книги из ГПНТБ / Богатырев Ю.К. Импульсные устройства с нелинейными распределенными параметрами
.pdfисследование сопряжено с большими математически ми трудностями и результаты его, как правило, не наглядны. Пусть нелинейные элементы линии имеют вольт-амперпую характеристику стабилитропного ти па:
0для « < Н иР,
оодля и > Unр.
Отметим, что если потери в линии отсутствуют, то вдоль нее могут распространяться без искажения лю бые сигналы, амплитуда которых не превышает на пряжения пробоя £/пр, а любой сигнал, превышающий эту величину, мгновенно уменьшается до Uaр. Рас смотрим взаимодействие двух встречных прямоуголь ных импульсов с амплитудой порядка £/пр. При этом будем считать, что один из импульсов создает началь ное напряжение смещения в линии U0—Uuv, вдоль ко торой распространяется второй импульс. Тогда сиг нал и, представляющий собой отклонения напряжения в линии от начального значения U0, будет распрост раняться как бы вдоль линии, в которой ток утечки определяется функцией
U
/(«)=, j /' (и0+ и) du = I (U0+ и) — I (U0).
О
В момент встречи фронтов импульсов в некоторой точке z* будет наблюдаться следующая картина. Справа и слева от z* напряжение u(z,t) будет оста ваться постоянным, равным Ппр. Это значит, что иду щий слева направо сигнал и+ не пройдет дальше точ ки z*, пока справа от нее u(z, t) =Пщ,. Соответственно идущий влево сигнал и~ не пройдет дальше точки z*, пока слева от нее u (z,i)= U nv. Следовательно, если встречные импульсы [/-= £ /+ = Нпр имеют одинаковую длительность, то они полностью взаимно уничтожают ся. Если же один из импульсов, например распростра-
120
някицийся вправо, длиннее на величину Atuвстречного, то от точки встречи только вправо будет уходить им пульс длительностью Ata.
Поскольку взаимодействие сигналов в линии про исходит только в точке встречи фронтов (во всех дру гих точках суммарный сигнал таков, что затухания не
Рис. 2.17. Взаимодействие им- |
Рис. 2.18. Картина отраже- |
|
пульсов |
прямоугольной формы |
ния импульса непрямоуголь- |
в |
активной линии. |
ной формы от разомкнутого |
|
|
конца активной линии. |
происходит), то для определения формы сигнала пос ле взаимодействия можно воспользоваться тем, что в любой точке линии суммарный сигнал равен сумме сигналов, распространяющихся вправо и влево. Сле
довательно, после взаимодействия вправо |
от |
точки |
|
встречи будет уходить сигнал |
и+ = и*—U~, |
а |
влево |
«- = «*—U+ (U* — напряжение |
в точке г*). Эти соот |
ношения дают возможность определить изменение формы любых прямоугольных сигналов. В качестве иллюстрации на рис. 2.17 показаны два различных импульса до и после встречи.
121
Легко видеть, что при таком взаимодействии им пульс, амплитуда которого равна (У,1р, не будет отра жаться от разомкнутого конца линии. Действительно, напряжение отраженного импульса определяется со отношением Мотр = Ык—«и (где «и — напряжение пада ющего импульса; мк— напряжение па конце линии). Максимально возможное значение ик равно t/np, по этому при и1!= и ,ц, напряжение отраженного сигнала будет равно нулю. Сопротивление (не дифференци альное) на конце линии в этом случае равно волново му сопротивлению линии при н= (/1ф.
В случае конечной крутизны характеристики тока утечки при и > и щ) взаимодействие сигналов будет происходить не только в точке встречи, а на всех уча стках линии, где в результате перекрытия импульсов суммарное напряжение больше U„v и определение точ ной формы импульсов л-'сле взаимодействия затруд няется. Одно ) качест, зное рассмотрение позволяет в этом случае сделать вывод: если взаимодействую щие импульсы имеют прямоугольную форму, то они будут менять ее, так что напряжение на последующих участках будет больше, чем на начальных. Действи тельно, если начальные участки импульса встречают ся с исходным встречным импульсом, то другие его части взаим действуют с импульсом, ослабленным при взаимодействии с начальными участками. Это отчет ливо видно па примере взаимодействия короткого и длинного импульсов. Амплитуда короткого импульса при распространении по вершине встречного может настолько уменьшиться, ч о спады длинного импуль са пройдут практически без искажения. Очевидно так же, что чем больше длительность взаимодействующих импульсов, тем меньше будет напряжение на фронте прошедшего импульса.
Аналогично будут взаимодействовать встречные импульсы в линии со знакопеременной утечкой в слу чае, когда амплитуда импульса близка к стационар
122
ной. Строгое рассмотрение такого взаимодействия в линии с .малой нелинейностью и без сопротивления потерь проведено в работе [73]. Па рис. 2.18 в качест ве примера показан (графически) процесс отражения от разомкнутого конца линии импульсов непрямо угольной формы, рассчитанный но формулам, выве денным в [73].
Эти рисунки подтверждают наличие искажения вершины проходящего импульса при встрече импуль сов или отражении импульса от разомкнутого конца. Из рис. 2.18 следует также, что в результате взаимо действия импульсов с пологими фронтами проходящие импульсы становятся более близкими к прямоуголь ным: фронты их укорачиваются, а вершина становится более плоской.
После взаимодействия встречных импульсов те участки прошедшего сигнала, напряжение в которых окажется выше порогового уровня Uu снова будут усиливаться до уровня U2. Напряжение на других уча стках сигнала затухнет до нуля. Если напряжение па фронте прошедшего импульса будет больше Uu то и па всей его вершине оно будет больше Ui и в линии вновь восстановится импульс с той же длительностью и амплитудой, что и сигнал до встречи.
Если напряжение даже па срезе импульса меньше U\, что может иметь место при встрече с очень длин ным импульсом, то весь прошедший сигнал, очевидно, гаснет до пуля. Если же после взаимодействия с.не очень длинным встречным сигналом напряжение на фронте прошедшего импульса будет меньше U\, а на срезе больше Uu то вновь формирующийся из него импульс будет иметь длительность меньше исходного. А так как амплитуда прошедшего импульса тем мень ше, чем больше длительность встречного, то и раз ность длительностей исходного импульса и вновь сформировавшегося будет тем больше, чем больше длительность встречного импульса.
123
Подобны» характер встречного преобразования длительности сигнала может [совместно с рассмотрен ным выше эффектом расширения импульса в линии при значениях тока смещения, близких к /ы (см. § 2.3)] обеспечить условия генерирования стацио нарных по длительности импульсов в разомкнутом на концах отрезке линии или в линии, замкнутой в коль цо. В таких системах уширение импульса при его рас пространении вдоль линии (из-за разности скоростей фронта и среза импульса) может быть полностью ком пенсировано (при правильном выборе величины тока смещения, длины липни и начальной длительности импульса) сужением его при отражении от разомкну того конца (т. е. при встрече с «самим собой») или при взаимодействии импульсов, распространяющихся навстречу друг другу в кольце.
Проведенное рассмотрение относится к случаю взаимодействия импульсов с амплитудами, близкими к стационарной, и уж заведомо большей порогового уровня U1. При встрече в линии двух импульсов с ам плитудой меньшей Uy может оказаться, что сумма их амплитуд будет больше £Д, и в обе стороны от места встречи начнут распространяться усиливающиеся по амплитуде импульсы. Этот эффект может оказаться полезным для создания логических элементов на та ких линиях.
2.5. ВИДЫ ФОРМИРУЮЩИХ АКТИВНЫХ ЛИНИЙ
ИИХ ПРИМЕНЕНИЕ
Внастоящее время известно достаточно большое число типов волновых активных формирующих систем различной физической природы: распределенные тун
нельные переходы [55, 65] и искусственные линии с тун нельными диодами [63, 64]; сверхпроводящие линии ти па сверхпроводник — оксид — сверхпроводник [58, 61]; полураспределенные линии с дискретными активными
124
элементами (двухбазовыми Диодами, униполярными транзисторами, четырехслойными переключателями и т. д.) и распределенной связью между ними в резуль тате диффузии инжектированных неосновных носите лей вдоль общего базового слоя [65, 66]. 1\ этому же классу относятся распределенные полупроводниковые системы с отрицательным объемным дифференциаль ным сопротивлением, например, диоды Ганна [67].
Для формирования импульсов (перепадов) с дли тельностью фронта порядка 10”10... 10-11 с наиболее пригодны линии с практически безынерционными не линейными элементами, вольт-амперная характери стика которых сохраняет свой вид неизменным в ши
роком |
диапазоне частот, вплоть до |
1011. .. 1012 Гц. |
К ним, |
в частности, относятся линии |
с туннельными |
р—/г-переходами между двумя вырожденными полу проводниками или сверхпроводящими полосками ме талла. Эти линии могут быть использованы и как ге
нераторы |
импульсных колебаний, поэтому |
сведения |
||
о технологии |
их изготовления |
и параметрах будут |
||
приведены |
в § 3.5. Здесь же |
остановимся |
лишь на |
|
особенностях, |
связанных с эквивалентными |
схемами, |
свойствами таких линий и их применениях.
Ранее уже отмечались допустимость и пределы применимости расчетных соотношений, полученных из анализа линий в виде распределенного туннельно го диода с эквивалентными схемами рис. 2.1. Что же касается исследованной Скоттом и Пармеитьером [58, 61] активной линии, состоящей из двух сверхпро водящих полосок металла, разделенных тонким слоем окисла, находящихся при температуре жидкого гелия и ниже т. е. при температуре порядка 2 К), то для нее вплоть до частот 2-1011 Гц справедлива эквивалент ная схема, представленная на рис. 2.19. Анализ про цессов, проведенный описанными ранее методами, по казал, что сверхпроводящая формирующая линия имеет ряд особенностей (по сравнению с исследовап-
125
ними здесь): стационарные волны в пей существуют
при любых |
значениях |
тока |
смещения; |
скорость их |
распространения (при Л = 0) |
не зависит от величины |
|||
Яэ и равна |
(LC)~1/2; а |
длительность |
фронта волны |
определяется величиной pzg/R:) и зависит от парамет ра А примерно так же, как и в обычной линии с вы сокочастотными потерями г. Все эти свойства хорошо подтвердились экспериментально [61].
Активная линия триггерного типа (рис. 2.20), опи санная группой японских авторов [59], на первый
Рис. 2.19. Эквивалентная |
Рис. 2.20. Эквивалентная |
схема сверхпроводящей |
схема активной линии |
активной линии. |
«триггерного типа». |
взгляд существенно отличается от рассмотренных вы ше. Основная ее особенность — симметричное вклю чение туннельных диодов и источников напряжения смещения. Поэтому в линии может распространяться волна переключения любой полярности: при одной полярности переключается верхний ряд диодов, при противоположной — нижний. Анализ уравнений линии и процессов в ней, однако, показывает, что она, по существу, представляет собой две рассмотренные вы ше более простые линии, включенные параллельно, каждая из которых формирует перепады противопо ложной полярности.
126
Рассмотренные выше линии имели нелинейные элементы с jV-образной вольт-амнерной характеристи кой. Свойства активных линий, содержащих нелиней ности с S-образной характеристикой, зависят не толь ко от параметров линии, но и от инерционных свойств активных элементов. Эти линии, как правило, сравни тельно низкочастотные и работают в микросекундном диапазоне длительностей импульсных сигналов, по этому здесь они рассматриваться не будут.
Из изложенного в этой главе следует, что актив ные линии целесообразно использовать для формиро вания импульсов и перепадов напряжения с длитель ностью 10~10 ... 10-11 с и малыми амплитудами (в от личие от линий с ударными волнами). Амплитуда импульса (перепада) зависит от типа линии: для сверхпроводящих линий она составляет 0,5... 1 ОмВ, для линий с туннельным р—/г-переходом — 0,3.. . 1,0 В (в зависимости от полупроводникового материала), для линий с лавинными транзисторами и диодами Ганна— несколько вольт или десятков вольт.
Мощность формируемых импульсов зависит от вы ходного сопротивления линии. Для линий с туннель ными переходами / ? ВЫх может изменяться от несколь ких ом до долей ома, например, из-за изменения ширины перехода, а у линий с лавинными транзисторами имеет порядок сотен ом. Поэтому в активных ли ниях могут быть сформированы импульсы с мощно стью от долей ватта до нескольких ватт.
Особенностью линий является и то, что малый от резок ее или отдельная ячейка являются сами по себе устройствами, способными формировать и генериро
вать импульсные сигналы! Однако |
фронт сигнала |
в линии может быть короче, чем |
фронт импульса, |
сформированного отдельным ее звеном или элемен том, если вдоль линии распространяются быстрые волны, а высокочастотные потери невелики, т. е. ког да выполняются неравенства CR/Lg<^ 1, г/м/П2< 0,3.
127
Если для возбуждения формирующей линии ис пользовать маленький ее отрезок или отдельное звено, работающее в ждущем или автоколебательном режи ме и развязанное от остальной линии достаточно большим сопротивлением, то в этом случае даже при запускающем сигнале небольшой амплитуды с очень пологим фронтом в линию будет поступать импульс с формой, близкой к стационарной, с крутым фрон том, что позволит существенно уменьшить длину фор мирующей линии.
Результаты экспериментальных исследований ис кусственных линий с туннельными диодами [63, 117] и опытных образцов распределенных туннельных р—п- переходов [60] подтверждают справедливость сделан ных оценок. Так, в искусственной линии с туннельны
ми |
диодами |
с параметрами |
Ct/2//M= 2,5-10—9 |
с и |
rIM/Uz= 0,0\ |
длительность фронта стационарной |
вол |
||
ны не превышала Тф = 4-10~10 |
с при амплитуде 0,8 В |
|||
на |
сопротивлении нагрузки, |
приближенно равном |
24 Ом [63]. В неоднородной искусственной линии, опи санной в [117], величина Тф не превышала 1,6-10-10 с при амплитуде ЗВ на нагрузке 50 Ом. В опытных об разцах распределенных туннельных диодов величина Тф была порядка 6 -10—9 с при амплитуде 0,35 В и со противлении нагрузки менее 1 Ом [60].
.Активные линии могут быть использованы (при питании не от распределенного источника тока, а от распределенного источника 'напряжения) для созда ния принципиально новых логических устройств. Та кая возможность основана на аналогии между свой ствами линий и свойствами нервных волокон, вдоль которых распространяется без затухания нервный им пульс. Активные линии, моделирующие процессы в нервных волокнах, получили название нейристорных линий.
Замечательным свойством нейристорных линий, как показано в работе Крэйна [75], является то, что
128
с помощью лишь двух типов соединений между нейристорами можно реализовать практически любые ло гические операции. Это означает, что на основе нейристоров может быть построена полная логическая си стема различного рода вычислительных и других устройств. Важным достоинством таких устройств должны быть высокая надежность и технологичность изготовления, связанные с высокой однородностью схем с нейристорами. Вопросы построения логических устройств с нейристорами подробно рассмотрены так же в [118].
9— 674