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

чена для компенсации нелинейности преобразователя, обусловленной конечным временем разряда конденсатора С, которое существенно

ввиду низкого быстродействия ЛРД.

Рис. 5.47. Схема шнрокодиапазонного преобразователя напряжения в частоту.

Преобразователь имеет следующие параметры: выходная часто­

дрейф частоты 0,2% от верхнего предела на ПС, нестабильность частоты за 10 мин -работы «е более 0,01% и за 7 ч работы .не более 0,05%. іВ преобразователе предусмотрена установка нуля -частоты с помощью потенциометра Яг.

Недостатком описанного преобразователя является сравнитель­ но большой температурный дрейф частоты, обусловленный дрейфом входного каскада УіПТ. На -рис. 5.48 -показана схема преобразова-.

180

іПреобразователи напряжен,ня ,в частоту, .использующие лавин­ но-рекомбинационные диоды могут быть полностью выполнены в виде «онолптіных или гибридных интегральных схем. іВ этом случае

Рис. 5.48. Схема широкодиапазонного преобразователя напряжения в часто­ ту с уменьшенным дрейфом.

удается получить еще меньший температурный дрейф, так как опе­ рационные УПТ в интегральном исполнении имеют на два-три по­ рядка меньший дрейф, чем простейшие У,ПТ с дифференциальным входом.

Определенный интерес представляют высокочастотные преобра­ зователи напряжения в частоту и генераторы импульсов качающей­ ся частоты. Такие преобразователи используются, например, в ре­ зонансных уровнемерах и приборах для наблюдения частотных ха­ рактеристик. Для них характерны частоты повторения импульсов до ~ 5 0 МГц, девиация частоты в пределах десятков процентов и нели­ нейность ~ 0,5— 1 %.

Высокочастотные преобразователи могут быть выполнены ио схе­ ме рис. 4.5,г, в которой целесообразно использовать низковольтные транзисторы (ГТ313 и др.). Уменьшение нелинейности достигается включением в цепь коллектора резистивно-емкостного фильтра, при­

5.8. Дискриминаторы амплитуды и сравнивающие устройства

Быстродействующие и высокочувствительные дискриминаторы амплитуды, пороговые и сравнивающие устройства широко исполь­ зуются в ядерной электронике, импульсной и информационно-изме­ рительной технике. До настоящего времени эти устройства вытюлнялись на туннельных диодах и обладали рядом недостатков: низ­ ким входным сопротивлением, недостаточно высокой чувствитель­ ностью, очень малой амплитудой выходных импульсов, трудностью плавной регулировки порога сравнения в широких пределах я дру-

181

гимн. Этих недостатков в значительной мере лишены пороговые устройства и дискриминаторы та лашшных транзисторах Г15, 40 65 75, 83, 8 6 ].

'Работа дискриминаторов на лавинных транзисторах основана на использовании jV-обратной входной ВАХ в схеме с общим эмит­ тером (рис. 5.49,а) или 5-образной входной ВАХ в схеме с общей

иві ма величину ДиВІ .нагрузочная прямая смещается и занимает

раметры которого аналогичны параметрам импульсов, генерируемых обычным релаксационным генератором (например, рис. 2 .6 ).

Из рис. 5.49,6 видно, что рабочая точка дискриминатора на ла­ винном транзисторе выбирается на участке іВАХ в области малых токов. В результате заметно увеличивается эффективное входное сопротивление дискриминатора перед его срабатыванием. Ток в: точке 1 близок к МоІко, и, хотя / и 0 сильно зависит от температуры, ввиду малости / но удается получить малый дрейф величины ЛъМоІио

и высокую чувствительность. Эти достоинства дискриминатора об ­ условлены принципиальным отличием jV-образной ВАХ лавинного транзистора от А-образной іВАХ туннельного диода: у первого диф­ ференциальное сопротивление при малых напряжениях .велико, а у второго — весьма мало. ,

Следует отметить, что говорить о высоком входном сопротивле­ нии можно только при больших длительностях импульсов /п, когда іи^Лб'Съі- При ^п<7?бСпх эффективное входное сопротивление из-за

влияния входной емкости СВх приближается к величине 'Из рис. 5.49,6 видно, что статический порог сравнения (т. е. по­

рог при достаточно большой длительности входных импульсов) со­ ответствует условию

dU6 dU<i/dfK

(5.21)

dl6 ~ dI6/dIK

Дифференцируя (1.104) и (1.103J) по току / к яри М=*Ма и прирав­ нивая dUff/dlб к Л і , можно найти координаты U6 и І 6 критической

1в2

ным, что означает переход схемы в автоколебательный режим -рабо­ ты. Динамический порог сравнения из-за влияния входной емкости транзистора всегда больше статического. Однако эта разница начи­ нает сказываться лишь при малой длительности входных импульсов, порядка единиц-десятков наносекунд.

Схема с запуском на эмиттер (рис. 5.50,6) позволяет дискрими­ нировать импульсы положительной полярности при использовании

Рис. 5.50. Схемы пороговых устройств с запуском на базу ( а) и эмиттер ( 6)

мостью (5.23). Из рис. 5.5-1,в следует, что включение ускоряющего конденсатора ,Сф улучшает быстродействие дискриминатора. Без принятия мер по температурной стабилизации дрейф порога срав­

вая 2 -на рис. 5.51,г), так как сопротивление термистора при этом

уменьшается. При параллельном включении термистора и резистора R о можно получить слабое изменение ДMDX при -изменении темпера­ туры (кривая 3 на рис. 5.51,г). Изменение Д«вх в этом случае не

•превышает 2—3 міВ в диапазоне температур от 20 до 60ІС.

-Величину Дйпх удобно изменять с помощью смещения, пода­

183

Рнс. 5.5I. Зависимости порога сравнения от сопротивления базы (а ), напря­ жения питания (б), длительности импульсов (в) и температуры (\г).

вышает іб мВ на I В изменения Ек при Е„<30 (В и 100 міВ на ,1 В изменения Ек при £ к<30 В ). Уменьшение Е „ способствует также

уменьшению уровіня шумов коллекторного перехода в предпробойном режиме. Эти меры позволяют довести чувствительность пороговых устройств до I—2 мВ при длительности импульсов ІО—20 нс и выше. Для получения высокой стабильности порога дискриминации напря­ жение Ек следует хорошо стабилизировать.

Часто необходимо, чтобы этот порог регулировался в широких пределах, например от десятков милливольт до единиц вольт. В схе­ ме на рис. 5.52,а порог дискриминации меняется с помощью запи-

Рнс. 5.52. Схема дискриминатора с регулируемым порогом дискриминации ( а ) и зависимость порога от управляющего напряжения в ней (б)

№ 4

рающего ‘Напряжения, которое вводится в цель эмиттера. Зависи­ мость амплитуды входного импульса иВ\, вызывающего срабатыва­ ние дискриминатора, от Uy ,(ір;ис. 5.62,6) практически линейна. Зона

нечувствительности дискриминатора порядка 20—30 мВ, порог ме­ няется на ± 1 5 міВ при изменении Е „ и а ±10 іВ. Перекрытие порога

порядка 1200—500 раз.

Разрешающее время описанных выше дискриминаторов, не ме­ нее долей—единиц микросекунды ((при ,С=10—<100 пФ). Оно огра­ ничено постоянной времени R KC заряда конденсатора. Уменьшение

разрешающего времени достигается фиксацией потенциала коллек­ тора, что позволяет заметно уменьшить R K и увеличить зарядный

ток конденсатора .без увеличения начального тока коллектора тран­ зистора.

В схеме дискриминатора с диодной фиксацией '(р.ис. 5.'53) кол­ лектора фиксируется на уровне Uo<UM, хотя Ек>,им. Разрешаю­

щее івремя можно найти из выражения 1(2.92). При указанных на схеме данных разрешающее время не превышает 100 нс.

КОСТИ.

Сначинает заряжаться.

185

Интересная схема балансного дискриминатора описана в [8 6 ].

Эта схема, показанная на ,рис. 5.55, предназначена для использова­ ния в качестве быстродействующего сравнивающего устройства ана­ лого-цифровых преобразователей. На базу эмиттер-ного повторителя Ті подается линейно растугощее напряжение, а .на базу лавинного транзистора Т2 — 'напряжение Uх. В момент равенства этих напря­

жений лавинный транзистор включается и на выходе при разряде Сі формируется мощный импульс. Температурный дрейф входной ВАХ лавинного транзистора Т2 в этой схеме частично компенси­ руется дрейфом входной характеристики транзистора Т Однако -полной компенсации нельзя добиться, так как транзисторы 7Т и Т2

работают в различных режимах.

нирующего токов. При равенстве токов дискриминатор срабатывает.

Рис. 5.56. Функднональная схема импульсного вольтметра с дискриминатором на лавнином транзисторе.

Используя дискриминаторы амплитуды импульсов на лавинных транзисторах, легко выполнить простые амплитудные вольтметры -наносеку-ндных импульсо-в [75] (рис. 5.56). Входные .импульсы с ам­

186

Ма может использоваться для построения импульсных вольтметров с минимальным пределом измерения от долей до единиц вольт и длительностью импульсов от единиц наносекунд и выше.

На лавшшых транзисторах можно построить диодно-регенера­ тивную схему сравнения (рис. 6.57) [65], имеющую высокое входное сопротивление на постоянном токе. Рабочая точка лавинного тран­ зистора выбирается на участке, соответствующем отрицательному сопротивлению, и схема ;не генерирует до тех пор, пока сравни­ вающий диод Д 1 закрыт. При равенстве поданных на диод сравни­

ваемых напряжений диод открывается и его сопротивление начинает

цам микроампер, а величина Аивк составляет десятые доли вольта.

Температурный дрейф AuDX может доходить до 2 м.В на ГС. Порог чувствительности но току не превышает нескольких микроампер.

5.9. Аналого-цифровой преобразователь напряжения

Применение лавинных транзисторов может заметно упростить реализацию многих сложных устройств .информационно-измеритель­ ной техники [96]. Особенно большой выигрыш достигается при комп­ лексном использовании функциональных схем на лавинных транзи­ сторах. В качестве примера можно привести схему простейшего аналого-цифрового преобразователя, описанную в [65] (рис. 5.58,а). Измеряемое напряжение >UX сравнивается с опорным І1а, изменяю­

щимся по равноступенчатому закону ‘(рис. 5.58,6). Момент сравне­ ния фиксируется сравнивающим устройством СУ, которое через триг­ гер Т выключает генератор ступенчатого опорного напряжения ГСОН. Число импульсов на выходе равно UX/AUо, где AU0 _ квант

опорного напряжения.

.Принципиальная схема преобразователя показана на рис. 5.59.

транзистор Т2 в насыщенном состоянии. Накопительный конденса­ тор С2 ГСОН при этом .разряжен до начального уровня напряже­

При подаче запускающего импульса 7\ и Т2 закрываются и ГСОН

начинает генерировать ступенчатое напряжение, которое с конден­

дозирующих конденсаторов.

187

Сброс

а

иИмпульс запуска

О\ ___________

Рис. 5.58. Структурная схема аналого-цифрового преобразователя (а) и вре­ менные диаграммы его работы (б\.

Рис. 5.59. Принципиальная схема аналого-цифрового преобразователя на ла­ винных транзисторах.

188

ности лавинных транзисторов в комплексной реализации аналогоцифровых преобразователей. Применение в подобных устройствах низко-вольтных лавинных транзисторов с малым разбросом и вы­ сокой стабильностью параметров и реализация .их в интегральном исполнении позволит создать высокоточные и простые преобразова­ тели. Точность можно повысить за счет применения способа автома­

тического управления разностью пороговых напряжений (>Uß—ucк)

лавинного транзистора .и введения .устройств автоматической калиб­ ровки и установки нуля. Эти меры, обычные для высокоточных ана­ лого-цифровых преобразователей, позволяют построить преобра­ зователи на лавинных транзисторах с погрешностью до 0 Д% и ме­

нее. Особый интерес представляет возможность заметно увеличить быстродействие, обусловленная высоким быстродействием импульс­ ных схем на лавинных транзисторах.

П Р И Л О Ж Е Н И Е

Лавинные полупроводниковые приборы с оптическим управлением

Оптическая связь, осуществляемая частицами (фотонами), не имеющими заряда, обладает рядом ценных свойств: глубокой галь­ ванической развязкой цепей источника света и фотоприемника, широкополосностыо, однонаправленностью, возможностью пересечения каналов связи без их взаимного влияния и др. Эти свойства обус­ ловили перспективность оптоэлектроникн [12 2 ].

Внастоящее время достигнуты значительные успехи в разработ­ ке быстродействующих (до 1 нс) и высокоэффективных (к.п.д, до

10—30%) источников света — инжекциомных светодиодов и лазеров

[123].Однако успешное применение оптоэлектроники в ряде обла­ стей, включая импульсную и вычислительную технику, сдерживается отсутствием многофункциональных активных фотоприемников, соче­ тающих наносекуидное быстродействие с большим внутренним уси­ лением фототока КіЗ> 1.

Всвязи с этим существенный интерес представляет предложен­

ная в [79, 124] идея оптического управления лавинными транзистора­

189