книги из ГПНТБ / Дьяконов В.П. Лавинные транзисторы и их применение в импульсных устройствах

Отсюда для простейшего релаксационного генератора

Так как >иц<^(Е1{—иск), то выигрыш ъ стабильности при изменении Ек может быть весьма большим.

Описанные принципы стабилизации применимы к большинству из рассмотренных импульсных схем и к схе­ мам, выполненным на других типах активных приборов. Выигрыш в кратковременной и долговременной стабиль­ ности у простейших релаксационных схем достигает двух порядков. Резко уменьшается нестабильность при изме­ нении температуры и смене транзисторов. Еще большего улучшения стабильности можно достигнуть, применяя вместо диода сравнения сравнивающее устройство с бо­ лее низким порогом сравнения (например диодно-реге­ неративное). Однако это заметно усложняет схемы ста­ билизированных генераторов.

Г л а в а 5

Ф У Н К Ц И О Н А Л Ь Н Ы Е С Х Е М Ы Н А Л А В И Н Н Ы Х Т Р А Н З И С ­

ТО Р А Х

5.1.Триггерные и пересчетные схемы

■На лавинных транзисторах -помимо элементарных двухстабиль­ ных схем можно выполнить счетные триггеры, кольцевые счетчики, регистры сдвига и другие функциональные устройства [21, 37]. .В пер­ вой схеме (.рис. 5.1) запуск осуществляется импульсами отрица­ тельной полярности и устойчив при двухкратном .изменении ампли­ туды импульсов и при изменения 'длительности от 0,5 до і1,5 мкс. Максимальная рабочая частота при счетном запуске составляет

150

200—300 мГц. При Д п=6,Ъ кОм перепад напряжения па коллекторе

доходит до 20 /В. Триггер сохраняет работоспособность при измене­ нии напряжения питания на ±30% .

-Ек -36В

Рассмотрим, как осуществляется счетный запуск ів описанной схеме. Предположим, что транзистор вначале закрыт и (напряжение

источника питания меньше напряжения ів максимуме ВАХ тран­ зистора. Запускающий имиулье, поданный «а коллектор, доводит это напряжение до £/ß. Транзистор включается, и его рабочая точка

попадает на участок с малым дифференциальным сопротивлением. При этом 'напряжение «а коллекторе падает до величины, несколько большей, чем напряжение X/ß 'Конденсатор Си по окончании им­ пульса разряжается до напряжения, установившегося на коллекторе. Следующий импульс через малое дифференциальное сопротивление лавинного транзистора во включенном состоянии разряжает кон­ денсатор Си до напряжения, близкого к амплитуде. По окончании его действия напряжение на конденсаторе падает ниже уровня

и лавинный транзистор закрывается.

Особенностью описанной схемы является диод Да, включенный

в цепь эмиттера лавинного транзистора іи оптимизирующий его ВАХ.

каждую последующую схему можно запускать импульсами, снимае­ мыми с диода Д а.

Интерес представляют .и схемы триггеров аіа двух лавинных транзисторах (рис. і5.3), в которых транзисторы переключаются

151

поочередно. Есл.м, например, Tt открыт, то Т2 закрыт. При подаче

запускающего .импульса н .цепь эмиттера обоих транзисторов закры­ тый транзистор включается. Возникающий .иа его коллекторе пере­ пад напряжения передается через конденсатор С н.а коллектор дру­ гого транзистора. Напряжение на последнем становится -меньше Up

н -он -выключается. Схема триггера на двух лавинных транзисторах работает -при больших изменениях длительности запускающих им­ пульсов, в частности при запуске от прямоугольных ,нм-пульсов со скважностью около двух.

Особый интерес представляет возможность построения кольце­ вых пересчетных схем на лавинных транзисторах |(рис. 5.4). В таких

Ек - Ш

Рис. 5.‘1. Схема кольцевого счетчика на лавинных транзисторах.

схемах независимо от числа разрядов івсегда ‘включен только одни лавинный транзистор, что позволяет получить высокую экономияность счетчиков. Особенно удобны кольцевые десятичные счетчики, так как оіш те требуют дешифраторов при работе в десятичном коде. ,При разработке специальных типов п-р-п лавинных траизисто-

рав такие счегчимн можно будет использовать непосредственно для управления газоразрядными цифровыми индикаторами. Кольцевые счетчики легко выполнить в интегральном виде.

Для установки! счетчика в исходное состояние на среднюю точку базового делителя транзистора Т і через диод До подается отрица­

тельный импульс с .амплитудой порядка 1—3 В, что достаточно для включения транзистора Т і по цел.п базы, но .недостаточно для вклю­ чения транзистора Тп по цепи коллектора. Для увеличения надеж ­

ности -работы счетчика и обеспечения работоспособности при ■напря­ жении питания большем UM, в счетчик .введена двойная блоки­

ровка выключен,кого состояния всех транзисторов, за исключением одного, .находящагося во .включенном состоянии. С одной стороны, эта блокировка обеспечивается включением диода Дэ и резистора До в общую цепь эмиттеров всех транзисторов. При этом падение

.напряжения .на этих элементах от тока, протекающего через .вклю­ ченный транзистор, обеспечивает надежное запирание остальных

152

ііраінаисторов. С другой стороны, блокировка осуществляется вклю­ чением а общую депь коллекторов сопротивления Яок- Падение на­ пряжения «а Яок от тока івключеиного транзистора приводит к тому, что напряжение на общей шине сопротивлений Яш—Якп становится

■В этом случае конденсаторы Скг—Clt„ через резисторы Як2 —^Яип

заряжаются до напряжения, .несколько меньшего Uß. (Конденсатор

Скі заряжается до меньшего напряжения, близкого к напряжению

б/p на коллекторе включенного транзистора 7 \ Запускающий им­

пульс отрицательной полярности, поданный на резистор Яо, запирает диод До. При этом транзистор Ті выключается и конденсатор Скі начинает заряжаться через резисторы ^?кі и Я'ъг. Зарядный ток конденсатора создает на резисторе Я ' 0 2 . импульс, отпирающий по­

следующий транзистор 7Ѵ Следующий имиульс выключает транзи­ стор Тг, а импульс тока, заряжающего конденсатор Ск2 , включает последующий транзистор Т3 іи так далее.

Для четкой работы схемы необходимо, чтобы время заряда кон­ денсаторов Сі,і— С„„ превышало длительность запускающего им­

пульса. В этом случае работа счетчика некритична к изменению пара­ метров запускающих импульсов. Однако слишком большой постоян­ ную времени заряда конденсаторов выбирать нельзя, так как это приводит к уменьшению быстродействия счетчика. Поэтому, учиты­ вая большую величину сопротивлений в цепи базы каждого тран­ зистора, конденсаторы подключаются не непосредственно к базе, а к резисторам Я'оі—Я'оп, величина которых составляет малую часть

общего сопротивления в цепи базы. Такая мера повышает стабиль­ ность работы и помехоустойчивость счетчика, так как уменьшается чувствительность к запуску.

Экспериментально исследовался пятиразрядный кольцевой счет­ чик '(рис. 5.4), который сохранял работоспособность при -изменении

500 кГц. Потребляемая мощность не превышала 200 мВт, а перепад

стемах часто бывает необходимо использовать мииромощные триг­

153

ліірііьілш импульсами приведена па рис. 6.5. Диод До, включенный

ів обратном направлении, создает запирающий ток / о базы, который должен в 10—20 раз превышать обратный ток / к0 лавинного тран­ зистора. € ростом температуры это соотношение 'автоматически вы­ держивается, так как обратные токи диода и транзистора меняются

почти по идентичному закону. Малое значение токОв / 0 и 1ка обес-

!*,мкА

РКс. 5.6. Зависимости остаточного напряжения на включенном лавинном тран­ зисторе от тока (а) н тока / П от напряжения пйтанйя (о ) Для Интегральной

трнітерноЙ схемы.

Рис. 5.7. Зависимости минимальной амплитуды запускающих импульсов от нх

длительности (а ) и напряжения литания (б) для интегральной триггерной схемы.

печивает достаточную устойчивость включенного состояния триггера

требляемой мощности от 0,27 до 8 міВт. (Перепад напряжения на коллекторе менялся от 4 до 32 В. Таким образом, триггер обеспе­ чивает сохранение .работоспособности ів весьма широком диапазоне 'изменения параметров схемы.

(При запуске триггера через разделительный конденсатор Со по­

лярность запускающих импульсов обратна обычной, т. е. положи­ тельный импульс приводит к запиранию транзистора, а отрицатель­ ный— к отлир.аиию. Это объясняется разрядом Со после воздейст­

154

ность триггера, ■Время 'включения интер алиного триггера .составляет единицы

наносекунд, а время .выключелия ограничено постоянной времени ■нагрузки и доходит до десятков наносекунд. Можно ожидать, что при построении кольцевых .интегральных счетчиков на 'базе описан­ ной триггерной ячейки удастся значительно уменьшить емкости кон­ денсаторов связи іи повысить быстродействие счетчика.

Потребляемая интегральным триггером мощность может быть доведена до 0,01—0,03 мВт при разработке специальных .низко­

легко согласуются по уровням .рабочих напряжений с обычными ло­ гическими интегральными схемами. Дальнейшие исследования в об­ ласти создания микромощных переключающих и логических инте­ гральных .схем на лавинных транзисторах могут создать предпо­ сылки к широкому применению их в вычислительной техшике.

5.2. Генераторы коротких импульсов

Основной схемой генератора коротких 'импульсов является схе­ ма релаксационного генератора, показанная на рис. 2.6. В табл. 5.1 приведены типовые параметры импульсов, генерируемых этой схемой при использовании в ней транзисторов различного типа.

155

Часто 'необходимо формировать серию импульсов, число кото­ рых пропорционально длительности запускающего импульса. Такие генераторы используются, ,например, при отладке пореочстны.ч схем [56, 94, 95]. Число импульсов /в серии

где Тл — длительность запускающего импульса, /г — частота колеба­

ний релаксационного генератора.

При амплитуде запускающего .импульса U3« 7 5 .В простейший

генератор (рис. 5:8) формирует .импульсы с частотой повторения

внутри серии порядка 60 МГц. При подборе транзисторов и умень­ шении С до 2—3 пФ частоту повторения .импульсов .можно довести

до « 2 0 0 МГц.

Другая схема, требующая значительно меньшей амплитуды за­ пускающего импульса, показана на рис. 5.9. .При подаче отрицатель­ ного запускающего импульса с 7,5 В генератор переходит .в ав­ токолебательный режим работы и формирует серию импульсов с ча­

но генерировать серии синусоидальных колебаний, частота ./г кото рых слабо зависит ог параметров схемы и определяется резонанс ной частотой колебательного контура. Схема такого генератора ПО' казана на рис. 5.11. При подаче запускающего импульса рабочая точка лавинного транзистора попадает на участок отрицательногя

156

сопротивления, что приводит к возбуждению в контуре незатухаю­ щих колебании. При ,/г= 10 МГц схема формирует па нагрузке /?„ = 75 Ом импульсы с амплитудой порядка 3—5 В. При отсутствии запускающих импульсов в контур вносятся большие потери и ко­ лебания затухают практически за одни период.

Рис. 5.11. Схема генератора серин синусоидальных колебаний.

Для систем оптической локаціи» чі космической связи большой интерес представляют генераторы мощных импульсов на лавинных транзисторах [39, 68, .59]. Они также широко попользуются и в тех­ нике физического эксперимента.

которые формируют импульсы длительностью ів десятки наносекунд при времени нарастания около 2—6 нс.

■Можно значительно увеличить амплитуду импульсов, включая параллельно несколько релаксационных генераторов. іВ подобных схемах из-за малости R,, па форму импульсов существенно влияют

колебательные процессы на участке отрицательного сопротивления

Запуск

Рис. 5.12. Схема генератора мощных импульсов тока.

157

0,1 мкс .и активной длительности импульсов 0,2 мікс. Регулируя кол­ лекторное напряжение 'іютенц-пометраіМ.и Я і—Яп, можно манять уро­

вень запуска релаксаторов и получать хорошую форму «пульсов без заметного выброса «а заднем франте. Гашише выброса, имею­ щего обратную полярность по отношению к рабочему импульсу, осу­ ществляется за счет задержки включения одного из транзисторов. Амплитуду импульсов порядка 80 А можно -получить от трех-четы­ рех траизисторо® ,I\T\S03. В зарубежной литературе описаны гене­ раторы, формирующие 'импульсы с амплитудой 50—200 А [58, 59].

Для формирования импульсов с большой амплитудой по напря­ жению можно использовать последовательное івкліоченпе лавинных

Рис. 5.13. Схема генератора импульсов большой амплитуды.

транзисторов. Болес удобно, однако, .использовать схемы, в которых заряд накопительных емкостей происходит параллельно, а траизнсторы включаются последовательно .(рис. 5ЛЗ [8ß, 108]). На нагрузке

жение источника питания, а пиковая мощность достигает 1000 Вт и более .(при 7?п=150 Ом).

Большой интерес продставляет разработка 'импульсных схем на низковольтных ла-винных транзисторах, реализуемых в лнтеграль-

Рис. 5.14. Схема низковольтного ждущего релаксационного генератора на инверсно включенном интегральном лавинном транзисторе (я) и зависимости потребляемого им тока / п и времени восстановления Tß от напряжения

питания Еп (ff).

158

liöto исполнении [77, 110] (рис. 5Л4,а). Интересно, что при £ п = 9 В такая схема потребляет ток порядка 2 мкА (рис. 5.14,6), что соот­ ветствует потребляемой мощности менее 0,02 Мвт. Амплитуда им­ пульсов тока, -формируемых -схемой, доходит до і100 мА при времени

ведет к увеличению тТЗфф. Параметры таких схем, особенно их быст­ родействие, могут быть значительно улучшены при использовании специальных кремниевых лавинных транзисторов с низким напря­ жением пробоя коллекторного перехода.

5.3. Высокостабильные релаксационные генераторы

'Рассмотренные релаксационные схемы имеют низкую стабиль­

пературы на ±'60°іС может достигать 10% и более, яри изменении питающего напряжения на ±10% превышает ±10%, а ери смене транзисторов доходит до ±50% . М ежду тем и ряде случаев тре­ буется стабильность іна .два-три порядка выше. Повысить стабиль­ ность -можно несколькими способами.

В' простейшем случае -можно осуществить запуск ждущего ре­ лаксацио-шіого генератора или синхронизацию автоколебательного генератора от внешнего -высокостабнлыюго генератора. Благодаря хорошо управляемой (ВАХ запуск и синхронизация релаксационных генераторов на лавинных транзисторах осуществляется достаточно просто (например, подачей сіі-нхроміизчіруіощего напряжения в цепь базы млн эмиттера лавинного транзистора), но требует наличия внешнего высокостабнлыюго генератора.

,Более простым способом является автосинхронизация релакса­ ционных генераторов. Для этого в разрядную цепь генератора .вво­ дится хронирующее устройство .(колебательный контур, кварцевый или электромеханический резонатор), ів котором -колебания возбуж­ даются -под воздействием импульсов, генерируемых релаксационным генератором. При этом на экспоненциальное хронирующее іиапря-

159