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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mit Feldeffekttransistoren
aufgebaute logische Schaltung mit mehreren Eingängen und zwei Ausgängen, die beim
Empfang von zwei oder mehr Eingangssignalen an ihren Ausgängen verschiedene Ausgangsspannungen
liefert.
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Die in elektrischen Schaltungsanordnungen im Betrieb erzeugte Wärme
ist im allgemeinen unerwünscht, weil sie eine frühzeitige Alterung sowie eine Änderung
der Betriebsdaten und elektrischen Eigenschaften der Schaltungselemente zur Folge
hat und es in manchen Fällen nötig macht, besondere, mit entsprechenden Kosten verbundene
Kühleinrichtungen vorzusehen. Ferner bedeutet die erzeugte Wärme einen entsprechenden
Leistungsverlust. Das Problem der Wärmeerzeugung ist von besonderer Bedeutung bei
integrierten Schaltungsanordnungen im Hinblick auf die geringen Abmessungen der
Anordnung und den dichten Abstand der jeweils benachbarten Stromkreise.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
logische Schaltung zu schaffen, die im Ruhezustand wenig oder gar keine Leistung
und während eines Schaltvorganges nur sehr wenig Leistung verbraucht.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer mit Feldeffekttransistoren
aufgebauten logischen Schaltung der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß
mehrere Feldeffekttransistoren des einen Leitungstyps mit ihren Kanälen unter Bildung
eines ersten und eines zweiten Stromzweiges zwischen einen ersten gemeinsamen Schaltungspunkt
einerseits und den ersten bzw. den zweiten Ausgang andererseits geschaltet sind;
daß eine Anzahl gleichartiger Feldeffekttransistoren des anderen Leitungstyps mit
ihren Kanälen unter Bildung eines dritten und eines vierten Stromzweiges zwischen
den gemeinsamen Schaltungsnullpunkt einerseits und den ersten bzw. den zweiten Ausgang
andererseits geschaltet sind; daß zwischen den ersten Schaltungspunkt und den Schaltungsnullpunkt
eine Betriebsspannungsquelle geschaltet ist; und daß an die Steuerelektroden mindestens
je eines Transistors im ersten und im dritten Stromzweig ein erster Signaleingang,
an die Steuerelektroden mindestens je eines Transistors im zweiten und im vierten
Stromzweig ein zweiter Signaleingang und an die Steuerelektroden mindestens eines
der übrigen Transistoren der Reihenschaltung des ersten und des dritten Stromzweiges
sowie mindestens eines der übrigen Transistoren der Reihenschaltung des zweiten
und des vierten Stromzweiges ein dritter Signaleingang angeschaltet sind.
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Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet. Die erfindungsgemäßen Schaltungen arbeiten vorzugsweise mit MOS-Silicium-
oder TFT-Feldeffekttransistoren (Dünnschicht-Transistoren), wobei die beiden den
stromleitenden Weg bildenden Elektroden der S-Pol (Quellenelektrode) und der D-Pol
(Abfluß-oder Senkenelektrode) sind und als Steuerelektrode ein G-Pol (Gitter) dient.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt F i g. 1 ein Schaltbild einer getasteten bistabilen Schaltung gemäß einer
Ausführungsform der Er- i findung, F i g. 2 eine Funktionstabelle für die Schaltung
nach F i g. 1, F i g. 3 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform einer bistabilen
Schaltung gemäß der Erfindung, F i g. 4 eine Funktionstabelle für die Schaltung
nach F i g. 3, F i g. 5 ein Blockschaltbild eines aus bistabilen Schaltungen nach
F i g.1 und 3 aufgebauten Schieberegisters, F i g. 6 ein Schaltbild eines Sperrgatters,
F i g. 7 eine Funktionstabelle für das Sperrgatter nach F i g. 6, F i g. 8 ein Blockschaltbild
eines mit getasteten bistabilen Schaltungen und Sperrgattern gemäß der Erfindung
arbeitenden Schieberegisters.
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Der sogenannte isolierte Feldeffekttransistor hat Eigenschaften, die
ihn für die Verwendung in integrierten Schaltungen besonders geeignet machen. Ein
derartiger Transistor kann als ein Majoritätsträger-Feldeffekt-Halbleiterbauelement
bezeichnet werden, das eine Halbleiterschicht oder ein Halbleiterplättchen enthält,
auf dem im Abstand voneinander ein S-Polgebiet und ein D-Polgebiet angeordnet sind.
In der Halbleiterschicht besteht ein stromleitender Kanal zwischen S-Pol und D-Pol.
Ein G-Pol (Steuerelektrode), der zwischen S-Pol und D-Pol auf der Halbleiterschicht,
jedoch von dieser durch einen Isolierfilm getrennt, angeordnet ist, steuert die
Leitfähigkeit des Kanals.
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Da der G-Pol von der Halbleiterschicht isoliert ist, entnimmt er keinen
oder mindestens keinen nennenswerten Strom. Man kann daher den D-Pol eines Transistors
direkt mit dem G-Pol eines anderen Transistors zusammenschalten, wobei in der Verbindungsleitung
ein nur sehr geringer oder gar kein Strom fließt und entsprechend wenig oder gar
keine Leistung verbraucht wird.
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Zwei bekannte Arten des isolierten Feldeffekttransistors sind der
sogenannte Dünnschicht-Transistor (TFT) und der sogenannte Metall-Oxyd-Halbleiter-Feldeffekttransistor
(MOSFET). Die physikalischen und betrieblichen Eigenschaften des Dünnschicht-Transistors
sind zum Teil in einer Arbeit von P. K. W e i m e r, »The TFT - A New Thin-Film-Tra.nsistor«,
in der Zeitschrift »Proceedings of the IRE« vom Juni 1962, S.1462 bis 1469 beschrieben.
Der MOS-Transistor ist in einer Arbeit von S. R. Hofstein und F. P. Heimann, »The
Silicon Insulated-Gate Field-Effect Transistor«, in der Zeitschrift »Proceedings
of the IEEE« vom September 1963, S. 1190 bis 1202, beschrieben.
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Die isolierten Feldeffekttransistoren können entweder vom stromerregenden
oder vom stromdrosselnden Typ sein. Im vorliegenden Fall ist besonders der stromerregende
Typ von Interesse. Bei einem derartigen Transistor vom stromerregenden Typ ist die
Leitfähigkeit des Kanals gering, und es fließt zwischen S-Pol und D-Pol nur ein
geringer Reststrom, wenn G-Pol und S-Pol auf der gleichen Spanung liegen. Der Transistors
wird leitend, wenn die G-Polspannung von der S-Polspannung in einer bestimmten Polaritätsrichtung
abweicht. Die Leitfähigkeit des Kanals eines derartigen Transistors im leitenden
Zustand ist eine Funktion der Spannungsdifferenz zwischen S-Pol und G-Pol.
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Ein Feldeffekttransistor kann, je nach dem Leitungstyp des verwendeten
Halbleitermaterials, entweder p-leitend oder n-leitend sein. Bei einem p-leitenden
Transistor sind die Majoritätsladungsträger
Löcher oder Defektelektronen,
während sie bei einem n-leitenden Transistor Elektronen sind. Gemäß dieser Definition
ist ein p-leitender Transistor vom stromerregenden Typ dadurch gekennzeichnet, daß
sein Kanal verhältnismäßig stark leitet, wenn die G-Polspannung negativ gegenüber
der S-Polspannung ist. Beim n-leitenden Transistor vom stromerregenden Typ leitet
dagegen der Kanal stark, wenn die G-Polspannung positiv gegenüber der S-Polspannung
ist.
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Wegen der besonders vorteilhaften Eigenschaften des isolierten Feldeffekttransistors
sind die beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung mit solchen Transistoren
bestückt. In den Figuren erkennt man einen p-leitenden Transistor daran, daß die
S-Polzuleitung mit einer auf den Transistor weisenden Pfeilspitze versehen . ist,
während beim n-leitenden Transistor die Pfeilspitze in der S-Polzuleitung vom Transistor
wegweist.
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F i g. 1 zeigt das Schaltbild einer zeitgesteuerten, getasteten bistabilen
Schaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der bistabile Teil der Schaltung
enthält zwei n-leitende Transistoren 20 a, 20b vom stromerregenden Typ und zwei
p-leitende Transistoren 30 a, 30 b vom stromerregenden
Typ. Die n-leitenden Transistoren 20 a und 20 b sind mit ihren S-Polen
22a und 22b an einen Punkt festen Potentials, beispielsweise den Schaltungsnullpunkt,
und mit ihren D-Polen 24a und 24b an eine Ausgangsklemme 28 bzw. eine Ausgangsklemme
38 angeschlossen. Die erste Ausgangsklemme 28 soll als »0-Ausgang« und die zweite
Ausgangsklemme 38 als »1-Ausgang« bezeichnet werden.
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Die p-leitenden Tranistoren 30 a und 30 b sind mit ihren
D-Polen 34 a und 34 b an die erste Ausgangsklemme 28 bzw. die zweite Ausgangsklemme
38 angeschlossen sowie mit dem D-Pol 24 a des Transistors 20 a bzw. dem D-Pol 24
b des Transistors 20 b verbunden. Die G-Pole oder Steuerelektroden 26 a und 36
a der Transistoren 20 a bzw. 30 a sind gemeinsam an die zweite Ausgangsklemme
38 angeschlossen. Die G-Pole 26 b und 36 b der Transistoren 20 b bzw. 30
b
sind gemeinsam an die erste Ausgangsklemme 28 angeschlossen.
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Zwei weitere n-leitende Transistoren 20 c und 20 d vom stromerregenden
Typ sind mit ihren Kanälen in Reihe zwischen den Schaltungsnullpunkt und die erste
Ausgangsklemme 28 geschaltet. Und zwar ist der Transistor 20 d mit seinem D-Pol
24 d an die Ausgangsklemme 28 angeschlossen und mit seinem S-Pol 22 d mit
dem D-Pol 24 c des Transistors 20 c verbunden. Der Transistor 20 c
ist mit seinem S-Pol geerdet. Ein fünfter und ein sechster n-leitender Transistor
20 e und 20 f vom stromerregenden Typ sind mit ihren Kanälen in entsprechender Weise
in Reihe zwischen den Schaltungsnullpunkt und die zweite Ausgangsklemme 38 geschaltet.
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Ein dritter und ein vierter p-leitender Transistor 30 c und 30 d vom
stromerregenden Typ sind mit ihren D-Polen 34 c und 34 d gemeinsam an den S-Pol
32 a des Transistors 30 a angeschlossen. Die S-Pole 32 c und 32 d der Transistoren
30 c und 30 d sind gemeinsam an einen Verbindungspunkt 40 angeschlossen. In entsprechender
Weise sind ein fünfter und ein sechster p-leitender Transistor 30 e und
30 f vom stromerregenden Typ mit ihren Kanälen parallel zwischen den S-Pol
32 b des Transistors 30 b und den Verbindungspunkt 40 geschaltet. Zwischen
den Punkt 40 und den anderen gemeinsamen Spannungspunkt (Schaltungspunkt)
wird eine Betriebsspannung aus einer Spannungsquelle von V Volt, beispielsweise
einer Batterie 42, gelegt. Die Baterie 42 ist mit ihrem positiven Pol an den Schaltungspunkt
40 angeschlossen und mit ihrem negativen Pol geerdet, so daß die Spannung am Punkt
40 gegenüber dem Schaltungsnullpunkt + V Volt beträgt.
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Die G-Pole 26c und 36c der Transistoren 20 e bzw. 30 c sind mit einem
Zurücksetzungseingang 44 verbunden, während die G-Pole 26e und 36f der Transistoren
20e und 30f an einen Setzeingang 46
angeschlossen sind. Die Transistoren
20d, 20f, 30d
und 30 e sind mit ihren G-Polen 26 d, 26 f, 36 d bzw.
36e an einen Taktimpulseingang 48 angeschlossen.
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Zu beachten ist, daß sämtliche Schaltungsverbindungen zwischen den
verschiedenen Transistoren sowie zwischen den Transistoren und den Eingängen und
Ausgängen usw. direkte Verbindungen sind, d. h., daß sie eine vernachlässigbar kleine
Impedanz aufweisen. Dies ist ein ganz erheblicher Vorteil in Fällen, wo die Anordnung
als integrierte Schaltung ausgeführt ist. Solche direkten Verbindungen sind leicht
realisierbar, da im hochohmigen Steuerelektrodenkreis eines isolierten Feldeffekttransistors
wenig oder gar kein Strom fließt und außerdem niemals ein niederohmiger Weg über
die Transistoren zwischen dem Schaltungsnullpunkt und der Betriebsspannungsquelle
+ V besteht, wie später noch ersichtlich werden wird.
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F i g. 2 ist eine teilweise Funktionstabelle für die bistabile Schaltung
nach F i g. 1. Wie die Tabelle ausweist, ist die Spannung an der zweiten Ausgangsklemme
38, dem 1-Ausgang, + V Volt, wenn auf den Zurücksetzungseingang 44 eine Spannung
von + V Volt und gleichzeitig auf den Tasteingang 48
ein Tastimpuls 50 von
+ V Volt gegeben wird. Die Spannung am Setzeingang ist zu diesem Zeitpunkt 0 Volt,
da die Setz- und Zurücksetzeingangssignale komplementär zueinander sind, und die
Spannung an der ersten Ausgangsklemme 28 ist ebenfalls 0 Volt. Die bistabile Schaltung
kann unter diesen Voraussetzungen als im Zurücksetzzustand befindlich und eine binäre
»0« speichernd angesehen werden. Die bistabile Schaltung wird gesetzt und speichert
eine binäre »1«, wenn die Spannung am Setzeingang 46 bei gleichzeitig vorhandenem
Tastimpuls 50 + V Volt beträgt. Die Spannungen an den 1- und 0-Ausgängen 38 bzw.
28 betragen dann 0 bzw. + V Volt.
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Es soll jetzt die Arbeitsweise der bistabilen Schaltung betrachtet
werden. Es sei angenommen, daß die Spannung am Tasteingang 48 dem Nullpotential
entspricht, wie es der Fall ist, solange keine neue Information in die bistabile
Schaltung eingeschleust werden soll. Durch die Spannung am Tasteingang 48 werden
die n-leitenden Transistoren 20 d und 20 f gesperrt und die p-leitenden Transistoren
30 d und 30 e geöffnet. Der Kanal eines gesperrten Transistors hat einen sehr hohen
Widerstand, beispielsweise in der Größenordnung von mehreren Megohm, so daß der
Transistor praktisch als geöffneter Schalter angesehen werden kann. Im Transistor
fließt lediglich ein Reststrom oder Sperrstrom, der jedoch außerordentlich gering,
z. B. in der Größenordnung von einigen wenigen Mikroampere, ist. Wenn die Tastspannung
an der Eingangsklemme 48 fehlt, d. h. dem Nullpotential entspricht, fließt
daher wenig oder gar kein Strom in den Transistoren 20 c, 20 d, 20 e und 20 f und
wird
entsprechend nur sehr wenig Leistung in diesen Transistoren
verbraucht.
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Es sei angenommen, daß sich die bistabile Stufe im zurückgesetzten
Zustand befindet. Dies bedeutet, daß die Spannung am 1-Ausgang 38 -i- V Volt beträgt.
Der n-leitende Transistor 20a wird durch diese Spannung geöffnet, und die Spannung
am 0-Ausgang 28 ist 0. Der p-leitende Transistor 30 a ist gesperrt und bildet einen
offenen Schalter zwischen der Ausgangsklemme 28 und dem D-Pol 34 d des Transistors
30 d. Durch die Transistoren 20 a, 30 a und 30 d fließt daher zwischen
dem Schaltungsnullpunkt und dem positiven Pol der Batterie 42 nur der Reststrom,
so daß nur sehr wenig Leistung verbraucht wird.
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Bei Nullpotential führender Ausgangsklemme 28 ist der Transistor 20
b gesperrt und der Transistor 30 b geöffnet. Die Transistoren 30
b und 30 e bilden einen niederohmigen Stromweg zwischen dem 1-Ausgang 38
und dem positiven Pol der Batterie 42, so daß die Spannung am Ausgang 38 -f- V Volt
beträgt. Es fließt jedoch durch die geöffneten Transistoren 30 b und 30 e nur der
Reststrom, da der Stromweg nach Masse durch den gesperrten Transistor 20 b unterbrochen
ist. Da außerdem, wie bereits erwähnt, ein isolierter Feldeffekttransistor wegen
der isolierten Steuerelektrode einen sehr hohen Eingangswiderstand hat, gelangt
von der Ausgangsklemme 38 (oder 28) wenig oder gar kein Strom zu den von diesen
Punkten aus angesteuerten Transistoren.
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Das Umschalten der bistabilen Schaltung vom zurückgesetzten in den
gesetzten Zustand erfolgt durch Anlegen von Eingangsspannungen von -f- V Volt an
den Setzeingang 46 und 0 Volt an den Zurücksetzeiügang 44 sowie durch Anlegen eines
Taktimpulses 50 an den Tasteingang 48. Durch die Spannung von + V Volt am Setzeingang
46 wird der Transistor 20 e geöffnet und der Transistor 30f gesperrt.
Da die Transistoren 20 d und 20 f gesperrt sind, erfolgt kein Schalten, solange
der Tastimpuls 50 nicht anwesend ist.
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Wenn zum Eingang 48 ein Tastimpuls 50 gelangt, wird
der Transistor 20f geöffnet und der Transistor 30 e gesperrt. Die Transistoren
20 e und 20 f bilden einen niederohmigen Weg zwischen dem Schaltungsnullpunkt und
dem 1-Ausgang 38, wodurch die Aus- , gangsspannung an diesem Punkt auf Nullpotential
herabgedrückt wird. Der Transistor 30 b ist geöffnet, wenn der Tastimpuls zuerst
auftritt. Wenn die Transistoren 30e und 30f nicht vorhanden wären, würde
über die Transistoren 20e, 20f und 30b ein niederohmiger Weg
zwischen dem Schaltungsnullpunkt und dem positiven Pol der Batterie 42 bestehen,
so daß durch diese Transistoren ein starker Strom fließen würde. Dies wird durch
die parallelen Transistoren 30e und 30f verhindert, da diese Transistoren beide
gesperrt sind, wenn der Transistor 20f geöffnet wird. Es besteht daher kein niederohmiger
Weg zwischen dem Schaltungsnullpunkt und dem positiven Pol der Batterie
42.
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Bei schnell ansprechenden Transistoren, und besonders bei solchen
mit Einschaltschwelle kann das Sperren eines Transistors ebenso schnell oder noch
schneller erfolgen, wie das Leitendschalten eines gesperrten Transistors. In diesem
Fall besteht selbst während des Schaltüberganges kein niederohmiger Weg durch die
Transistoren 20 e, 20 f, 30 b und 30 e oder 30f. Zwar werden während des
Schaltüberganges die in der Schaltung vorhandenen parasitären Kapazitäten aufgeladen
oder entladen, was einen geringen Leistungsverbrauch in den Transistoren zur Folge
hat; davon abgesehen, fließt jedoch lediglich der Reststrom.
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Wenn die Spannung am 1-Ausgang 38 auf Nullpotential abfällt, wird
der Transistor 20 a gesperrt und der Transistor 30a leitend. Der Transistor 30c
ist zu diesem Zeitpunkt leitend, da die Spannung am Zurücksetzeingang 44 beim Nullpotential
liegt. Es besteht daher ein niederohmiger Weg durch die Transistoren 30 a und 30
c zwischen dem 0-Ausgang 28 und dem Punkt 40, so daß die Spannung an der Klemme
28 auf -I- V Volt ansteigt. Diese Spannung wird auf die Steuerelektrode
26 b des Transistors 20 b rückgekoppelt, so daß dieser Transistor
leitend wird. Die Spannung am 1-Ausgang 38 bleibt dann bei Beendigung des Tastimpulses
50 auf Nullpotential.
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Die bistabile Schaltung bleibt so lange im gesetzten Zustand, bis
die Spannungen am Setzeingang 46 und am Zurücksetzeingang 44 aus 0 Volt bzw. + V
Volt umschalten und ein Tastimpuls 50 auftritt. Wie bereits erwähnt, kann bei Abwesenheit
des Tastimpulses 50 kein Umschalten stattfinden, da die Transistoren 20d und 20f
gesperrt sind und die Spannung an entweder der Ausgangsklemme 28 oder der Ausgangsklemme
38 nicht von + V Volt auf Nullpotential geschaltet werden kann. Ferner kann die
bistabile Schaltung selbst bei Anwesenheit eines Tastimpulses 50 nicht umschalten,
wenn die Spannungen am Zurücksetzungseingang 44 und am Setzeingang 46 beide Null
sind, da in diesem Fall beide Transistoren 20 c und 20 e gesperrt sind. Diese Tatsache
wird bei einer später zu beschreibenden Ausführungsform der Erfindung ausgenutzt.
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Zusammenfassend ist festzustellen, daß im Ruhezustand der Anordnung
niemals ein niederohmiger Weg über irgendwelche Transistorkombination zwischen dem
Schaltungsnullpunkt und dem positiven Pol der Batterie 42 besteht. Außerdem besteht
bei schnell ansprechenden Transistoren, besonders solchen mit Einschaltschwelle,
selbst während eines Schaltüberganges kein niederohmiger Weg zwischen dem Schaltungsnullpunkt
und dem positiven Pol der Batterie 42. Im Ruhezustand werden die Transistoren lediglich
vom Reststrom durchflossen, so daß die verbrauchte Leistung außerordentlich gering
ist. Während eines Schaltüberganges kann in verschiedenen der Transistoren ein geringer
zusätzlicher, die parasitären Kapazitäten aufladender und entladender Strom fließen.
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F i g. 3 zeigt das Schaltschema einer anderen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Flip-Flops. In F i g. 3 liegen die Transistoren 20 c und 20 d
parallel und ist der S-Pol 22a des Transistors 20a mit den D-Polen 24c, 24d der
Transistoren 20c bzw. 20d
verbunden. Die Transistoren 20 e und 20 fliegen
mit ihren stromleitenden Kanälen ebenfalls parallel und sind mit ihren D-Polen an
den S-Pol 22 b des Transistors 20b angeschlossen. Die S-Pole 32a, 32b der
Transistoren 30 a und 30 b sind direkt an eine Spannungsquelle von
+ V Volt angeschlossen. Die Transistoren 30c und 30d liegen mit ihren Kanälen in
Reihe zwischen der Spannungsquelle +V und dem 0-Ausgang 28. Ebenso liegen die Transistoren
30 e und 30f mit ihren Kanälen in Reihe zwischen der Spannungsquelle -I- V und 1-Ausgang
38. Im übrigen ist die Anordnung ebenso geschaltet wie die nach F i g. 1.
F
i g. 4 gibt eine Funktionstabelle für die bistabile Schaltung nach F i g. 3. Vergleicht
man diese Tabelle mit der Tabelle nach F i g. 2, so sieht man, daß vom funktionellen
oder logischen Standpunkt aus der einzige Unterschied zwischen den Anordnungen nach
F i g. 1 und 3 darin besteht, daß die Anordnung nach F i g. 3 für die Eingabe von
neuer Information in das Flip-Flop einen Tasteingang von 0 Volt benötigt, während
für die Anordnung nach F i g. 1 statt dessen eine Tastspannung von + V Volt erforderlich
ist. Im übrigen arbeiten die beiden Anordnungen in genau der gleichen Weise. Die
unterschiedlichen Tastpotentiale der beiden bistabilen Schaltungen lassen sich dazu
ausnutzen, ein verhältnismäßig einfaches Schieberegister aufzubauen.
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Nachstehend soll eine bistabile Schaltung in der Ausführung nach F
i g. 1 als »Typ A« und eine bistabile Schaltung in der Ausführung nach F i g. 3
als »Typ B« bezeichnet werden. Durch Verwendung dieser beiden bistabilen Schaltungen
kann man ein Schieberegister mit zwei Stufen pro Bit, für das lediglich eine Tastimpulsquelle
benötigt wird, in der in F i g. 5 gezeigten Weise aufbauen. Die ungeradzahligen
Stufen 53 a, 53 b des Schieberegisters (Entsprechendes gilt hier und im folgenden
auch für einen Ringzähler od. dgl.) bestehen aus bistabilen Schaltungen des Typs
A, während die geradzahligen Stufen 54 a, 54 b mit Flip-Flops
vom Typ B arbeiten. Die einzelnen Stufen sind mit ihren 0- und 1-Ausgängen jeweils
an den Setzeingang S bzw. den Zurücksetzeingang R der nächstfolgenden Stufe angeschlossen.
Die Tasteingänge T sämtlicher Stufen sind an eine gemeinsame Sammelleitung 56 angeschlossen,
die ihrerseits die Taktimpulse 50 von irgendeiner geeigneten nicht gezeigten Quelle
empfängt.
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In eine bistabile Schaltung vom Typ A wird Information eingeschleust,
wenn der Taktimpuls + V Volt beträgt, wie bereits erwähnt. Wenn daher die Taktimpulsspannung
von 0 auf + V Volt ansteigt, nimmt jede bistabile Schaltung vom Typ A den Zustand
der unmittelbar vorausgehenden bistabilen Schaltung vom Typ B an. Wenn die Taktimpulsspannung
von + V Volt auf 0 Volt abfällt, wird neue Information in die bistabilen Schaltungen
vom Typ B eingegeben und nimmt jede dieser bistabilen Schaltungen den Zustand der
unmittelbar vorgeschalteten bistabilen Schaltungen vom Typ A an. Störschwingungen
(Selbsterregung) können im vorliegenden Schieberegister nicht vorkommen, da die
bistabilen Schaltungen vom Typ A ihren Zustand nicht ändern können, wenn die Taktimpulsspannung
0 Volt beträgt, und die bistabilen Schaltungen vom Typ B ihren Zustand nicht ändern
können, wenn die Taktimpulsspannung + V Volt beträgt. Außerdem wird zum Verschieben
von Information nur eine einzige Taktimpulsquelle benötigt, und es sind keine Blindwiderstände
erforderlich. Die Anordnung ist daher nicht folgefrequenzempfindlich.
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In manchen Fällen ist es wünschenswert, mit nur einer Speicherstufe
pro Bit im Schieberegister auszukommen. Bekanntlich muß man in diesem Fall eine
Zwischenspeicherung vorsehen und Maßnahmen treffen, um eine Selbsterregung zu verhindern.
F i g. 6 zeigt eine neuartige Gatterschaltung, die für ein derartiges Schieberegister
oder einen Ringzähler verwendet werden kann. Die Gatterschaltung nach F i g. 6 hat
aber auch andere Anwendungsmöglichkeiten.
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Die Gatterschaltung enthält zwei p-leitende Transistoren 70 a und
70 b, deren stromleitende Kanäle in Reihe zwischen einen Schaltungspunkt
78 a und eine als »Ausgang B« bezeichnete Ausgangsklemme 88 geschaltet sind.
Der erste Transistor 70 a ist mit seinem S-Pol 72a direkt an den Punkt 78 und mit
seinem D-Pol 74 a an den S-Pol 72 b des zweiten Transistors 70 b angeschlossen.
Der D-Pol 74 b ist mit der Ausgangsklemme 88 verbunden. Eine Betriebsspannungsquelle
von V Volt, beispielsweise die Batterie 90, ist mit ihrem positiven Pol an den Punkt
78 angeschlossen und mit ihrem negativen Pol geerdet. Ein dritter und ein vierter
p-leitender Transistor 70c und 70d
sind in entsprechender Weise zwischen den
Punkt 78 und eine als »Ausgang A« bezeichnete Ausgangsklemme 92 geschaltet.
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Ein erster n-leitender Transistor 80 a ist mit seinem D-Pol 84 a an
die Ausgangsklemme 88 angeschlossen und mit seinem S-Pol 82a, geerdet. Ein zweiter
n-leitender Transistor 80b ist in entsprechender Weise zwischen die zweite Ausgangsklemme
92 und den Schaltungsnullpunkt geschaltet.
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Der G-Pol 76 b des Transistors 70 b und der G-Pol 86 a des
Transistors 80 a sind gemeinsam an einen Zurücksetzeingang 94 angeschaltet.
Der G-Pol 76 d des Transistors 70 d und der G-Pol 86 b des Transistors
80 b sind gemeinsam an einen Setzeingang 96 angeschaltet. Die G-Pole 76 a
und 76 c der übrigen Transistoren 70 a und 70 c sind gemeinsam an
einen Taktimpulseingang 98 angeschaltet. Die Taktimpulse 50 werden zwischen
den Tasteingang 98 und Masse gelegt.
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Wie noch ersichtlich werden wird, werden die Signale an den Ausgängen
A und B bei Abwesenheit des Taktimpulses 50 durch die am Zurücksetzeingang
94 und am Setzeingang 96 liegenden Spannungen bestimmt. Diese Ausgangssignale
werden bei Eingabe des Taktimpulses nicht verändert, vorausgesetzt, daß das Zurücksetz-
und Setzeingangssignal sich nicht ändern. Falls diese Eingangssignale sich jedoch
ändern, werden die Signale am A-Ausgang und B-Ausgang während des Taktimpulsintervalls
durch sowohl die neuen Zurücksetz- und Setzeingänge als auch den Betriebszustand
der Anordnung vor Eingabe des Taktimpulses bestimmt. Um die Wirkungsweise der Anordnung
noch besser verständlich zu machen, sind in der Funktionstabelle nach F i g. 7 die
verschiedenen Spannungswerte der Signale als Funktion der Zeit angegeben. Die verschiedenen
in der Tabelle angegebenen Zeitintervalle entsprechen den gleichbezeichneten Zeitintervallen,
die rechts der Tabelle für die Taktimpulsspannung angegeben sind. Und zwar ist der
Taktimpuls 50 während des Intervalls von t" bis tp anwesend. Das Zeitintervall t"-
liegt vor dem Beginn des Taktimpulses, und das Zeitintervall t"" liegt zeitlich
nach trz und vor t, Es soll nun der Zustand der Anordnung zur Zeit t"_, wenn das
Signal am Zurücksetzeingang + V Volt und das am Setzeingang 0 Volt betragen, betrachtet
werden. Durch ein Zurücksetzeingangssignal wird der Transistor 70 b gesperrt
und der Transistor 80 a geöffnet, so daß das Signal am Ausgang B den Wert
0 Volt hat (Zeilen 1 und 2 in F i g. 7). Ein Setzeingangssignal sperrt den Transistor
80b und öffnet den Transistor 70d. Der Transistor 70c ist zu diesem
Zeitpunkt ebenfalls geöffnet, und zwar wegen des am Tasteingang 98 liegenden Nullpotentials.
Die Transistoren 70c und 70d bilden einen niederohmigen Weg zwischen dem
Schaltungspunkt 78 und der Ausgangsklemme 92, so
daß das Signal
am Ausgang A den Wert -f- V Volt hat (Zeilen 1. und 2).
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Der zum Zeitpunkt t" eintreffende Taktimpuls sperrt die Transistoren
70 a und 70 c. Das Signal am Ausgang B ändert sich nicht, daß der Transistor
80 a geöffnet ist. Im rechten Zweig der Schaltung wird lediglich der Transistor
70 d geöffnet, wenn der Transistor 70 c gesperrt wird. Durch die im Transistor 70
d und in den parasitären Kapazitäten zwischen der Ausgangsklemme 92 und dem Schaltungsnullpunkt
gespeicherte Ladung wird der Ausgang A auf + V Volt gehalten, da die Transistoren
70 c und 80 b
hochohmige Kriechstromwege darstellen. Ein Teil dieser Ladung
würde langsam abfließen, wenn die Taktimpulse eine ausreichend lange Dauer hätten.
Es wurde jedoch gefunden, daß keine wahrnehmbare Änderung in der Spannung am Ausgang
A eintritt, wenn der Taktimpuls einige Mikrosekunden Dauer hat. Wenn sich daher
während der Abwesenheit des Taktimpulses die Signale am Zurücksetz- und der Setzeingang
nicht ändern, erfolgt während des Intervalls t", keine Änderung der Signale an den
Ausgängen A und B (Zeile 1).
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Es soll nun betrachtet werden, was geschieht, wenn sich zur Zeit t"+
die Zurücksetz- und Setzeingangssignale umkehren. Das Setzeingangssignal beträgt
jetzt -f- V Volt, wodurch der Transistor 80 b geöffnet wird und die Spannung am
Ausgang A auf Nullpotential abfällt (Zeile 2). Das Zurücksetzeingangssignal schaltet
von -I- V Volt auf Nullpotential, wodurch der Transistor 80 a gesperrt und der Transistor
70 b geöffnet wird. Der Transistor 70 a ist wegen der Taktimpulsspannung gesperrt.
Der Transistor 70a bildet einen hochohmigen praktisch unterbrochenen Stromweg zwischen
der Klemme 88 und dem positiven Pol der Batterie 90. Der Transistor
80 a unterbricht den Stromweg zwischen der Ausgangsklemme 88 und dem Schaltungsnullpunkt.
Es fließt daher durch diese Wege nur derjenige sehr geringe Strom, der den zuvor
geöffneten Transistor 80 a und die parasitäre Kapazität zwischen der Ausgangsklemme
88 und Masse auflädt oder entlädt, so daß der Ausgang B auf Nullpotential bleibt
(Zeile 2). Man sieht, daß durch Verändern der Spannungen am Zurücksetzeingang und
am Setzeingang der Ausgang A von -F- V Volt auf Nullpotential geschaltet wird.
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In ähnlicher Weise läßt sich zeigen, daß zur Zeit t" der Ausgang
A Nullpotential und der Ausgang B ein Potential von -i- V Volt führen, wenn
das Zurücksetzeingangssignal 0 Volt und das Setzeingangssignal -i- V Volt betragen
(Zeilen 3 und 4), und daß zur Zeit t"+ die Signale an den Ausgängen A und B nicht
verändert werden, wenn sich die Signale am Zurücksetzeingang und der Setzeingang
nicht ändern (Zeile 3). Ebenso läßt sich zeigen, daß die Spannung am Ausgang B von
V Volt auf Nullpotential abfällt, wenn zum Zeitpunkt t"+ die Signale am Zurücksetzeingang
von 0 auf -t- V und am Setzeingang von -i- V auf 0 schalten.
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Vergleicht man die Signale an den Ausgängen A und B zum Zeitpunkt
t" _ mit den Signalen an den Ausgängen A und B zum Zeitpunkt t"+, so sieht man,
daß das Signal am Ausgang A oder der Ausgang B
bei Anwesenheit des
Taktimpulses zwar von -h- V Volt auf 0 Volt abfallen (Zeilen 2 und 4), nicht jedoch
von 0 auf -I- V Volt ansteigen kann. Diese Eigenschaft der vorliegenden Schaltung
läßt sich dazu ausnutzen, ein Schieberegister od. dgl. mit einer Stufe pro Bit aufzubauen.
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Wie bei der Beschreibung der bistabilen Schaltung nach F i g. 1 erwähnt,
kann die Schaltung nur dann umgeschaltet werden, wenn ein Taktimpuls anwesend ist.
Ferner wurde erläutert, daß, wenn die bistabile Schaltung umschaltet, sowohl der
Zurücksetzeingang als auch der Setzeingang sogar während des Taktimpulsintervalls
auf Nullpotential gehen können, ohne daß der Zustand der bistabilen Schaltung dadurch
beeinflußt wird. Diese Eigenschaften der bistabilen Schaltung lassen sich mit denen
der Gatterschaltung nach F i g. 6 so kombinieren, daß die beiden Anordnungen in
der in F i g. 8 gezeigten Weise zu einem Schieberegister, einem Ringzähler od. dgl,
zusammengeschaltet werden können.
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Inas Blockschaltbild nach F i g. 8 zeigt drei bistabile Schaltungen
11.0, 112 und 114. Ein erstes Gatter 116 ist mit seinem Zurücksetzeingang R an den
1-Ausgang und mit seinem Setzeingang S an den 0-Ausgang der ersten bistabilen Schaltung
110 und mit seinem A-Ausgang an den Zurücksetzeingang R und mit seinem B-Ausgang
an den Setzeingang S der zweiten bistabilen Schaltung 112 angeschaltet, Ein
zweites Gatter 1.18 ist in entsprechender Weise zwischen die Ausgänge der zweiten
bistabilen Schaltung 112 und die Eingänge der dritten bistabilen Schaltung 114 geschaltet.
Sämtliche bistabilen Schaltungen und Gatter sind mit ihren Tasteingängen T an eine
gemeinsame Sammelleitung 122 angeschlossen, über die Taktimpulse 50 (oder
Schiebeimpulse usw.) eingegeben werden.
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Jede der bistabilen Schaltungen 110 ... 114 speichert im Ruhezustand,
d. h., wenn kein Taktimpuls 50 anwesend ist, ein Bit »1« oder »0«. Im Ruhezustand
sind die Ausgangssignale der Gatter 116 und 118
durch die Ausgangssignale
der bistabilen Schaltungen 110 bzw. 112 bestimmt. Wenn daher ein Taktimpuls
50 eintrifft, nimmt die zweite bistabile Schaltung 112 den diesem Impuls
vorausgegangenen Zustand der ersten bistabilen Schaltung 110 und die dritte bistabile
Schaltung 114 den dem Impuls vorausgegangenen Zustand der zweiten bistabilen Schaltung
112 an.
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Die Ausgangssignale einer bistabilen Schaltung, besipielsweise der
zweiten bistabilen Schaltung 11.2, ändern sich, wenn sich ihr Betriebszustand ändert.
Die Änderung der Ausgangssignale kann dabei eintreten, bevor der Taktimpuls endet.
In diesem Fall sind nach der Änderung die Ausgangssignale des nächstfolgenden Gatters
1.1.8 beide 0 Volt (Zeilen 2 und 4 in F i g. 7). Bevor jedoch die Ausgangssignale
diesen Wert erreichen, hat die folgende bistabile Schaltung 114 umgeschaltet oder
befindet sich zumindest im Zustand des Umschaltens, falls ein solches Umschalten
durch die vor dem Taktimpuls vorhandenen Eingangssignale dieser bistabilen Schaltung
verlangt wird. Wie bereits bei der Beschreibung der bistabilen Schaltungen erwähnt
wurde, können nach dem Beginn des Schaltvorganges beide Eingänge einer bistabilen
Schaltung 0 Volt werden, ohne daß die bistabile Schaltung dadurch beeinflußt wird.
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Nicht zugelassen werden kann dagegen der Zustand, daß bei Anwesenheit
des Taktimpulses beide Eingänge einer bistabilen Schaltung -I- V Volt werden. Dieser
Zustand kann im vorliegenden Fall jedoch nicht eintreten. Auf Grund der Eigenschaften
der Gatter wird nämlich eine bistabile Schaltung unempfindlich gegen Zustandsänderungen
während der
Anwesenheit eines Taktimpulses gemacht. Ferner kann
eine bistabile Schaltung nach Beendigung des Taktimpulses nicht umgeschaltet werden.
Die Arbeitsweise des Schieberegisters kann daher nicht instabil werden.