungsstrecke, um die Abhängigkeit des Konstantstromquellen-Transistors von der Versorgungs-

- "IG -

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spannung zu kompensieren, und die Differenz zwischen der Übergangstemperaturabhängigkeit der Übergangsspannung eines Transistors von zwei Transistoren im Steuerglied und derjenigen des anderen Transistors aufgrund verschiedener Emitterstramdichten dient zur Kompensation der Abhängigkeit des Konstantstromquellen-Transistors von der Übergangstemperatur.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielsueise näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Schaltbild einer direkt gekoppelten Kleinamplituden-CML-Schaltung (vergleiche oben),

Figur 2 ein Schaltbild eines herkömmlichen V/orspannungsgenerators, der in der in Figur 1 dargestellten Schaltung verwendet wird,

Figuren 3, 4 und 5 die Übertragungs-Kennlinie bzw. die Uersorgungsspannungsabhängigkeit-Kennlinie bzw. die Temperaturabhängigkeit-Kennlinie der in Figur 1 gezeigten CML-Schaltung, wenn die in Figur 2 gezeigte Strom- bzw. Spannungsquelle mit herkömmlichem Aufbau verwendet wird,

Figur S ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Uorspannungsgenerators,

Figuren 7, 8 und Ό die Übertragungs-Kennlinie bzw. die Uersorgungsspannungsabhängigkeit-Kennlinie bzw. die Übergangstemperaturabhängigkeit-Kennlinie der in Figur 1 gezeigten CML-Schaltung, wenn der in Figur G dargestellte erfindungsgemäße Vorspannungsgenerator verwendet wird.

Figur 6 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Uorspannungsqenerators, wodurch die in Figur 2 gezeigte herkömmliche Struktur wesentlich verbessert wird. In Figur 6 ist der Schaltungsteil einschließlich des Transistors Q, im wesentlichen mit dem in Figur 2 dargestellten Schaltungsteil vergleichbar, mit der Ausnahme, daß der Widerstand H in der torschaltung des Transistors Q, , d.h. der Gleichstrom-Gegenkopplungsschaltung für den Transistor Q,, in zwei in Reihe geschaltete Widerstände R,_fl und R,_n geteilt ist. Ein Mehrfachemitter-Trnnsistor Q_c ist an seinem Kollektor mit dem Verbindungspunkt

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der beiden Widerstände R,_fl und FL· verbunden und an seinen Emittern an die Spannungsquelle für die Wersorgungsspannung \L.p. über einen gemeinsamen Widerstand R^ angeschlossen. Der Transistor CL ist an seiner Basis mit dem Kollektor des Transistors Q, über einen Widerstand R,- und weiterhin mit der Spannungsquelle für die Versorgungsspannung */„ über einen Transistor D₁ verbunden, der als Diode arbeitet und daher im folgenden auch als Diode bezeichnet wird. Der Widerstand R_& und die Diode D₁ bilden eine Basis-Vorschaltung für den Transistor CL.

Damit der in Figur 6 gezeigte erfindungsgemäße Worspannungsgenerator vollständig die V/ersorgungsspannungsabhängigkeit und die Übergangstemperaturabhängigkeit der in Figur 1 dargestellten CML-Schaltung beide kompensieren kann, uenn er in die CML-Schaltung eingesetzt wird, werden die Kollektorwiderstände R„_w, Rp„ und der Emitterwiderstand Rr- so gewählt, daß sie den gleichen Widerstandsuiert besitzen, um einen konstanten Strom in den Transistor Q-. zu speisen. D.h., hinsichtlich der Stromquellen-Spannung W^₅ müssen für die obige vollständige Kompensation folgende Gleichungen erfüllt sein:

= 0 (G)

mit ν_α[--, = Basis-Emitter-Spannung des Transistors D,.

DC. J J

Im folgenden wird der Betrieb der erfindungsgemäßen Strom- bzw. Spannungsquellenschaltung näher erläutert. Der durch die Diode D₁ fließende Strom bzw. der zum Kollektor des Mehrfachemitter-Transistors CL gespeiste Strom bzw. der durch den Widerstand R, fließende Strom sind mit I₁ bzw. I- bzw. I- bezeichnet. Weiterhin wird zur Vereinfachung der Basisstram jedes einzelnen Transistars nicht berücksichtigt, da er vernachlässigbar ist.

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Die Basis-Emitter-Spannung des Mehrfachemitter-Transistors CL bzw. die l/oruärts- oder Durchlaßspannung der Diode D,. bzw. die Basis-Emitter-Spannung des Transistors CJ, sind mit U^₆ bzu. Ug^₁ bzu. V_BE-, bezeichnet. Dann gelten die folgenden Gleichungen (B), (9) und (10):

(8)

τ JET 2

- ^R3A ¹Z ^{+ (R}3A ^{+ R}3B^}I3

Wenn die durch die Gleichungen (Θ) und (9) gegebenen Uerte von I, und I- in die Gleichung (10) eingesetzt werden, ergibt sich für Up₃:

mit K = Boltzmann-Honstante,
q = Elementarladung,
T = absolute Temperatur,
J₁ = Emitterstromdichte in Diode D₁,
J„ = Emitterstromdichte in Transistor CL.

Aus der Gleichung (11) folgt, daß die die Abhängigkeit Av^-EE ^aeT Stromquellen-Spannung V_p„ von der Änderung der l/ersorgungsspannung vV^. darstellende Gleichung (6) nunmehr erfüllt ist. Dagegen ist die Temperaturabhängigkeit ' durch die folgende Gleichung (12) gegeben:

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^R3A H . ^J1 ^R3A ^{+ R}3B ⁺ \

· ——— In + R₅ q J₂ R^

Die Emitterfläche der Diade D. und die Emitterfläche des Transistors CL werden nun mit A . bzw. A bezeichnet. Dann folgt für ^/J?:

¹VA I₁ A

^JV 9 T ~ T A ¹ ^ ^{Α X}2 ^ΗΕ1

Mit E2/A_E1 = η folgt aus Gleichung (12):

ρ Τ

3A H , , 1 .

_ . ___ in (—— · n)

5 ^ 2

Daher kann die Übergangstemperaturabhängigkeit der CML-Schaltung vollständig kompensiert werden, wenn die Lüiderstandsuerte der LJiderstände R^_ß, R₃₃, R,, R_g, die Werte der Ströme I-, I„ und der Uert des Uerhältnisses ^ftE2/A₍r₁ = η so gewählt werden, daß der durch Gleichung

(13) festgelegte LJert von —rr=— gleich ist dem durch die Gleichung (7)

AVgE τ J
festgelegten Uert von

^ΔΊ3

Der Transistor Q, muß nicht, wie dargestellt, ein Mehrfachemitter-Transistor sein, und die Emitterfläche des als die Diode D₁ wirkenden Transistors D. kann von der Emitterfläche des Transistors CL verschieden sein, um die Temperaturänderung des Transistors Q-, in einer ähnlichen Ldeise zu kompensieren, wie dies oben beschrieben wurde.

Die Figuren 7, 8 und 9 zeigen die Übertragungs-Kennlinie bzw. die Vorspannungsabhängigkeit-Kennlinie bzw. die Übergangstemperaturabhängigkeit-

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Hennlinie der in Figur 1 dargestellten Kleinamplituden-CML-Schaltung, uenn die in Figur 6 dargestellte erfindungsgemäße Strom- bzuj. Spannungsquellenschaltung verwendet wird.

Aus den obigen Erläuterungen der Erfindung folgt, daß die Gegenkopplung am Transistor CL über dessen Basis-Vorschaltung oder Nebenschlußregler liegt, um die Abhängigkeit des Transistors Q, von der Wersorgungsspannung M-- zu kompensieren, und die Differenz zwischen der Temperaturabhängigkeit der Übergangsspannung des Mehrfachemitter-Transistors CL und derjenigen der Diode D₁ aufgrund der verschiedenen Emitterstromdichten dient zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Transistors Ck. Daraus folgt, daß die Versorgungsspannungsabhängigkeit und die Temperaturabhängigkeit der Kleinamplituden-CML-Schaltung vollständig kompensierbar sind, wenn die erfindungsgemäße Strom- bzw. Spannungsquellenschaltung verwendet wird, um die Basis-Vorschaltung für den Konstantstrom-Transistor CL in der CML-Schaltung zu bilden.

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Claims

Anspruch.e

(Iy Logik-Anordnung, mit

- einer Strom-Betriebsart-Logik-Schaltung einschließlich wenigstens eines mit einem Eingangssignal beaufschlagten Eingangsanschlusses, eines ein Ausgangssignal abgebenden Ausgangsanschlusses und eines als Konstantstromquelle arbeitenden Transistors, und

- einer mit der Basis des Konstantstromquellen-Transistors verbundenen Vorspannungsschaltungseinheit,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Vorspannungsschaltungseinheit aufweist:

- einen Nebenschlußregler, der eine Basis-Vorspannung abgibt, die unabhängig von einer Veränderung in einer Versorgungsspannung konstant gehalten ist, und

- ein Steuerglied zum Steuern des Nebenschlußreglers abhängig von einer Veränderung in der Übergangstemperatur, um die Basis-Vorspannung zu verändern.

2. Logik-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Steuerglied die Basis-Vorspannung verändert, um die Übergangstemperaturabhängigkeit des Konstantstromquellen-Transistors (Q₃) zu kompensieren.

3. Logik-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Nebenschlußregler aufweist:

- einen ersten Transistor (Q₄) zwischen Quellen verschiedener Potentiale, um seine Kollektor-Emitter-Spannung an die Basis des Konstantstromquellen-Transistors (Q,) zu Ie-

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ORIGINAL INSPECTED

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gen, und

- eine erste Vorspannungsschaltung (R₁ , ^rtr) ^zum Teilen der Kollektor-Emitter-Spannung des ersten Transistors (Q₄), um die Basis-Vorspannung für den ersten Transistor (Q.) zu erzeugen.

. Logik-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Steuerglied aufweist:

- einen zweiten Transistor (Q,), der mit der ersten Vor-

Spannungsschaltung (Ro_A/ ^r-3_R) verbunden ist, um einen Teil des durch die erste Vorspannungsschaltung (R^_A/ R^) fließenden Stromes nebenzuschließen, und

- eine zweite Vorspannungsschaltung (R_fi/ D₁) zum Erzeugen der Basis-Vorspannung für den zweiten Transistor (Q,),

- daß die zweite Vorspannungsschaltung (R_fi> D₁) einen als eine Diode arbeitenden dritten Transistor (D₁) aufweist, und

- daß der zweite Transistor (Q,) und der dritte Transi

ts

stör (D₁) bei verschiedenen Emitterstromdichten arbeiten.

5. Logik-Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß der zweite Transistor (Q,) und der dritte Transistor (D₁) bei verschiedenen Stromdichten arbeiten, um die Ubergangstemperaturabhängigkeit des Konstantstromquellen-Transistors (Qt) zu kompensieren.

6. Logik-Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß der zweite Transistor (Q,) ein Mehrfachemitter-

Transistor ist.

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7. Logik-Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß der zweite und der dritte Transistor (Q verschiedene Emitterflachen aufweisen.

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