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

мент

появления

запускающего импульса изап=

— U,

UQ\ =

U02=UB,

1 = 1 в,

тогда

из

(3.33)

получим

1В

+ Uв № + r») -

UrH - Ut

(Ri + гн)

1 - =

w *

<

откуда минимальная амплитуда запускающего импульса

U =

Umin

> (IB

-

h) Rt

+

UB

($L

+

i ) _

U2

(

+

1) .

(3.49)

В

результате

переключения

Т Д

рабочая

точка

скачком

перехо­

дит в точку

А"

(рис. 3.9в), конденсатор С£ подзаряжается ,

а

ток

диода

растет. К

моменту

окончания

запускающего

импульса

кон­

денсатор Ci подзарядится до напряжени я u0i=U

, а напряжени е

на

С2

полагаем

неизменным

uuo = UB.

Подставив эти значения

u0i

и

им

в

(3.33), при

« 3 a n = 0 находим

RirH

Поскольку

после

переключения

Т Д

и окончания

запускающего

импульса конденсаторы С{ и

С 2

начинают

р а з р я ж а т ь с я через

Т Д ,

возникает опасность

обратного

переключения

Т Д

в

состояние с

высоким уровнем напряжения . Чтобы этого не

произошло,

линия

нагрузки не д о л ж н а

подниматься

выше верхнего

изгиба

характери ­

стики ТД, т. е. при

uK=Ui

г д < / ь

тогда

и"о <

~ 1 в ) ^ + № ~ и в ) — + <Л-

( 3 - 5 ° )

После этого вследствие увеличения тока катушки и уменьшения

разрядного

тока

конденсаторов С, и С2 , рабочая

точка

возвращает ­

ся в точку

А,

а

конденсаторы

р а з р я ж а ю т с я

до

напряжени я

«oi=

= « 0 2 =

UA.

Д л я

определения

величин U'0

и

U"c

рассмотрим

схему

рис. 3.9г,

на которой Т Д в общем

случае замещен сопротивлением г д

и источ­

ником

вд, а

источник

питания,

как

и прежде,

представлен

генера­

тором тока

/. Схема

описывается

операторными

уравнениями:

±ijp)

= 1л{р) +

t„(p)

— / ;

*н (Р)

ia(p)rn

+

en — Uo_ .

±Ц

+

Ц,-ел

Г , ;

1 г Л

pC.Rr-

ц„ (р) —

U 0

~

<з (р)

PCi J

где U0 — начальное

напряжение

на

конденсаторах

Ci и С2 ,

а

знак

« ± » соответствует

полярности

запускающего

импульса.

Р е ш а я

эту

систему

относительно

н а п р я ж е н и я

и0

и переходя

к

оригиналу,

получаем

U a

=

U 0 +

/ Г

д Г " ~

(£А> — е д ) —

[± U (гл

+ r„)]

(j

_

~

~т^\

°

Гц +

Гн

\

/

'

где

(3.51)

тс

= с

М

+

г " Г д

) .

(3.52)

Н а й д е м напряжение U'0 на конденсаторе

С1! при t=<tm,

п о л а г а я

при этом Uo= UА, •/"д=|Гь / = Л А

и е д = 0 , тогда

« . ( U =

t / 0

= ^ + ^ - L / e Т с .

(3.53)

Когда диод переключается

в состояние с низким уровнем

напря ­

жения, к моменту окончания запускающего

импульса

конденсатор

Ci успевает зарядиться до напряжения U"0,

которое

получим

из

{3.51) при U0=UB,

1 = 1в, rR—ti

и е д = 0, при этом

U--U

,

У^-гУн + ц^ + г,,) | ]

_ р

\

]

( 3 5 4 )

° ~ в

1

г1 + гн

V

/

мой получим 'из

(3.33),

подставив

и з а

п = £ / , «о1 = И о 2 = £ У 1=1

А ,

тогда

lARiRH

+ UA(,Ri

+

rll)

+ Url{-uR(Ri

+

rH)

(3.55)

1 Д =

R

-

.

Д л я переключения Т Д

необходимо,

чтобы

при и д

= £Л выполня­

л о с ь условие £ д

> / ь тогда

из

(3.55)

получаем

U>{h-IA)Rl

+ {U1-UA)^-

+

l)j.

(3.56)

Допустимое

напряжение

U'0

на конденсаторе Си

при котором

не произойдет возвратного переключения

Т Д

после

окончания за­

пускающего импульса, получим

из

(3.51), взяв U со знаком •« + » и

положив •Uo—<UA

и 1 = 1А-

Так

как

диод

находится

в состоянии

с

высоким уровнем

напряжения, то г д

= т 3

и е д = ез, при этом

/

/..на

(3.57)

где UAI — напряжение

на

диоде,

соответствующее точке

Ai

(рис.

3.9в). При линейной аппроксимации

Условие, исключающее обратное переключение Т Д после

оконча­

ния действия

запускающего

импульса, получим

из (3.33),

положив

« з а п = 0 , U0I=UQ

, u-02=UA,

1 =

1А и

полагая, что

переключение

не

произойдет, если при uR=U2,

' : д > / г ,

тогда

U 0 < ( I A - I ^ ) ^

+ U A — - U

4 — + 0 -

( 3 - 5 9 )

После окончания запускающего импульса конденсаторы С 4 и Сг

начинают з а р я ж а т ь с я ,

ток диода растет, но одновременно

начинает

уменьшаться

ток через

катушку L . В результате

процесса

установ­

фузионной ветви характеристики . В момент прихода

следующего

импульса положительной полярности конденсатор С4

вновь

начи­

нает п о д з а р я ж а т ь с я .

Подставив

в

(3.51) U0=UB,

г д

= г 3

, е д = е 3 ,

/

=

= /в, найдем напряжение, до которого

конденсатор С4 зарядится

за

время действия запускающего импульса. При этом знак перед U

нужно брать « + »:

' и з

u0(ta3)=U;

=

UB~U

+ U е

Х

с .

(3.60)

Необходимое

для

переключения

Т Д напряжение

на

конденсато­

ре Cj найдем из

ур-ния

(3.33),

подставив

в

него

и з а п = 0 ,

/ = / в ,

UOI — U'Q И UQ2=UB,

тогда,

решая

его

относительно

U"0

и

полагая

при этом мд =С/2,

' д < / 2 , находим

и~0>{1в-1*)Ъ+ив

—

- и

* ( —

+ 1)

•

( 3

' 6

1 )

Т а к им образом, условия (3.59) и (3.61) позволяют

по

ф-лам

(3.58) и (3.60) найти необходимые параметры цепи

запуска,

при

которых обеспечивается переключение диода импульсами

положи­

тельной полярности и исключается возвратное переключение

Т Д

в

момент окончания запускающего импульса.

Физически процесс переключения триггера

на Т Д

'импульсами

через катушку L

большой (1 = 1А ) , Т О следующий

за

ним отрица­

тельный импульс

не в состоянии переключить Т Д

в

исходное со­

Рис. ЗЛО. Временные диаграммы токов при

запуске

триггера

со

счетным

входом импульсами:

а) отрицательными; б) положительными

3.3. Т Р И Г Г Е Р Ы

Н А Д В У Х

Т Д

Кроме

триггеров

на одном

Т Д , в настоящее время

довольно широко применяются триггеры на

двух

последовательно

включенных

Т Д (пара

Гото) . Достоинствами

триггера

на

двух Т Д

{рис. 3.11а)

являются

разделение входных

и

выходных

з а ж и м о в и

i L . 'ч

Рис. З Л 1 . Схемы триггера на двух ТД:

а) принципиальная; б) эквивалентная для стадии

переключения

возможность запуска при одних и тех ж е п а р а м е т р а х схемы и вход­

ной цепи как положительными, так и отрицательными импульсами.

Р е ж и м работы диодов выбирается так, что

в статическом со­

стоянии они не могут одновременно находиться

в состоянии с низким

ражениями

(2.75) и (2.76),

в которых необходимо изменить знаки

неравенства

противоположными и вместо

/ ^ ( о о ) подставить

значе­

ние тока

i L

в установившемся режиме . Если

резисторы R, а

т а к ж е

диоды идентичны, то в статическом режиме,

независимо от того, ка­

кой из диодов находится

в состоянии с низким, а какой

в состоянии

с высоким уровнем напряжения, ток через катушку

будет

всегда

один и тот ж е по величине

(1ь — 1ь),

но противоположный

по на­

правлению. Тогда условие устойчивого состояния триггера,

разре­

шенное относительно Ru

запишется в виде

«

Е

- \ т ' ^

> « >

£ +

^ ; Г " '

•

Выполнение неравенств

(2.72) и (3.62)

обеспечивает

правильный

р е ж и м работы диодов в статическом

состоянии.

Д л я рассмотрения процессов, происходящих в триггере

во вре­

ной цепи

(рис. 3 . 1 1 6 ) ,

в которой

Ri = Я*. + п.

(3.63)

При условии идентичности диодов суммарное

напряжение на

них и на конденсаторе в процессе работы остается

постоянным, т. е.

и0

= U0

= UA +

UB.

(3.64)

Поскольку

во время

переключения Т Д ток катушки

i L считаем

неизменным, вместо нее на эквивалентной схеме включен

генератор

тока I L

, величина

которого

равна

току через

катушку в

установив­

шемся

статическом

состоянии.

Схема

рис. 3.116 с учетом принятых на ней обозначений и на­

правлений токов описывается следующими уравнениями:

Е

= (in

- f - / д 1

Т

i3)

# х

+ Ц д 1 +. Ы д 2 ;

(3.65)

^ 0

± « з а п

=

±

hRi

+

" д 1 +

" д г ;

(3.66)

" Д

1 + « Д 2 =

R(k

+

h)\

(3.67)

i 2

—t1 = /L ;

(3.6&)

* Д 1 — *Д2 =

IL-

(3.69)

З н а к ±

перед

u 3

a n

-и i3

означает

полярность

запускающих импуль­

сов и направление

тока

/3

в цепи

запуска .

Р е ш а я

полученную

систему уравнений и

используя

линейную

мических нагрузочных

прямых для каждого

диода:

'•д1 =

п

h - у + OR

г

( З - 7 0 )

*<ЭКВ1

^

- А Э К В 1

Сэкв2 — "дг

1L

' ^ Г Д 1

/ О 71 v

г д 2 —

5

о

on

I

\У-Ч}

^ Э К В 2

z

^ А Э К В 2

положим, что /'д1 = г д 2 независимо от состояния

диодов.

Это значит,

что

ROKB i = i / ? 3 K B 2 и наклон динамических

нагрузочных

прямых

счи­

таем

неизменным. Н а п р я ж е н и е .U0 и ток

I L т а к ж е полагаем

неиз­

менными во время действия запускающего импульса. Таким

обра­

зом,

положение нагрузочных прямых в процессе

переключения бу­

дет определяться только величинами е э к в

i и е Э К В 2 ,

которые

зависят

от н з а п и ед .

Пусть в

исходном состоянии Т Д ! находится

в состоянии

с

низ­

ким,

а Т Д 2

— с высоким уровнем напряжения .

Этому

соответству­

ют положения рабочих точек Ai и В2

на рис. 3.12. Очевидно, что во

втором устойчивом

состоя™™ рабочие точки соответственно зай­

мут положения Л 2

и В\, причем в

случае

идентичности

диодов

1'л1 = 1А2—1А и 1т = 1в2 = 1в- П о д действием

запускающего

импульса

одах при одновременном

переключении ТД, и форма напряжения

на них

3—191

65

положительной

полярности ток обоих диодов начинает

расти и Т Д 1

начинает переключаться в состояние с высоким уровнем

н а п р я ж е ­

ния. При этом возможны два случая .

Если в результате

переключения Т Д ! рабочая точка

на

характе ­

ристике окажется выше точки М,

в которой

1Д1 = / А — I B

+

IZ

(напри­

мер, точка В'[

на рис. 3.12),

то ток 1 Д 2 > / 2 ,

поскольку

£д 1

и

г'дг свя ­

заны

зависимостью

/ д 1 — £д 2

= / L «

const,

(3.76)

и Т Д 2

переключится только после окончания запускающего

импуль­

са вследствие того, что оба диода

не могут одновременно

находить­

ся в состоянии с высоким уровнем

н а п р я ж е н и я .

Если ж е при переключении Т Д ! рабочая

точка

на

характерис ­

тике окажется ниже точки М

(точка В\

на

рис. 3.12), то / д 2 < / 2

"

ТДг сразу ж е переключается

в состояние с низким

уровнем

напря ­

жения

(точка А ' 9 ) . Поскольку при этом

н а п р я ж е н и е

уменьшает ­

ся ( е д 2 = 0), то « Д 1 возрастет

и р а б о ч а я

точка

Т Д 4 переместится

в

положение В[,

а ТД2

— в положение А"2. После окончания

запус­

кающего импульса ток диодов Т Д ! и ТДг уменьшается

(соответст­

венно точки В["

и А'0"

) , и по мере изменения

тока

I L

диоды пере­

ходят

во второе устойчивое состояние

(точки

Л 2 и

B i ) . В

данном

Н а рис. 3.13 показаны перемещения

рабочей точки и форма на­

пряжения на диодах для случая, когда

после переключения Т Д 1

3.4. П О Р Я Д О К

Р А С Ч Е Т А

При расчете триггеров обычно бывают заданы: период следования запускаю­

щих импульсов 7"а, их длительность tK3

и амплитуда

U,

сопротивление нагрузки

гв

и выходное сопротивление генератора

запускающих

импульсов

п.

Тип ТД выбирают в зависимости от сопротивления

нагрузки. Ориентировоч­

но можно полагать для триггеров па одном ТД

г и > (3-5-5) U*~U,1

.

(3.79)

Л

Поскольку для разных ТД из одного материала

64

и Liz различаются незна­

чительно, а Л » / г , то из

(3.79) получаем

/ i > ( 3 - 5 - 5 ) ( i / s - t / , ) / r „ ,

(3.8G)

it

Задаваясь типовыми

значениями

Ui и U2 по 'известному г„,

находят ток Л

гго его значеишо выбирают ТД.

Порядок

расчета

триггеров

1. При расчете триггера на одном ТД задаются током

/ Л

и /в в

стационар­

ном режиме. Если амплитуда запускающих

импульсов

ограничена, то точки А и

В необходимо выбирать вблизи верхнего

и

нижнего

перегибов

характеристики

ТД. Чтобы

при этом

разброс параметров схемы и ТД не нарушал

требуемого ре­

Яь0м

жима работы триггера, целесообразно выбирать

/ л =(0,8-5-0,85)

Л;

/ в

=

(3-5-6)/г .

(3.81)

у/

После этого расчитывают 1)л

и UB.

используя

ататраксшмирующше

выражения

характеристик;!

ТД in определяют

R л Е по

формулам

R

={Ut

.)/(

'

А

- ' в ) ;

(3.82)

E

=

lAR-\-UA.

(3.83)

С

помощью

неравенств (2.101) и (2.102) строят зону

возможных

значений

решая

подставляя в них найденные значения

r,, г3, R

н / ь - Одновременно,

ур-нне (2.77) относительно

^ , и подставляя

в него те же величины,

строят

линию

Ri=f2(E).

На этой линии

(рис. 3.14) выбирают положение

рабочей

точки

в пределах границ области возможных значений iRi=fi(E),

а по

ее

координа­

там — значения сопротивления Rt

и напряжения источника

питания

Е.

фически, строя

области

возможных значений Я ь в которых обеспечивается устой*

чивый запуск триггера.

3. Емкость

конденсатора Ci ,в триггере на рлс ЗЛа рассчитывают, .исходя из

неравенств

(5-М0)^„з .

Ri +

гц

Ci <

—

•

О- 87)

(3-h 5) (Ri

- I - гд )

Для триггера на одном ТД с общим запуском вначале определяют напряже*

пня U о и U0

и по ф-лам

(3.53), (3.54) при запуске импульсами

отрицательной

тивлению Ri

находят емкость конденсатора CY

В триггере на двух ТД емкость С рассчитывают по формуле

С >

.

(3.88)

2RRi

(гг +

га)

l +

(R1

+

2R)(r1

+ rJ + 2RRL

'

•

4. Индуктивность триггера с общим запуском на одном ТД находят из нера»

веиств

L > ( 5 - r . l 0 ) ( / ? - r - r A ) / l l s ;

(3.89)

L<

(0,2-0,3)

(Я + гл)Г3.

(3.90)

В триггере па двух ТД

L > ( 5 + 1 0 ) , „ 3

(R

+

r3)(RRl

+

Rir

•rRrl)

+

(R +

rl)Rr,

"

Rr» + RiR

+ Rs,. +

Rr,

L -

(0,2+0,3) r3

{ R

+

Г>] <**

+

+ R

^

+

( R

+ Г 1 ) * "

.

(3.92)

1

' ;

3

Rr3 + RiR

+ R i r i

+

Rri

Пример.

Рассчитать

триггер

на одном ТД с общим запуском импульсами сг-

рицателыюй

полярности

(рис. 3.9о)

по

следующим

данным:

У=0,8 В, fHa—

= 0,1

мкс,

7"3=5

мкс, rj = 30 Ом,

г„=500

Ом

(цепочка г и С 2

—

д и ф ф е р е н т

рующая).

L ' I ^ O . I

1. Выбираем тип диода. Для ТД

из

арсенида

галлия

В, ( Л « 0 , 6 В*

тогда по ф-ле (3.80) находим

/, >

(3-5-5) ( 0 , 6 - 0 , 1 )= (3-=-5) мА.

1

^

500

к

'

Выбираем такой же тип диода,

что и при расчете

генератора на ТД. Параметра

ТД следующие: (Л = 0Л

В, (У,=0,6 В, h = 5 мА, /2=0,25 мА.

2.

По ф-лам (3.81)

задаемся

токами

1А

= ( 0 , 8 - 0 , 8 5 ) / 1 =

(0,8+0,85)-5-10~3

=

(44-4,25) мА;

'

/ в

= ( 3 - н 6 ) / а

= (3+6)-0,25-10~3 =

(0,75 - И,5 )

мА.

Принимаем

/ л = 4

мА, / в

= 0,75 мА. По ф-ле (1.1) находим

UA=

V ' i =

4-10~3

- 20 = 0,08 В,