книги из ГПНТБ / Аналоговые запоминающие и адаптивные элементы
..pdfРис. 4-17. Схемы |
ключей |
коммутации |
адаптивных |
элементов |
|
||||||||||
на |
трансфлюксорах. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
а — схема |
ключа |
переменного |
|
тока; б — схема с |
использованием |
общего |
транзистора |
||||||||
в двух |
ключах |
переменного |
тока; |
в — схема |
ключа |
при |
отсутствии |
|
|||||||
коммутации |
тока |
i + |
в селектирующих |
сердечниках; |
г — схема |
ключа |
|
||||||||
для адаптивного |
|
элемента |
на |
трансфлюксоре |
с |
|
селектирующими |
|
|
||||||
сердечниками |
при |
отсутствии |
коммутации |
тока |
|
и с |
разделением |
|
|||||||
считывания |
на |
два |
такта (случай, |
когда |
входные |
сигналы |
равны 0 |
и +1); |
|
||||||
д — то же, |
что и в рис. |
4-17,г, |
но |
для |
случая, |
|
|
|
|
|
|||||
когда |
входные |
сигналы |
равны |
—1,0; |
+1. |
|
|
|
|
|
|
Характеристики записи, отображающие изменение веса (или выходного сигнала одного элемента) в зависимости от числа импульсов, приведены на рис. 1-20. Эти характеристики носят экспоненциальный характер, и, как отмечалось в § 1-2,в, их ход в значительной мере определяется предысторией намагничива ния. В том случае, если необходимо линеаризовать эту харак теристику, удобно применять биполярные импульсы записи (§ 1-2,в). Другим способом линеаризации этих характеристик является использование импульсов напряжения, формируемых с помощью селектирующих сердечников (§ 1-2,6). Для построе ния АЭ в этом случае можно использовать как трансфлюксоры, так и тороидальные сердечники (рис. 4-15). Так как в столбцах провода записи и возбуждения — отдельные, то принципиально необходимо иметь удвоенное число входных ключей. По сути дела, схема записи с использованием селектирующих сердечни ков работает так же, как и схема записи на рис. 4-14, но с уче том следующих отличий: вместо генератора переменного тока Г
171
используется генератор |
импульсов тока |
смещения |
/ с м ГС; гене |
|||||||
раторы |
записи в строках |
имеют по два |
выхода, один |
подает |
ток |
|||||
/+заш а |
другой — |
i - 3 a n |
в |
зависимости |
от |
знака |
АРи- |
Временная |
||
диаграмма для |
одного |
цикла записи приведена па рис. 4-16. |
||||||||
Если APk = 0, то ток /зап соответствующей |
строки |
отсутствует. |
||||||||
Считывание может по |
времени совпадать |
с одним |
из |
импуль |
||||||
сов смещения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Как было отмечено выше, принципиально для схем, изобра |
||||||||||
женных |
на рис. |
4-14 и |
4-15, необходимо |
иметь |
удвоенное |
по |
сравнению с числом столбцов количество ключей. Конструктив но в целом ряде случаев оба ключа одного и того же столбца удается частично или полностью совместить. На рис. 4-17,а изо бражен ключ переменного тока. На первичные обмотки транс форматора напряжение питания по двум шинам подается в противофазе и при открывании транзистора в выходной обмотке появляется переменное напряжение. Благодаря включению дио дов через транзистор протекает однополярный ток. Один и тот же транзистор можно использовать, как показано на рис. 4-17,6, для двух ключей одновременно. Таким образом, для схемы рис. 4-14 количество транзисторов в ключах можно уменьшить
вдвое. В схеме рис. 4-15 можно обойтись |
только одним |
транс |
||
форматором в столбце. Действительно, ток смещения /+ с м |
мож |
|||
но подавать |
во все столбцы по отдельным |
проводам |
независимо |
|
от значений |
Хх на входах. В этом случае |
требуется |
коммутиро |
вать лишь однополярный ток t_cMСоответствующая схема изо бражена на рис. 4-17,0. Если же для АЭ применяются трансфлюксоры, схему коммутации можно еще более упростить, используя однополярный ключ, подобно тому, как это предло жено в [Л. 73]. Действительно, полный цикл считывания в трансфлюксоре можно разделить на два такта. В первом такте, назо вем его тактом подготовки, отверстие считывания перемагничивается в одном направлении, а во втором такте, являющемся, собственно, тактом считывания, — в другом. С учетом сказан ного перемагничивание можно осуществлять посредством двух обмоток Доподг и wC4, по каждой из которых проходят импульсы одной полярности. Обмотка подготовки ^подг проходит через сердечники всех столбцов, а обмотки wC4 — только через сердеч ники одного столбца; импульсы считывания коммутируются
входным однополярный ключом вместе стокотл / - с м |
(рис. 4-17,г). |
||
Схема, изображенная на этом рисунке, |
соответствует |
входным |
|
сигналам xt, принимающим значения (0; |
+ 1 ) . Для случая ( — 1 , |
||
0, + 1 ) необходимо изменять полярность |
импульсов |
подготовки |
|
и считывания в зависимости от знака хи |
но так как |
wnow |
прохо |
дит через сердечники всех столбцов, то это сделать |
невозможно. |
172
Простой выход из указанного положения состоит в применении
двух отверстий считывания с двумя |
обмотками считывания |
w04i |
и о>сч2 и одной обмоткой подготовки |
Шподг (рис. 4-17,5). |
|
Выше были рассмотрены методы реализации итеративного |
||
алгоритма обучения (4-10) для дискретных входов ( — 1 ; 0; |
+ 1 ) . |
В принципе обучение для аналоговых входных сигналов произ водится таким же способом, т. е. в два этапа, на первом из ко
торых производится коррекция |
АЭ |
в тех столбцах, |
для которых |
s i g n X i = + l , а на втором — в |
тех |
АЭ, для которых |
signXi = — 1 . |
Поэтому на первом этапе возбуждаются только те столбцы, для
которых sign Х г = |
+ 1 , а на |
втором — только те, для которых |
signXj = — 1. Для |
включения |
и отключения возбуждения, как по |
казано на рис. 4-18, в ФСУ имеется специальный вход, при по даче потенциала на который соответствующий столбец возбуж дается. Последовательность работы схемы при обучении сле
дующая. Трехпозиционные переключатели Пи |
..., Пт устанав |
ливаются в соответствии со знаками входных |
сигналов xit ... |
ч
УОЗ | |
УОЗ; |
\х т
о—
У 0 3 т
ФСУ, |
ФСУ | |
ФСУ г, |
Рис. 4-18. Схема |
обучения |
с использованием |
АЭ |
|
||
с |
высокочастотным |
считыванием |
во втором |
режиме |
записи |
|
(в |
случае, когда |
входные |
сигналы |
являются |
аналоговыми). |
173
..., хт. Положением |
переключателей управляют так |
называемые |
|||
устройства |
определения знаков У 03. |
На первом этапе включает |
|||
ся ключ Ki, |
и в строки подаются импульсы записи, знак |
которых |
|||
совпадает |
со знаком |
АРи\ таким |
образом, знак |
Acih |
совпа |
дает со знаком APh [см. формулу (4-10)]. На втором этапе вклю чается ключ Кг и меняется полярность импульсов записи, по
этому знаки |
Ас^ и APh — противоположные. |
В |
тех элементах, |
для которых |
s i g n x j = 0 или Д Р ь = 0 , запись |
не |
производится. |
В процессе распознавания независимо от положения переключа
телей |
Я ь |
... , Пт |
и |
ключей Ki, Кг, на ФСУ |
подается |
разрешаю |
щий потенциал |
(на |
схеме это не показано). Отметим, что имею |
||||
щиеся |
в |
описываемой схеме УОЗх—У03т |
фактически |
присутст |
вуют и для случая дискретных входных сигналов матрицы, ко торые управляют положением ключей не только записи, но и возбуждения. На рис. 4-3, 4-5, 4-13, 4-15 УОЗ не показаны, но подразумевается, что с помощью именно таких устройств осу
ществляется |
преобразование некоторых аналоговых сигналов |
во входные |
дискретные сигналы матрицы. |
При последовательной коррекции весов в адаптивных элемен тах, построенных на тонких цилиндрических или плоских магнит ных пленках, удобно использовать методы записи совпадением переменного и постоянного полей (§ 4-5,в). Как уже отмечалось в '§ 4-6,6, процессы записи в адаптивных элементах на тонких маг нитных пленках и на тороидальных сердечниках формально очень близки, несмотря на различные механизмы перемагничивания. Основное отличие этих двух процессов заключается в необходи мости синхронизировать положение импульсов постоянного тока относительно переменного тока в адаптивных элементах на тон ких пленках, что исключает процессы «сползания» в полувыбран ных элементах (§ 4-5,в). Вследствие этого при переходе от пер вого этапа коррекции ко второму (т. е. при переходе от коррек ции весов, соответствующих входным сигналам + 1 , к коррекции весов, соответствующих входным с и г н а л а м — 1 ) необходимо сдвигать положение импульсов постоянного тока, что вызвано изменением фазы переменного тока в этом случае на 90°.
Часть 2
Электро - химические аналоговые запоминающие и адаптивные элементы
••••••
••••••
••••••
••••••
5 |
Действие электрохимических анало- |
|||
• • • • • • • • • • • • • • • • |
г о в ы х |
запоминающих и |
адаптив |
|
|
ных элементов основано на нако- |
|||
Принципы |
плении |
продуктов |
электрохимиче- |
|
„ |
ских реакций на |
фазовых |
перехо- |
оеиствия |
д а |
х |
и л и в |
приэлектродных |
зонах |
|||||||
электрохимических |
электрохимической ячейки в коли- |
|||||||||||
|
Л 9 |
|
чествах, |
пропорциональных |
заряду, |
|||||||
Acfj |
U А С У |
|
протекшему |
во |
входной |
электриче |
||||||
|
|
|
ской цепи, |
и непрерывном |
|
(моно |
||||||
|
|
|
тонном) |
изменении |
параметра, ис |
|||||||
|
|
|
пользуемого |
в |
качестве |
выходного, |
||||||
|
|
|
в |
соответствии |
с изменением |
этого |
||||||
5-1. Общие особенности |
|
3 а |
Р 5 д а |
* Л |
" |
171-173]. |
|
элементах |
||||
электрохимических |
|
в |
электрохимических |
|||||||||
АЗЭ |
и АЭ |
|
носителями |
зарядов |
служат |
ионы |
||||||
|
|
|
в |
жидких |
(или, реже, |
в |
твердых |
|||||
[Л. 174]) электролитах. Подвижность их в 106 —108 раза |
меньше, |
|||||||||||
чем |
подвижность |
носителей |
в |
полупроводниках |
с электронной |
и дырочной проводимостью, а скорость рекомбинации и выде
ляемая |
тепловая мощность |
также во много раз ниже [Л. 175]. |
Это в |
существенной мере |
определяет характерные диапазоны |
значений физических параметров, внешние характеристики и области применения электрохимических элементов, в частности их частотные диапазоны и способность длительного хранения запомненной информации. Вместе с тем благодаря сходству поведения носителей в электронных полупроводниках и в поляр ных жидкостях имеется частичное сходство характеристик и схем замещения для определенных типов полупроводниковых и электрохимических элементов.
Во всех случаях количество частиц, хранимых в зоне дрей фа между электродами, определяет силу тока или выходной сиг нал этого элемента. Энергия частиц резко изменяется вблизи электродов, ограничивающих ячейку.
В качестве выходной величины электрохимических адаптив ных и запоминающих элементов служит э. д. с. поляризации между рабочими электродами, предельный ток диффузии меж
ду |
вспомогательными электродами, дополнительно введенными |
в |
ячейку, электропроводность или оптическая плотность элек |
трода или электролита, положение границы фаз электрод — ра створ и др. Соответственно используются либо чисто электри ческие методы считывания, либо оптоэлектронные.
Наиболее перспективные из электрохимических аналоговых запоминающих элементов отличаются уже сейчас невысокой
12—382 |
177 |
стоимостью, малыми габаритами и массами (от долей грамма до нескольких грамм), простотой устройства, а также простотой управления и считывания, что обеспечивает возможность реа лизации матриц с большим числом весовых элементов в малых объемах. Элементы эти обладают очень малым потреблением (десятки или сотни микроватт), низкими уровнями шумов, ма лыми уровнями управляющих сигналов и сигналов считывания (доли вольта), что обеспечивает их легкое сочетание с полупро водниковыми (в частности, интегральными) схемами.
Характеристики записи благодаря особенностям электрохи мических процессов легко осуществляются монотонными. В за висимости от способа считывания и параметров цепей считыва ния они могут быть как линейными в широком диапазоне управляющих сигналов, так и нелинейными и практически безгистерезисными или, напротив, со значительным гистерезисом.
Электрохимические аналоговые запоминающие элементы мо гут работать при очень больших длительностях непрерывных или дискретных сигналов управления, измеряемых тысячами часов, при очень низких частотах изменения этих сигналов (от постоянного тока до долей герца и т. п.) при одновременной возможности управления импульсными сигналами с частотами следования до десятков и сотен мегагерц и выше, что обеспечи вает большую универсальность по виду управляющих сигналов.
Хранение информации происходит без потребления энергии. Отключение от источника питания не приводит к потере инфор мации. Скорость дрейфа (если не применяются нужные для не которых задач электрохимические системы с быстрым самовоз вратом) составляет у современных образцов десятые доли про цента в сутки [Л. 176], а у некоторых систем еще меньше, так что время хранения аналоговой информации, накопленной в про цессе обучения, может составлять десятки, сотни или тысячи ча сов. Для изменения выходного сигнала во всем динамическом диапазоне (при действии максимального, т. е. номинально до пустимого, управляющего тока) требуется время от единиц до сотен секунд (или даже до десятков часов) в зависимости от типа электрохимической системы, примененной конструкции и принципа считывания.
У аналоговых запоминающих электрохимических элементов легко осуществляется неразрушающее считывание. Благодаря постоянному сохранению выходного сигнала обычно не тре буется дополнительного времени (или нужно малое время) для опроса. Поэтому после завершения процесса обучения или на стройки быстродействие элемента ограничивается часто только временем распространения сигнала в опросных цепях.
178
Срок службы у лучших конструкций составляет до 5 лет и более [Л. 177]. При электрическом пробое в результате кратко временных случайных перенапряжений и при некоторых других видах отказов имеется возможность самовосстановления благо даря молекулярной подвижности среды-носителя, что обеспе чивает высокую потенциальную надежность приборов. Электро химические элементы рассматриваемого типа отличаются хоро шей стойкостью к излучениям ввиду применения избыточности основных носителей и к действию постоянных и переменных магнитных полей.
Фактически достигаемые характеристики — скорость изме нения выходного сигнала, нелинейность, температурная зависи мость, стабильность во времени и т. д. — определяются типом примененной электрохимической системы, методами управления и считывания, параметрами соответствующих электрических цепей, конструкцией элемента, выбранными при проектировании его параметрами, технологией изготовления, чистотой исходных материалов, схемами включения [Л. 171].
Так как физико-химические процессы протекают у аналого вых запоминающих электрохимических элементов в очень тон ких приэлектродных слоях (около микрона или долей микрона), то в принципе по мере совершенствования конструкций и тех
нологии возникает |
возможность |
их |
микроминиатюризации пу |
||
тем |
применения |
пленочных структур |
[Л. 175]. |
||
5-2. |
Классификация |
электрохимических |
АЗЭ |
и АЭ по типам |
|
электрохимических |
систем и способам |
считывания |
|||
Электрохимический |
аналоговый |
запоминающий элемент пред |
ставляет собой замкнутую герметическую изолирующую оболоч ку, заполненную полярной жидкостью, с погруженными в нее электродами, имеющими выводы наружу.
В зависимости от используемых процессов жидкость либо применяется в чистом виде, либо представляет собой раствор электролита.
По роду электрохимических явлений рассматриваемые эле менты могут быть подразделены на две основные группы [Л. 171,
172, |
178, |
179]: |
|
|
|
|
1) |
электролитические |
элементы, |
в которых |
применяются |
||
различные |
процессы в |
растворах |
электролитов |
(или, реже, |
||
в твердых |
|
электролитах) |
и на границе электролит — электрод; |
|||
2) электрокинетические элементы, в которых используются |
||||||
процессы, |
|
протекающие |
на границе |
полярная жидкость — твер |
||
дый |
диэлектрик. |
|
|
|
12* |
179 |
В электролитических элементах применяются два основных типа электрохимических систем:
1) обратимые и необратимые системы с электрохимически активными (электрохимически растворимыми) электродами;
2) обратимые окислительно-восстановительные системы с инертными (электрохимически нерастворимыми) электродами.
Системы первого типа (твердофазные) основаны на меж фазных переходах на электродах и благодаря особенностям происходящих в них процессов могут служить для хранения и преобразования информации. Практическое применение в АЗЭ получили системы с переносом металла электродов. При соот ветствующем выборе конструкции, рода активных материалов и электрических режимов эти элементы пригодны для многократ ного переключения.
Системы второго типа называются «жидкофазными» (или концентрационными), если используемые электрохимические про цессы протекают с образованием веществ, остающихся раство ренными в жидкости, так что меняется лишь их концентрация, и «газофазными», если электрохимические процессы сопровож даются выделением продуктов реакции в виде газов и (или) их поглощением.
Эти системы позволяют создавать элементы хранения и пре
образования величин многократного действия с |
практически |
||
неограниченным |
числом переключений. Применение в реаль |
||
ных |
разработках |
аналоговых запоминающих элементов полу |
|
чили |
благодаря |
ряду преимуществ жидкофазные |
и твердофаз |
ные системы. Несмотря на возможность реализации электриче
ского |
и |
оптоэлектронного считывания |
газофазные |
элементы |
||||||
пока |
не |
используются в качестве адаптивных. То |
же |
относится |
||||||
к |
элементам |
второй группы — электрокинетическим (см., напри |
||||||||
мер, [Л. |
182]). |
|
|
|
|
|
||||
|
В |
дальнейшем |
будут рассматриваться только |
твердофазные |
||||||
и |
жидкофазные |
(концентрационные) |
электрохимические |
эле |
||||||
менты. Эти элементы выпускаются серийно [Л. |
171, |
172, |
177, |
|||||||
183—191] |
и |
уже |
используются либо могут быть |
использованы |
||||||
в |
АЗЭ |
и |
в |
АЭ. |
|
|
|
|
|
По расположению и конфигурации систем электродов элек трохимические аналоговые запоминающие элементы делятся на объемные (в частности, с цилиндрическими коаксиальными элек тродами), пленарные (с плоскими, в частности, пленочными электродами, расположенными в одной плоскости) и бипланарные (с плоскими электродами, расположенными в двух па раллельных плоскостях).
180
По способу считывания электрохимические АЗЭ могут быть подразделены на следующие группы:
1. Считывание по толщине осажденного на электроде слоя (микропленки) электрохимически активного металла:
а) электрическое считывание по суммарному электрическому сопротивлению «резистивного» электрода и осажденной на нем микропленки (твердофазные канальные электрохимические триоды) 1 ;
б) оптоэлектронное считывание по оптической плотности микропленки, осажденной на электропроводной прозрачной под
л о ж к е — электроде |
(твердофазные |
|
электрохимические |
диоды). |
|
2. Считывание по положению |
в |
электрохимической |
ячейке |
||
межфазной границы |
электрод (из |
электрохимически |
активного |
||
м е т а л л а ) — раствор; |
|
|
|
|
|
а) электрическое |
считывание по |
сопротивлению |
междуэлек |
тродного промежутка (твердофазные капиллярные ртутно-элек- тролитические триоды и тетроды);
б) оптоэлектронное считывание по световому потоку через междуэлектродный зазор (твердофазный ртутно-электролитиче-
ский |
диод) 2 . |
|
|
|
|
3. |
Считывание по изменению концентрации электрохимиче |
||||
ски активного компонента в приэлектродной зоне: |
|
||||
а) |
электрическое |
считывание |
по |
поляризационной |
э. д. с. |
(концентрационный |
электрохимический диод); |
|
|||
б) |
электрическое |
считывание |
по |
предельному току |
диффу |
зии (концентрационный электрохимический триод или тетрод) 3 ; в) электрическое считывание по сопротивлению электролита
(концентрационный электрохимический |
триод или тетрод); |
|||||
г) оптоэлектронное считывание |
по |
оптической |
плотности |
|||
электролита |
(концентрационный электрохимический |
диод). |
||||
5-3. Процессы |
в |
электрохимических |
диодах |
при |
протекании |
|
постоянного |
тока |
|
|
|
|
Рассматриваемые здесь в качестве примера электрохимические диоды [Л. 192] представляют собой герметическую оболочку, заполненную раствором сильного электролита, с двумя погру женными в этот раствор электродами, выполненными из одина кового металла М. Электролит представляет собой соль того же
1 Именуются также электрохимически управляемыми резисторами или со противлениями; фирменные наименования «метистрон» и «мемистор».
2
3
Фирменные наименования «хронистор», «индахрон». Фирменное наименование «солион» или «хемотрон».
181