книги из ГПНТБ / Воскресенский В.В. Применение туннельных диодов в импульсной технике

Д л я

определения

длительности импульсов схему (рис.

4.66)

можно

упростить и

привести к рис. 4.7а. Эквивалентная

схема

Рис. 4.7.

Упрощенные

эквивалентные схемы генератора с мо­

стовым

времязадающпм

элементом

п ТД:

а) для процесса заряда конденсаторов моста до момента отпи­

рания диода Д; б) для процесса

заряда конденсаторов моста

после отпирания диода

Д

£экв —

^кД (J l +

^2 —

/до)

{к

—

/до) ^ 1 •

„

рС

— й'''экв — е э к в

=

0;

(4.59)

£экв

-

( i i +

1 2 - / д о )

Я „ 1 -

~ г

-

(»'я -

/до) R* =

0,

(4.60)

где

рС

^экв =

/ к 0

- ^ к 1 -

Р е ш а я

(4.59)

и

(4.60)

относительно

токов

tt

и

получим

^

__

[^экв

+ /до ( ^ K I ~ T ^ I ) —е экв—'г RKI] Р С .

(4

61)

(Km +

Ri

+

4 в )

ре +

1

'

[£экв +

/до ( Я к 1

+

Ri)

- еЭКВ]

рС -

«1 [ ( я в 1

+ /?! Н- 4 в )

Р С +

1J

PCRK1

(4.62)

^

=

[£ЭКВ +

/ДО № < 1 +

RJ)

РС -

/2 1№<1

'

I -

Я») PC +

1 ] .

^

g

кг

•

_ _

[ £ э к в

+

/до (RKI

~ Г

R2) —

' г RKI]

PC

,л

g

J N

2

(ЯК 1 + Я 8 ) р С + 1

П о л о ж и м

Ci = C 2 = C M ;

( Я ш + Л + г ^ )

= (RKi+Rz)

и Я к 1 < <

" С Г ^ + ^ г ) 2 ,

тогда из

совместного решения

ур-ний

(4.61),

(4.63)

и

(4.62),

(4.64)

получим

к

а р

2

~ Ь р

,

(4.65)

где

а ^

^экв Я 2

+

(/д о Яц — еЭКВ)

(Яш + Я.) .

( Я к 1 +

Я 2 ) 2

_

£"экв + /до (ЯК 1 -f- Я2 ) — еЭКВ

_

С ( Я к 1

+

Я 2 ) 2

d =

1

,

(4.66)

C(Ria

+

R2)

v

'

а'

р 2 + b' р

tg

"

где:

а

=

£ э

к в Я 2 +

/до (2 ЯК 1 Я 2

-|- Я 2

— RKI RI)

— е экв Rai

;

_

£зкв +

/Д О ( Я к 1

-г Я2 ) .

С ( Я к 1

+

Я 2 ) 2

и,

=

А _

=

а '

Р +

Ь ' .

(4.67)

рС

с (p +

d)2

Так как Дт^Яъ

а г ж в

< . R i , то

можно

положить

RittR2=RM-

Применив к в ы р а ж е н и я м

(4.65)

и

(4.67)

обратные

преобразования

Л а п л а с а — К а р с о н а

и учитывая, что

RKI

[ £ Э К В +

/ Д О ( Я Ш

+

^ 2

)

t е~ d

' <<

С м

( R K I + я 2 ) 3

^

£э,<в Яд +

(/до Я! — е э к в )

(Я,<1 +

Я2 ) е -

dt

(RKI

+

Я 2 ) 2

Якг [^зкв +

/д о (ЯК 1 +

Я 1 )

— еЭ К в

t&-d<

^

Сы ( Я к 1 + Я 2 ) 2

< f f * B + / « o ( / ? K i + ^ 3

) ]

е

" ;

$ч [ ^ Э К В

-

получим

ix

(t)

я}

£ з к в

+

/ д 0

^ м

~ С э к

в

е~

1,

(4.68)

Ям

"2 (0

«

£экв +

/ д о /?„ -

(£экв +

' д о Я„) е~

(4.69)

где

d'

:

1

1

С м

Я м

т з 1

По

мере

з а р я д а

конденсаторов

'моста

«гадание

н а п р я ж е н и я на

сопротивлении

резистора

Ri

уменьшается,

а напряжение на емко­

сти С2

увеличивается. Когда напряжение

ы2

превысит и т

на величи-

5"

9:1

ну напряжения отпирания диода

моста

£ ' д о « е д , диод Д отпирается

и ток з а р я д а конденса-торов моста

резко

убывает.

диода моста можно изобразить в виде рис. 4.76, где е д и г д

— при­

веденное напряжение w сопротивление диода моста Д.

К а к и в ранее рассмотренном генераторе с мостовым

времяза -

дающим элементом, длительность генерируемого импульса

состоит

из двух временных промежутков (рис. 4.56):

w B

( 0 - [ i i ( 0 - ^ o ] / ? M =

^

(4.70)

Р е ш а я

(4.70)

относительно

t'Q

с учетом

(4.68)

и

(4.69),

получим

2 | ^ / д о RM — е з к п

Г0 « С м

/?и

In

9 £ " ~ /

k 8 J

?

k 1

<

1 ,

(4.71)

I

|_ A 1Д о Км_

eA

' к о

RKI

Так

как

2 / д 0 R

x ~ й з к в

<^ 1

и

2

/ Д

" « »

~ е

д

< 1 ,

—IKORKI

ЕК

/ д о Я К 1

то для практических расчетов выражение

(4.71)

можно

существен­

но упростить и записать в виде

/ ; « С н Я м 1 п 2 .

(4.72)

В момент времени t0

ток з а р я д а конденсатора

d

с

/

~

^зкв +

J д о RM

С Э К В

.

1Л 7 о \

1С]

— / 0

~

—

,

К**- 'О)

а ток, протекающит е к а ю щ ий

через ТД,

*тд

^ т д 0

Г(£к ~

/к о RK 1 +

/ Д О * М )

(Я + /•„) -

£/2 К

+

=

2 Я„ (Я + г,)»

/ э

о Я г,] К - 2 Я м (К +

г3)

(Ц2 +

/ Э 0

Я )

(4.74)

Так

как

£ k

> / K 0 # K I ;

£ к

» / д о ' # м ;

EK^>\U2R

и Ек^>1я0Яг3,

a

U2~>huR,

то

г

^

Е к К — 2 Я м ^ 2

м 7 е \

/

т д

0 ~

2

'

( 4 ' 7 5 )

/ •

EKR

2 RM U2

min

г

1 т Д

~ / т д ° ~

2 « « ( к + г а )

^ ^

1

}

где hmax

— ток переключения

Т Д при максимальной

температуре

.рабочего

диапазона .

т , в « 0 , 5 С м ( Я к 1 +

г д + г'эка).

(4.77)

В момент времени /4

убывающий ток Т Д становится

равным то­

ку переключения

Т Д

переключается в состояние с низким уров­

Отрезок времени

/',

определим

из

условия

/ т

я о е

— / 2 ,

откуда

с учетом выражения (4.74)

получим

f

= х

, п

[(£к ~

'ко Я м +

/д о Я м ) (Я +

г3)

-

Цг Я -|- /эр Я г3 ] Я

-

-> 2 Я„ (Я +

гз) (1' 2

+ / э „ Я)

(4.78)

Д л я

практических расчетов

с учетом

(4.75) можно

положить

Г.

ttT3o\n-KR~2R"U2

,

(4.79)

Я„ (Я + г3 ) / 2

Д л и т е л ь н о с ть генерируемых

импульсов

ttt

« т Э 1 In 2 +

т3 о

In E*R-2R»U2

.

(4.80)

1

3 "

2Ям(Я +

г 3 ) / 2

т а к

как t\<^t'Q

, то

* и » С и Я „ 1 п 2 .

'

(4.81)

Время восстановления генератора определяется временем раз­

ряда конденсаторов моста и равно

fB O C « ( 2 - г -

2,5) С и г д .

(4.82)

Обычно

/вое составляет

(0,14-0,2)/,,.

•

Относительная

нестабильность

времени

б*; =

6 / 0 ( £ к )

+

б;о («?д ) +6t'0(U2)

+bt'0(r3)

+

+ б ^ (/,< о) +

б /; (/э 0 ) +

б t-0 (/ д о ) « б £ к

е э

; в ~ 2 9 е д

+

+ б е д

еЛ

bU%

^ 1

+

д

£ к 1 п 2

(Я + г 3 ) £ к 2 In 2

+

б г 3

^ 1

+

6

/

Л , о Я , . ( 2 й д - 4 в )

(Я +

/ - 3 ) 2 £ К 2 Ш 2

к

"

£ \ 2

1п2

+

6 / э 0

б / д

о

/ д о / ?

м

,

(4.83)

( Я + л , ) £ - к 2 1 п 2

Д П

, £ K l n 2

'

V

'

а относительная нестабильность отрезка времени t\

bt\

=

bt\

(Ек) +

бt\ (U2)

+ бt\ (/2 )

+ бt\ (7К

о) -|-

+

б t\ (/ э 0 )

+

б t\

( / д

о) +

б t\ ( r j

+

Ы\

(/',)

»

^ б £ к

^

6L/„-

b i o —

(Ек

Я — 2 К м £/«)

In а

"

(tf +

л,) / 2

а In а

" In а

_ б / к

0

2 Я м

/коЯкхЯ

a In а

б

/

/ з о Я

(Я + г3 ) / 2

(R + г3) /„ о In а

+ б / д 0

„ ,„

/ д в

*

,

+ б г

( Л м

(Я + г , ) / 2

а In а

+

6 /3

Я 2

(4.84)

(Я +

г3

( Я к Н - Я д ) (R +

л,) -|- Я г3

In а

где-

экв

Я +

гя

2 Я м (Я +

г3 ) /о

Относительная нестабильность длительности генерируемых им­

пульсов

б^и

=

— б г ; + — б ^ ;

(4.85)

Анализ

выражения

(4.83)

показывает,

что для увеличения ста­

бильности

отрезка

времени

t'0

необходимо

увеличивать Ек

и выби­

чение £ к

в два раза примерно во столько ж е раз уменьшает 6t'0 .

Нестабильность длительности t'a в основном определяется тем­

пературными нестабильностями

приведенного

напряжения

е д и теп­

лового обратного тока / д 0 диода

моста и приведенного

н а п р я ж е н и я

туннельного диода

е 3 ^ 0 2 . Нестабильностями

8t'Q(IKo)

и

(/э о)

при малых величинах сопротивлений RKl

и г3

можно

пренебречь.

Стабильность времени t [ в основном определяется

температур ­

ной стабильностью

параметров

Т Д и диода моста.

Что

касается

влияния

тепловых токов /„о, /э о и /до на температурную

стабильность-

времени

t \ , то при сравнительно

малых сопротивлениях резисторов-

/?кь /?м и R оно мало .

Из выражения

(4.79) видно,

что от выбора

величины

сопротив­

ления резистора R, шунтирующего ТД, зависит величина

t \ . Рост

увеличивает относительную

нестабильность длительности

им­

пульса.

Если величину сопротивления резистора R выбрать такой,

что

при максимальной

температуре

рабочего

диапазона

отрезок t\

бу­

дет пренебрежимо

мал по сравнению с t'0,

то получим

минимально

возможную относительную нестабильность длительности

импульса

t\ « т з 2

In

E K R - 2 R M U 2 m i „

= Q j

2 RM (R " Г r3 min) 12 max

откуда

^

2 R;.t (Uj

min ~\- R3 min

12 max)

^

gg)

EK

• 2 Ru I\ max

Определим

относительную

нестабильность длительности б! /п в

диапазоне

температур (25-+-70)°С дл я

генератора, собранного

на

ном диоде

типа

ЗИ306К,

при

следующих

данных:

£ „ = 1 5 В,

•6£„ = 5%,

/?к 1 = 470

Ом, /?1

= /? 2 =J? M =I 0 кОм,

# = 1 , 1

кОм

и С =

С 2 =

= С м = 0,47

мкФ . Д л я кремниевого

диода

типа Д220

можн о принять

е д « 0 , 4 В,

г д « 4 0 0

Ом, / д о | , ° = 2 5 ° с ~ 1 мкА

и / д о | / = > = 7 0 о С ~ 5

мкА.

Тем­

(4.72), (4.79),

(4.80), (4.83)

и (4.84),

получим

б*„ =

0,99;(0,2 ч- 0,55)

+ 0 , 0 1 (2

-=-5,6) да (0,22 4-0,6)%.

мостовым в р е м я з а д а ю щ и м элементом и ТД .

Рассмотрим рис. 4.8а. П а р а м е т р ы элементов

схемы

выбираются

так, что в исходном состоянии

Т Д характеризуется низким

уровнем

н а п р я ж е н и я , так как через него протекает эмиттерный

ток

/ э 2

насы­

щенного транзистора T2(ia2<.Ti).

Транзистор

Г 3

закрыт, a 7Л открыт

и насыщен. Конденсаторы С4

и С 2 р а з р я ж е н ы

практически

до

нуля.

С приходом положительного запускающего

импульса

на

базу

лектора понижается, и конденсаторы моста начинают

з а р я ж а т ь с я ,

так как диод моста остается некоторое время

закрытым .

Конденса­

тор Cj

з а р я ж а е т с я

через Т Д и параллельны й

ему резистор

R,

ре­

зисторы

Ri и / ? К 1 ,

а конденсатор С 2 —

через

резисторы

R2

и

RKu

Ток з а р я д а конденсатора переключает

Т Д в

высоковольтное

со­

стояние. Потенциал эмиттера транзистора Т2

понижается, и он на­

чинает запираться,

вызывая отпирание

транзистора Т3.

В

генерато­

превысит UR на величину

напряжения

отпирания диода моста

ERQ.

Д и о д моста

открывается,

и ток з а р я д а

конденсаторов моста, а

сле­

довательно,

и ток Т Д резко убывают. В

момент времени

/Л

убы­

вающий ток Т Д достигнет

значения тока

h- В результате

переклю-

Рис. 4.8. Генератор с эмиттерной связью с мосто­

вым времязадающим элементом

и ТД:

а) принципиальная

схема;

б)

временные

диаг­

раммы иа

элементах

схемы

чения Т Д

потенциал

эмиттера

транзистора 7'2

повышается, и он на­

чинает отпираться, вызывая запирание транзистора

Т3

и отпирание

транзистора Ti. Транзисторы

вновь

переходят

в

активный режим .

Б л а г о д а р я

наличию

положительной

обратной

связи

в

генераторе

зисторы 7\

и 7*2 открываются и

насыщаются, а транзистор Т3

за­

крывается.

Конденсаторы моста

быстро р а з р я ж а ю т с я через ТД,

ре­

зистор

R3,

транзистор Т\ и диод Д. Генератор возвращается в ис­

ходное

состояние.

К а к

и в

предыдущем

генераторе,

длительность

генерируемых

импульсов определяется

выражением

(4.81). Время

восстановления

генератора

' В о с « ( 2 ч - 2 , 5 ) С и ( Я 9 + гд ).

(4.87)

4.4,

П О Р Я Д О К Р А С Ч Е Т А

Рассмотренные

генераторы (рис. 4.2а, 4.5а

и 4.8а)

целесообразно использо­

вать

при генерировании

импульсов большой

длительности (единицы—десятки

мс)

с относительно

высокой стабильностью длительности

импульсов.

При необходимости генерирования импульсов с б / „ < 1 0 %

целесообразнее ис­

пользовать генератор с ТД в цепи эмиттера

транзистора (рис. 4.2а).

В схемном

отношении он гораздо проще генераторов

с мостовым времязадающим

элементом

л ТД (рис. 4.5а и 4.8а).

Если

же требуется обеспечить

5 / „ ^ 1 0

/ 0

, то можно использовать генераторы

(рис. 4.5а

н -1.8а) / Кроме того, при

выборе

схемы генератора

необходимо

пом­

нить, что время восстановления генераторов

(рис. 4.5а и 4.8а)

примерно в

(5-1-7)

раз меньше, чем у генераторов (рис. 4.2а).

2.

Напряжение

коллекторного

источника для

генераторов (рис.

4.2а

и 4.5а)

обычно

выбирают

в пределах £ к =

(1,15ч-1,2)£/м ,

а для генератора

рис.

4.8а —

Во всех типах

генераторов

целесообразно

применять

транзисторы

с большим

/'2i3, что облегчает

выполнение

условия насыщения транзисторов.

Кроме того,

должно выполняться неравенство £ к < £ Л с д о п ,

в котором

иКЛОи

—

максимально

допустимое коллекторное напряжение для схемы с общей

базой. Значение UK д о п

обычно приводится

в справочниках.

При

использовании

ТД с током переключения Л = ( 1 ч - 2 )

мА величину сопро­

тивления

резистора Лщ

в генераторе рис. 4.2а приходится

выбирать довольно

кроме всего прочего, увеличивает разбаланс моста,

что увеличивает

погрешность

ь определении длительности импульса по выведенной ранее формуле.

Туннельные диоды с током переключения 1^20

мА ухудшают

тепловой ре­

ка питания

мощность. Поэтому для генераторов, собранных на

маломощных

транзисторах, наиболее целесообразно использование ТД с током

переключения

У, = (5-нЮ)

мА

полагая /,<о=/эо=0 и е д = 0 . В генераторах

рис. 4.5а и 4.8а из

выражения

(4.86)

•определяют сопротивление R.

10. Из

выражения

(4.19)

в

генераторе

рис. 4.2а определяют

сопротивление

а в генераторах рис. 4.5а

и 4.8а

по ф-ле

(4.55)

определяют

сопротивле­

ние Яь-

сопротивление Rs-

11. В генераторе

рис. 4.2а

по ф-ле (4.14) определяют

В генераторах рис. 4.5а и 4.8а из выражения

(4.57) определяют

сопротивле-

лт е

Re.

12. Из

неравенства

(4.26) в генераторе

рис. 4,2а

определяют

сопротивле­

ние

Д\.

В

генераторах рис. 4.5а

п

4.8а

проверяют

выполнение

неравенств (4.76) и

(4.92).

13. В

генераторе

рис. 4.2а по

ф-ле

(4.28)

определяют

сопротивление

резис­

тора Ri.

Полагая Ci = C2 = CM , в генераторах

(рис. 4.5а и 4.8aJ по ф-ле

(4.81) опреде­

ляют емкости конденсаторов

моста.

14. Емкости ускоряющих конденсаторов в генераторах выбирают одинаковы­

ми .и равными! il50—300 пФ.

15. Проверяют выполнение условия восстановления

с

учетом

ф-л

(4.38),

(4.82) и (4.87) для генераторов

рис. 4.2а, 4.5а и 4.8а соответственно.

Пример

I.

Рассчитать генератор прямоугольных

импульсов

отрицательной

•полярности по следующим исходным данным: UM^il3

В, t„=8

мс, 67п =^10%, пе­

риод следования

запускающих

импульсов

Т = 2 0 млс, f n o c ^ 0 , 9

t,„

диапазон

рабо­

чих

температур

(25—70) °С.

1. По заданным 6^„ и tBOc

выбираем

генератор

рис. 4.2а.

2.

Определяем напряжение

коллекторного

источника: Ек

= (1,15-И,2)

•UM_=

= (1,15-1,2) -il3= (14,9-15,6) В.

Принимаем £ I t = i l 5

В.

3. Выбираем полупроводниковые приборы. Транзисторы типа П416Б, обла­

дающие при Г=20±5 С 'С,

/t 2 i э=90— 200, Uv

д ( ш = 2 0

В, допустимым

коллекторным

током

в режиме

переключения

/ Н д о п = 120 мА и /ко|го_7 0 ос=.100

мкА. Туннельный

.диод

типа

ЗИ306К (Л = 5 мА, /2 =0,25

мА, У 2 = 0 , 5

В и г 3 « 1 0 0

Ом). Диод Д —

типа Д220, у которого е д

« 0,4 В, гл

« 400 Ом.

RK2:

4. По ф-ле

(4.88)

рассчитываем

сопротивление

Е

15

Як- >

>S— =

Г =

125 Ом.

'кдоп

120 - Ю-3

Принимаем Я,<2=1,5 кОм.

В целях окончательной подстройки генератора резистор R,!2

выбираем

пере­

менным. Полагаем Rii2=

RKo—Rm!2.

5.

Сопротивление R2

рассчитываем

по ф-ле

(4.11), задавшись

£ а = 0 , 5 В:

R2 <

',

Еб

=

0,5

к = 5 кОм.

. „„

I

100-10~

Принимаем R2—2,2

кОм.

R:

6. По ф-ле (4.91) ориентировочно выбираем сопротивление

* ~

(0,25+0,1)7,

"

(0,2 5 +0°i) . 5 . 10 - 3

« ( 4

0 0 " 1 0

0 0

)

° М '

Принимаем Л = 620 Ом.

.7. Сопротивление

резистора R:, выбираем из неравенств (4.33) и (4.34):

E«R

(R +

г,) (0,33-0,67) I m i

n +

U2mln

_

{ R k

2 +

Г я ) ^

Rr"

15-620

(620+

100) (0,33 - 0,67)-4,86-10_ 3 +

0,49

— (1,5 - 10 _ 3

+

400) <