DE1942420B2

DE1942420B2 - Exclusiv-und/oder-schaltung

Info

Publication number: DE1942420B2
Application number: DE19691942420
Authority: DE
Inventors: Yasoji Kawasaki Suzuki (Japan)
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1968-08-20
Filing date: 1969-08-20
Publication date: 1976-05-13
Also published as: GB1252036A; US3602732A; FR2015998A1; NL6912636A; DE1942420C3; DE1942420A1; CH503434A

Description

Die Verwendung derartiger Exklusiv-UND/ODER-Schaltungen, die aus Feldeffekt-Transistoren aufgebaut sind, bringt jedoch den Nachteil mit, daß Feldeffekt-Transistoren eine relativ hohe Ausgangsimpedanz aufweisen, wenn die Transistoren durchgeschaltet werden, so daß eine relativ hohe Durchschaltspannung erforderlich ist Im durchgeschalteten Zustand des Transistors ist die Ausgangsspannung U-_dm gleich der Summe der Eingangsspannung U_c\_n und des über dem Drain-Source-Weg auftretenden Spannungsabfalls LJ,. Diese Ausgangsspannung U_3m läßt sich wie folgt darstellen:

U_am = Uem + V- ■ (3)

Wenn die Eingangsspannung U_em beispielsweise -2 V beträgt und der Spannungsabfall über dem Drain-Source-Weg des Feldeffekttransistors bei - 2 V liegt dann ergibt sich eine Ausgangsspannung U_Mi von -4 V. Ist in diesem Fall der Transistor auf eine Schwellenspannung von -4 V eingestellt, so ist es gut möglich, daß das Gate-Element eines anderen Feldeffekt-Transistors in einem nachgeschalteten UND/ ODER-Glied angesteuert wird, was Fehlschaltungen zur Folge hätte. Um derartige Fehlschaltungen bei der hohen Ausgangsimpedanz der Feldeffekt-Transistoren zu verhindern, muß der Rückwirkungsleitwert gm der Transistoren entsprechend klein gehalten werden. Das hat aber wiederum zur Folge, daß bei der Ausbildung einer Exklusiv-UND/ODER-Schaltung der obengenannten Art in integrierter Form der Flächenbereich vergrößert werden muß, der von den Transistoren eingenommien wird. Das steht einer gewünschten Verkleinerung eines solcher, integrierten Schaltkreises entgegen.

Die der !Erfindung zugrunde liegende Aufgabe liegt daher darin, bei einer Exklusiv-UND/ODER-Schaltung der eingangs genannten Art dafür zu sorgen, daß der Rückwirkungsleitwert gm der Feldeffekt-Transistoren des Exklusiv-UND/ODER-Gliedes ohne eine Vergrößerung der Transistoren klein bleibt und selbst dann klein gehalten werden kann, wenn der von den Feldeffekt-Transistoren in einer integrierten Schaltung eingenommene Flächenbereich verringert wird. Dabei soll für die mit der Ausgangsstufe der Transistoren verbundenen Elemente die gleiche Schwellenspannung zugelassen werden, so daß die Ausbildung der Schaltung in integrierter Form möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch zwei Inverter gelöst, die den Eingängen des Exklusiv-UND/ ODER-Gliedes jeweils vorgeschaltet sind.

Die vorgeschalteten Inverter sorgen für einen kleinen Rückwirkungsleitwert gm der Transistoren des Exklusiv-UND/ODER-Gliedes, so daß der obengenannte sich aus der großen Ausgangsirnpedanz der Transistoren ergebende nachteilige Effekt stark abgebaut werden kann und Fehlschaltungen soweit als möglich ausgeschlossen sind.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung an Haind der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild des Ausführungsbeispiels:

F ig-2 zeigt ein abgeändertes Schallbild des in Fig. ! dargestellten Ausführungsbeispiels.

Fig. 1 zeigt ein Exklusiv-UND/ODER-Glied 1 mit (bekanntem Aufbau und zwei mit den Eingängen des gjND/ODER-GIiedes 1 verbunrhne Inverter 2. Das Exklusiv-UND/ODER-Glied 1 weist zwei MOS-Feldef fekt-Transistoren 3 und 4 vom P-Kanaltyp auf, deren Source jeweils mit dem Gate des anderen T. ansistors verbunden ist Die Verbindungspunkte bilden die Eingänge A und B. Die miteinander verbundenen Drains der Transistoren bilden gemeinsam den Ausgang S. Ein weiterer Feldeffekt-Transistor 5 liegt zwischen dem Ausgang 5 und der Anschlußklemme E einer Energieversorgungsquelle und wirkt als Lastelement.

Die Inverter 2 enthalten zwei MOS-Feldeffekt-Tran- sistoren 6 und 7, deren Sourcen miteinander verbunden $ind und an Masse liegen und deren Drains mit der Klemme £der Energieversorgungsql eile über weitere yls Last geschaltete MOS-Feldeffekt-Transistoren 8 und 9 verbunden sind. Die Gates der Feldeffekt-Transistoren 6 und 7 stehen mit Signaleingangsklemmen a und b in Verbindung, während die Drains die Ausgänge X und Y bilden, die mit den Eingängen A und S des Exklusiv-UND/ODER-GIiedes 1 verbunden sind.

Unter der oben bereits getroffenen Annahme, daß die Feldeffekt-Transistoren des Exklusiv-UND/ODER- Gliedes die gleiche Schwellenspannung von z. B. — 4 V aufweisen, so daß der Aufbau der Schaltung in integrierter Form möglich ist, wird dann, wenn an den Eingängen a und b eine Spannung von - 9 V bzw. - 2 V liegt, der Transistor 6 der Inverter eingeschaltet und der Transistor 7 ausgeschaltet.

Dann liegt am Ausgang X eine Einschaltspannung, während am Ausgang Y die Ausschaltspannung liegt. die einen Wert von etwa —14 V erreicht, wie es in F i g. 2 dargestellt ist. Demzufolge wird der Transistor 3 des Exklusiv-UND/ODER-Giiedes 1 eingeschaltet.

S während gleichzeitig der Transistor 4 ausgeschaltet wird. Das Ausgangssignal am Ausgang S springt auf einen dem Wert 1 entsprechenden Potentialpegel. Die Ausgangsspannung am Ausgang Skann, wie es in F i g. 2 dargestellt ist, als Summe der SpannungsabfäUe

ίο ausgedrückt werden, die über den Drain-Source-Wegen der Transistoren 6 bzw. 3 auftreten, wenn diese durchgeschaltet sind. In Fig.2 beträgt der Spannungsabfali über den Drain-Source-Weg des Transistors 6 etwa — 1 V, während der des Transistors 3 bei ebenfalls

i> —IV liegt, so daß sich die Ausgangsspannung am Ausgang Szu etwa — 2 V bemißt. Wie erwähnt, läßt sich die Ausgangsspannung des Exkiusiv-UND/ODER-Gliedes als Spannungsabfall über dem Drain-Source-Weg jedes Transistors darstellen, wenn dieser eingeschaltet

■zo ist, unabhängig vom Wert der Eingangsspannung, so daß die Ausgangsspannung konstant gehalten werden kann.

Solang die Spannung am Eingang b — 4 V beträgt, bleibt der Transistor 7 gesperrt. Fällt diese Spannung

dagegen von —4 V um irgendeinen Wert ab, so wird der Transistor 7 durchgeschaltet.

Es wird nun der Fall betrachtet, daß, wie in Fig. 2 dargestellt, der niedere Pegel der Eingangsspannung -9 V beträgt, während der Oberpegel der Ausgangs-

spannung bei —2 V liegt, und es soll die Breite Wund die Länge L des Gates des Feldeffekt-Transistors 3 abgeschätzt werden. Das Ergebnis läßt sich durch die folgende Gleichung ausdrücken:

u_G _ _Uih){Ul) '4)

Darin bedeutet

I_d = Drainstrom,

εο, = Dielektrizitätskonstante des Siliciumoxyds.

to* = Siliciumoxydschichtdicke,

μ = Löcherbeweglichkeit,

Uc = Spannung über der Gate-Source-Strecke. U,h — Schwellen-bzw. Schleusenspannung, Ud = Drain-Spannung,
Us = Source-Spannung.

Daraus folgt

Wird ein Drain-Strom l_d von etwa 03 mA zugrundegelegt, so folgt:

Der Rückwirkungsleitwert gm des Transistors 3 läßt sich aus der folgenden Gleichung bestimmen:

gm =

(7)

Wird die Siliciumoxydschichtdicke zu ro, = 2500 A angenommen, so ergibt sich

gm = 250 μ3 = 250 · ΙΟ^Ω-' .

Theoretisch läßt sich gm aus Gleichung (7) durch Differentiation des Stromes l_d nach der Spannung IJ_C, aus Gleichung (4) bestimmen. /,, in Gleichung (4) wird

jedoch in einem ungesättigten Bereich bestimmt, während gm im allgemeinen für einen gesättigten Bereich bestimmt wird, so daß Gleichung (7) sich nicht direkt aus Gleichung (4) ableiten läßt.

Wird der Rückwirkungsleitwert der Inverter der Eingangsstufe in gleicher Weise wie oben beschrieben ermittelt, so ergibt sich dafür ein Wert von 500 \i$>. Wird der Rückwirkungsleitwert gm der Last-MOS-Feldeffekt-Transistoren 5, 8 und 9 in ähnlicher Weise bestimmt, so ergibt sich für diese ein Wert von etwa 25 \iS. Daraus ergibt sich, daß Inverter in der ersten Stufe einer Exklusiv-UN D/ODER-Schaltung den nachteiligen Effekt abbauen können, der sich bei einem Feldeffekt-Transistor aus seiner übergroßen Ausgangsimpedanz beim Einschalten ergibt.

Bei der vorerwähnten Anordnung liegt der besondere Vorteil darin, daß Vergrößerungen des Rückwirkungsleitwertes gm der MOS-Fcldeffekt-Transistoren selbst.

die in der Exklusiv-UND/ODER-Sclialtung verwendet werden, beseitigt ist oder daß ein unzulässiger Anstieg der Schwellenspannung eines mit der Ausgangsstufe des Transistors verbundenen Elements verhindert wird. wobei der Pegel der Ausgangsspannung stets konstant gehalten werden kann, selbst wenn Exklusiv-UND/ ODER-Glieder in zwei Stufen miteinander verbunden sind. Die erfindungsgemäße Exklusiv-UND/ODER-Schaltung hat weiterhin den Vorteil, daß es für den Betrieb lediglich erforderlich ist, die Signale dem Gate der Inverter 2 zuzuführen, ohne daß ein besonderer eingangsseitiger Arbeitsstrom erforderlich wäre. Bei integriertem Aufbau können die Gesamtabmessungen des Schaltkreises vermindert werden, da der Rückwirkungsleitwert gm der verwendeten Transistoren klein ist, wodurch sich ein größerer Vorteil ergibt, daß sich ein höheres Maß an Integration verwirklichen läßt. Weiterhin besteht nicht die Gefahr, daß die Schaltgeschwindigkeit in irgendeiner Weise vermindert wird.

Bei der soweit beschriebenen Ausführungsform der Erfindung sind die Inverter durch Verbindung eines Paars von Feldeffekt-Transistoren aufgebaut. Für diese Inverter können jedoch auch gewöhnliche Transistoren verwendet werden. Weiterhin werden Feldeffekt-Transistoren 5, 8 und 9 zur Begrenzung der Belastung der Exklusiv-UND/ODER-Glieder verwendet. Beim integrierten Schaltungsaufbau ist es jedoch von Vorteil, diese Belastung durch lineare Widerstände, beispielsweise durch Diffusionswiderstände, zu realisieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Exklusiv-UND/ODER-Schaltung mit einem Exklusiv-UND/ODER-Glied, das von zwei Feldeffekt-Transistoren mit im wesentlichen gleichen Eigenschaften gebildet wird, deren Source jeweils mit dem Gate des anderen Transistors, deren Gate mit je einem Eingang der Schaltung und deren Drains mit dem Ausgang der Schaltung verbunden sind, wobei zwischen der Energiequelle für die Schaltung und dem Ausgang des Exklusiv-UND/ ODER-Gliedes ein Lastelement liegt, gekennzeichnet durch zwei Inverter, die den Eingängen des Exklusiv-UND/ODER-Gliedes jeweils vorgeschähet sind.

2. Exklusiv-UND/ODER-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Inverter einen Feldeffekt-Transistor enthält, dessen Drain mit einem Eingang des Exklusiv-UND/ ODER-Gliedes und dessen Source mit Masse verbunden ist

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Die Erfindung betrifft eine Exklusiv-UND/ODER-Schaltung mit einem Exklusiv-UND/ODER-Glied, das von zwei Feldeffekt-Transistoren mit im wesentlichen gleichen Eigenschaften gebildet wird, deren Source jeweils mit dem Gate des anderen Transistors, deren Gate mit je einem Eingang der Schaltung und deren Drains mit dem Ausgang der Schaltung verbunden sind, wobei zwischen der Energiequelle für die Schaltung und dem Ausgang des Exklusiv-UND/ODER-Gliedes ein Lastelement liegt

Eine derartige Exklusiv-UND/ODKR-Schaltung ist bereits vorgeschlagen worden und arbeitet in der Weise, daß beim Anliegen zweier Eingangssignale gleicher Polarität an den beiden Sourcen der Feldeffekt-Transi· stören das Ausgangssignal der Schaltung den Wert 0 hat. Weisen die Eingangssignale dagegen entgegengesetzte Polarität auf, so ergibt sich ein Ausgangssignal mit dem Wert 1. Haben somit die Eingangssignale einen den Werten 0,0 oder 1,1 entsprechenden Potentialpegel, so ergibt sich für das Ausgangssignal der dem Wert 0 entsprechende Pegel, während bei Potentialpegeln der Eingangssignale, die den Werten 0,1 oder 1,0 entsprechen, das Ausgangssignal einen dem Wert 1 entsprechenden Pegel zeigt. Werden die Werte der Eingangssignale mit A und B und der Wert des Ausgangssignals mit 5 bezeichnet so läßt sich die Exklusiv-ODER-Verknüpfung durch die folgende Gleichung ausdrücken:

= AB + AB.

ID

Wird die Polarität der der Schaltung zugeführten Signale umgekehrt, so ergibt sich die Exlklusiv-UND-Verknüpfung, die durch die folgende Gleichung dargestellt werden kann:

55

60

S = AB + AB.

(2)

Logische Schaltkreise, die in Additions- und Subtraktionsvorrichtungen oder bei ähnlichen Einrichtungen verwendet werden, benötigen häufig eine beträchtliche Anzahl logischer Elemente, deren Funktionsweise durch die obigen Verknüpfungsgleichungen dargestellt werden kann. Werden derartige Exklusiv-UN D/ODER Schaltungen beispielsweise zum Aufbau einer Additions- und Subtraktionsvorrichtung verwandt, so wird der gesamte Schaltungsaufbau einer solchen Vorrichtung merklich vereinfacht da der Aufbau der einzelnen Exklusiv-UND/ODER-Schaltkreise selbst sehr einfach