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

Область возможных значении

R\=f(R),

в которой обеспечивается переключе­

ние ТД по току h, получается из

неравенства

(2,76) .и левой части двойного не­

равенства (2.72). Разрешая их относительно 'Ri,

получаем

fix <*,E~2,Ulr,

liR

•

( 2 1 0 3 )

Ui +

Ri

> R R(E-U2-J2r1)+r1(E-2U2)

+

U2) +

V2rx

(2.104)

R42

+ R (/jrj

Область

возможных

значений

R\=f(R)

в этом случае

ограничена кривыми

2 и 4. Обе области имеют

общий

участок.

Соответствующие

ему значения Rt и R

Е—их

— иг

RX = 2R

.

(2.105)

цифрой 5. Таким образом, в области, лежащей

выше

кривой

5,

значения

сопро­

тивлений Ri и R обеспечивают

переключение ТД по току

h, а

в

области,

лежа­

щей ниже кривой 5, — по току 1\.

Как отмечалось выше, при

переключении

по току

Л

амплитуда импульсов

Индуктивность

катушек L

в генераторах на одном ТД

I =

Т

,

(2.1С6)

In

А

г

1пБ

|

In С

V

R 3

^ + R ^ R ' ^ + R ^

R;KB

+ R

где А , В и С —

соответственно логарифмический

множитель

в

ф-лах

(2.40),

(.2.42), (2.43) или

(2.47) — (2.49). Входящие в

выражения

для

длительности им­

пульсов

величины

Ежи,

-RSKB,

UA

И ИВ

рассчитываются

по ф-лам

(2.86),

(2.87),

(2.90) и

(2.91) в

генераторе с

последовательной

индуктивностью

и по

ф-лам

(2.88), (2.89), (2.92) и (2.93) в генераторе с параллельной индуктивностью.

После расчета индуктивности по ф-ле (2.106) необходимо проверять выпол­

нение условия самовозбуждения по переменному

току

соответствующего

гене­

ратора по ф-лам

(2,13)

или (2.16),

которые с

учетом нагрузки

и десятикратного

запаса в выполнении неравенств записываются в следующем виде:

L^IO

1

2 1 "

RCa;

(2.107)

' • н - k s l

0

RRi\rt\r„CR

где

| г 2 |

=

| г 2 | с р

и

определяется по ф-ле (1.4). В генераторе на двух ТД индук­

тивность

L

определяется

из ф-лы (2.82),

для

чего

предварительно

по

ф-лам

(2.77)

и

(2.80) пли

(2.81) рассчитывается /1,(00), I L

m

a x

или /

т о д .

Пример.

Рассчитать

автогенератор

импульсов

с

последовательной

индуктив­

ностью (рис. 2.2а) по следующим

данным: 7 = 1

мкс, г п = 4 0 0

Ом.

галлия

1.

Выбираем

туннельный

диод. Принимая,

что

для

ТД

из арсенида

£ А«0,1

В и У 2 « 0 , 6 В ,

по ф-ле

(2.95) находим

h

»

(2 ч-

3)

U. — Ux-

=

(2 -

3)

0,6—0,1

=

(2,5 -4- 3,75)

мА.

' т

4 0

Q

Такой

ток

обеспечивают

переключающие

диоды типа

АИ301Б,

ЗИ306Ж

и др.

Для проведения

расчета

в настоящем примере и в дальнейшем будем пользовать­

ся

условным

типом

ТД

.из

арсенида

галлия со средними

'параметрами

сЛ = 0,1 В

/ i =

5

мА;

{.'2

= 0,6 В;

/ 2

=

0,25

мА:

I r« \min

=

50

Ом;

С д =

10

пФ.

.2. Из

двойного

неравенства

(2.18)

с

учетом параметров

Т Д

получаем

урав­

нения

£ >

5 - Ю - 3 ^

+

0,1;

£ < 0,25-10— 3

Я +

0,6.

По

этим

формулам

на рис. 2.13а построена область

допустимых

значений

Е—

=f(R).

Координаты

рабочей

точки

Я: £ = 0 , 4 5

В, R=39

О м < | г 2 | m , - n .

Зги

зна­

чения Е и Л принимаем для дальнейшего расчета.

3.

Для

расчета

индуктивности L вначале найдем аппроксимированные пара­

метры ТД по ф-лам

(1.2),

(1.4),

(1.24),

(1.25),

(1.27)

и

(1.28)

с учетом

(1.30) при

/об з =

4 h=

1 мА:

/ j .

о, г3— =

20

Ом;

| г21CP

5-10"

0,6—0,1

Ig-

=

105

Ом;

(5 — 0,25)

1СГ

3/

^обз =

U, +

(U3

-

lh)

]

/

= 0.6

+

(1,2 — 0,6)

X

X l 7

3-0,25.10-3

=

0

9 2

B .

'

(5 — 0,25) 10—3

^обз — V2

0,92 — 0,6

h

=

/ „ * - / ,

=

((1 -—0,0,255 ))1 100- 3

= 4 3 0

° M ; e 3 =

-

=

=

0,6 — 0,25-10-3-430 =

0,49 B;

„

UA- U 1 , 2 - 0 , 9 2

70 Ом;

Го =

А - / о б з

=

т =

3

( 5 - 1 ) 1 0 - 3

ез =

У 3

— / \ г з =

1,2 — 5 - Ю - 3 - 7 0 =

0,85В.

По ф-лам (2.85),

(2.90)

я

(2.91)

вычисляем

u0j UA Н UВ,

полагая

при

этом

U„, max = UA, ТОГДа

1,2-4004-0,1-70

£ / 4

ЬУ„ + L y 3 '

=

—

=

— — . - _ I

70

= 1,04 В;

400 +

(Uo +

Itfu)

ri

(0,6 +• 0,25• 10 - 3 • 400) • 20

U

* =

г н +

г,

=

400 + 20

= ° < 0 3

В -

«о =

U1 + U„ + UA

0,1 +

0 , 6 + 1 , 0 4

4

=

4

=

0,44 В .

По ф-ле (2.86) определяем E№S

ь

Е э

к в

и £ э к в ,

подставляя

в нее соот­

ветствующие

аппроксимированному

участку

характеристики ТД значения г д

и е я .

Для туннельной ветви rn=rit

е д = 0

^ . А

+

" о ^ н

0,45-400-20 + 0,44-39-400

£ э к в 1 =

1 ± J — - — —

=

— 1

! — •

= 0,63

В.

fl('-H-r'i)

39(400+ 20)

Для первого участка диффузионной ветви гл=г3,

ея = е3

Е

=

Егнг'з

+

("о +

е'3)

rHR

^экв

0,45• 400• 430 + (0,44 +

0,49) 400• 39 =

2,84 В.

39 (400 +

430)

Для второго участка

диффузионной ветви гя=г3,

ея = е'3'

сЕ

—

Егнг"3

+ (u 0 + е3 ') raR

э к в

~

R

(гн +

г3)

0,45-400-70+ (0,44 + 0,85) 400-39

39 (400 +

70)

[,8 В .

По ф-ле (2.87) найд'ем

соответствующие

значения

R0

Ух

400-20

/?экв! =

:

=

, n

n , 9

n

=

19 Ом;

гн + rx

400 +

20

Я « . =

'Уз

Т

400-430

=

208 Ом;

/

= ^Г-^Г,

Ч

э к

в

Г и +

400 + 430

риантов триггеров на ТД, отличающихся между

собой количеством

используемых диодов (один или д в а ) , способом

запуска,

способом

съема выходных импульсов, их полярностью и т. д.

Простейшая схема триггера, нагруженного на активное сопро­

тивление гТ 1 и емкость связи С», приведена на

рис. 3.1а. В

статичес­

ком состоянии нагрузочная прямая (сплошная

линия рис. 3.16)

пе­

ресекает вольтамперную характеристику Т Д

в

точках

А, В и

С.

Точки А

и В являются устойчивыми, а точка С —

неустойчивой [16].

З а п и ш е м

уравнение нагрузочной прямой:

iA=(E~uA)/R.

(3.1)

Чтобы нагрузочная п р я м а я пересекала вольтамперную характе ­

ристику

Т Д

в трех точках,

необходимо выполнение условий: Е<С

<C>Ui + hR

и E>Uz+hR-

Р е ш а я их относительно

сопротивления R,

чивого состояния триггера:

(E-U2)II2>R>(E-U1)II1.

(3.2)

Д л я

переключения

такого

триггера

необходимо подавать

им­

пульсы

чередующейся

полярности,

которые будут переводить Т Д

из

одного

устойчивого состояния

в

другое. Конденсатор Су в цепи

запуска

обычно выбирают такой

емкости, что за время действия

запускающего импульса напряжение u0i

на нем не изменилось,

а в

ся на Т Д напряжения . Конденсатор С 2 совместно

с г„ может

обра­

зовать как переходную цепь, передающую импульсы триггера

без

искажений, и тогда напряжение на нем все время

остается практи­

чески неизменным:

uo2^0,b(UB-UA),

(3.3)

так и дифференцирующую, тогда напряжение на

нем

ведет

себя

так ж е , как и на конденсаторе Си

Сопротивление/?* на рис. 3.1s

включает, кроме

ограничительного

сопротивления

/?ь

т а к ж е

и выходное сопротивление

г,-

генератора

запускающих

импульсов:

/?< =

/?! +

П.

(3.4)

Эквивалентная

схема

рис. 3.1 в описывается

уравнением

; _

ERir»

+ "oiflr,,

+ uoiRRj

± URrl{ - ц д (RrH

+

R{rn

+

RRj)

RRir»

(3.5)

где ±U о т р а ж а е т

амплитуду и полярность запускающего

импульса.

Уравнение (3.5) является уравнением динамической нагрузочной

прямой. Н а к л о н этой прямой определяется эквивалентным

сопро­

тивлением

/?экв

=

RtRrJ(RrH

л- RjTн +

RiR).

(3.6)

Рассмотрим процессы, происходящие в триггере, п о л а г а я

внача­

тится в точку А',

л е ж а щ у ю на динамической

нагрузочной

прямой

[см. ур-ние (3.5)].

Р а з н и ц а м е ж д у

ординатами

нагрузочной

прямой

и

вольтамперной

характеристики

диода определяет

величину тока

ic

паразитной емкости С д диода .

П о мере з а р я д а

С д напряжение

динамическая нагрузочная

п р я м а я пересекает характеристику Т Д

и ток ic = 0, з а р я д емкости

С д заканчивается .

Рис. 3.2. Графики, поясняющие процессы при переключении

ТД:

а)

нз

состояния с

низким

уровнем напряжения в

состояние

с высоким уров­

нем; б)

из состояния с высоким уровнем напряжения

в состояние с низким

Чтобы получить условия, при которых обеспечивается переклю­

чение диода, необходимо в (3.5)

подставить

значения «01 =

^ 0 2 = ^ . 4 .

(рис. 3.16)

и учесть, что для переключения

Т Д

динамическая нагру­

зочная п р я м а я д о л ж н а

проходить

выше точки

верхнего

изгиба

ха­

рактеристики

Т Д

(при

uR=Ui, ij£>I\). Подставив

значения

и0ь

« 0 2 ,

/ д и « д

в

(3.5)

и решая

полученное

неравенство

относительно Ri,

на­

ходим

(U+

UA-U1)RrH

(3.7)

hRrH

— ErH

— Uд R + иг

(rH

+ R)

В

момент

окончания импульса

запуска

наклон

динамической

прямой не меняется, и так как при этом U=0,

то она скачком пе­

ремещается вниз и проходит через точки А и

В" п а р а л л е л ь н о

пря­

мой

А'В',

а

рабочая

точка переходит

в положение

В"'.

Т а к

как

ем­

кость

С д

мгновенно

разрядиться

не

может, то

по

мере

ее

р а з р я д а

рабочая

точка перемещается

по

прямой АВ

из точки

В"'

в точку

В".

Одновременно с

переключением

диода

начинается

процесс

за­

ряда

конденсаторов

Ct

и С% однако поскольку

постоянная

времени

з а р я д а этих конденсаторов много больше постоянной времени

раз ­

ряда емкости С д , можно эти процессы рассматривать

раздельно,

полагая

что вначале

рабочая

точка попадает

в В",

а затем

по мере

з а р я д а конденсаторов Ci и С 2

н а п р я ж е н и е

на

диоде вновь начинает

расти и рабочая точка сравнительно медленно перемещается

в

точ­

ку В, определяемую пересечением статической нагрузочной

прямой

АВ с диффузионной

ветвью характеристики

ТД .

Перемещение рабочей точки в В" после окончания

запускающе ­

го импульса

объясняется

тем,

что

напряжени я

u 0 i

и

за

время

/из практически не изменилось,

а на

диоде возросло

(UR=U"B)

•

По ­

этому

часть тока

источника

з а р я ж а е т конденсаторы

С4

и

С 2

и

i a

уменьшается.

Если

Ri,

мало,

то

ток

£д

может

уменьшить­

ся настолько,

что

Т Д

самостоятельно

переключится

в

исходное

состояние. Этого не произойдет,

если

Ri

выбрать

таким,

чтобы

при

U=0

динамическая

нагрузочная

п р я м а я

проходила

сыше

нижнего изгиба

характеристика

Т Д

(при

uR—iU2

i£>h).

Подставив

в

(3.5)

Ыо1 = Ио2=£/л, положив при

этом С/=0

и

« д = £ / 2 ,

in>h,

находим

Rt>

У--»*)**

.

(

3 . 8

)

Er„ +

UAR-IaRru-Us(R

+

rn)

Аналогичны процессы и при переключении

Т Д

из

состояния

с

высоким уровнем в состояние с низким уровнем напряжени я

(рис.

3.26). В этом случае условие

переключения Т Д получим

из

(3.5),

подставив

в

него

u0i

= u02^UB

при iR=U2

i£>h

и

взяв U со

зна­

ком минус,

тогда

Rt <

+

.

( 3 . 9 )

Er„ +

Uв

R -

ItRru

-

U2

(R +

ги )

Rt>

Ув-и>)*гя

'iRr» +

L'i(R +

rh)-Erlt-UBR

В

случае

р а б о т ы

цепочки

Сг, гп

как

переходной

в уста­

новившемся р е ж и м е

положения

рабочей

точки

будут

опреде­

ляться

yip-таге м (3,1),

в 'которое

вместо

R

и Е (необходимо лод -

ставлять

i? 8 K B

RrH

2ErH

+

(UB-UA)R

дл я

получения

= 5 - T - - и

£Э кв =

ктъ

ч

> а

А Т

rH

&V< I

гн)

подставлять и02

условий,

аналогичных

(3.7) — (3.10), в

ф-лу

(3.5)

из ф-лы

(3.3).

фронта i/фз

Длительность

реальных

запускающих импульсов

шает его. При этом рабочая точка

будет выходить на линию А'В'

не скачком в точку А',

а через время, равное длительности фронта,

когда напряжени е на диоде в

процессе переключения успеет суще­

ственно измениться.

На рис.

3.3

показаны траектории движени я

в состояние

с высоким уровнем н а п р я ж е н и я

и форма

фронта на­

растания напряжени я на Т Д

во времени

при

различных

соотноше­

ниях межд у

длительностью

фронта |/ф 3 и

временем / п е р

переключе-

мня

ТД . Если

/ф3

= 0, то рабочая точка перемещается

по

ломаной

линии АА'\В'.

При этом ток з а р я д а г'сзар емкости С д , определяемый

разностью ординат динамической линии нагрузки А\В'

и вольт-

амперной характеристикой диода, сразу становится

большим, за­

тем

несколько

уменьшается

при увеличении ыд .

Н а

участке

U\<UX<U'B

Э Т О Т ток снова

возрастает, а затем спадает

до нуля .

Изменение тока icaap

приводит к

пропорциональному изменению

скорости н а р а с т а н и я

н а п р я ж е н и я

на диоде (кривая

/ ) .

Если /ф3 соизмеримо с tmj>, то рабочая точка

будет

перемещаться

по линии АА'ч В'. Ток г'сэар, вначале нарастает

медленно, в резуль­

ближении к точке А'2

напряжение

на Т Д

(кривая 2)

будет менять­

ся так же, как и при /ф3 = 0.

В случае, когда t^3>tnev,

рабочая

точка вначале

перемещается

по участку характеристики

АР, затем

по линии динамической на­

грузки, касательной

к характеристике

в точке Р до точки А 'ъ, и по­

сле этого по диффузионной

ветви

характеристики

до точки В'

(кривая 3). Н а участке АР

н а п р я ж е н и е на диоде нарастает почти

так же , как и на фронте запускающего

импульса,

поскольку ток

рассмотренных случаях,

а

на участке

А'3 В'

вновь

определяется

фронтом запускающего

импульса.

И з рассмотрения кривых

1, 2 и. 3 видно,

что

большему

фронту

запускающего импульса

соответствуют

большее

время

з а д е р ж к и t3

выходного импульса по отношению к tn3> которое

можно

отсчиты­

Аналогично формируется

фронт импульса

и

при

переключении

Т Д в состояние с низким уровнем напряжения .

На практике при

запуске

триггеров на Т Д

чаще

всего

выполня­

ется соотношение / ф з ^ п е р -

В этом случае, к а к

видно

из рис.

3.3,

ток ic на участке АР

оказывается очень мал и рабочая

точка

фак ­

тически перемещается по вольтамперной характеристике

Т Д .

И з ­

менение напряжения

на этом участке невелико,

а время

прохожде ­

как

время з а д е р ж к и t3. Время

прохождения рабочей точкой

участка

РА'

в основном определяется

временем з а р я д а

паразитной

емкости

Сд, и его можно обозначить как длительность

фронта

выходного

импульса /ф. Время движения

рабочей точки

на участке

А'В'

обо­

значим через At. Н а п р я ж е н и е

на этом участке при г'фэ^^пер меня­

ется

незначительно, а само время At определяется, как

и 4,

в ос­

мя переключения Т Д

£ ц е р = 4 - И ф + Д£

-1

Д л я уменьшения

времени 4

и At

необходимо

выбирать

стати­

ческий режим триггера таким, чтобы точки А и

В л е ж а л и

вблизи

максимума и минимума характеристики Т Д . П р и ^ф3 <^лер

At=0.

Приведенные рассуждения

справедливы д л я

случая,

когда на­

п р я ж е н и е на конденсаторах C t

и

С 2

во время действия

запускаю ­

между ними принимает значения UA

или UB- П р и этом быстродей­

ствие триггера оказывается сравнительно низким,

так

к а к опреде­

ляется временем з а р я д а или р а з р я д а конденсатора

Ci.

Уменьшение

постоянной времени цепи изменяет

напряжение на

С 4

и С 2 во вре­

ров и увеличить быстродействие.

Д л я определения /П ер воспользуемся простой линейной

аппрок­

симацией характеристик Т Д , полагая д л я простоты г н = 0 0

и Uo2=0.

ектория

движения рабочей точки

во время переключения

Т Д

из со­

стояния

с низким

в состояние с

высоким уровнем н а п р я ж е н и я

{участок АСД) и

при обратном

переключении (участок

BEF)

для