книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

На рис. 15.5 приведена феррит-диодная схема с шунтирую­ щим диодом Д 2. В момент передачи состояние сердечника Ф\, соответствующего «1», сердечнику Ф2 по цепи связи диод Д 2 за­ перт и никакого влияния на протекающий процесс не оказывает. Когда происходит считывание единицы с Ф2, диод Д 2 откры­ вается и шунтирует обмотку йу3, тем самым устраняется обратная передача информации. Этот метод позволяет существенно сни­ зить величину помехи при считывании информации.

Фі Ді

Рис. 15. 5. Феррит-диодная схе­ ма с шунтирующим диодом

w су-

Основными достоинствами феррит-диоднои схемы является низкая стоимость и простота изготовления и эксплуатации.

Кнедостаткам схемы следует отнести:

1)отсутствие активного элемента и вследствие этого потеря

энергии в цепях и необходимость генератора мощных импульсов считывания, удовлетворяющих жестким требованиям по форме

иамплитуде;

2)низкое быстродействие. Тактовая частота обычно не пре­ вышает 200 кГц;

3)наличие помех, обусловленных непрямоугольностыо петли гистерезиса особенно при повышенной температуре.

Эти недостатки ограничили область применения феррит-дпод- ных схем.

Более эффективными являются феррит-транзисторные схемы. Использование в цепи св-язи этой схемы активного элемента — транзистора позволило устранить недостатки, присущие ферритдиодной схеме.

§ 15. 3. ФЕРРИТ-ТРАНЗИСТОРНАЯ ЯЧЕЙКА

Феррит-транзисторная ячейка (ФТЯ) используется для хра­ нения информации. С помощью таких ячеек могут быть' выпол­ нены схемы, осуществляющие разнообразные логические опера­ ции («И», «ИЛИ», «НЕТ», суммирование и т. д.) ФТЯ состоит из запоминающего трансформатора с ферритовым сердечником, имеющим прямоугольную петлю гистерезиса, и усилителя мощ­ ности, выполненного на транзисторе (рис. 15.6). Кроме того, транзистор выполняет функцию клапана, преграждающего обрат­ ный поток информации, а трансформатор осуществляет глубо­ кую положительную обратную связь с выхода на вход, как в схеме блокинг-генератора.

ФТЯ весьма надежны в эксплуатации, потребляют сравни­ тельно небольшую мощность, имеют небольшие габариты и вес.

192 .

Схемы на феррит-транзисторных ячейках не требуют сложной наладки при изготовлении. В отличие от феррит-диодных ячеек, в которых связь между магнитными элементами осуществляется пассивными цепями (диодами), в феррит-транзисторных ячей­

быть значительно менее жесткими. Кроме того, выходным сигна­ лом от одного сердечника можно управлять большим количест­ вом сердечников по сравнению с феррит-диодной схемой, в кото­ рой вся энергия сигнала должна передаваться тактовым импульсом.

Феррит-транзисторный элемент выполняют по схеме ждущего блокинг-генератора для того, чтобы уменьшить влияние разброса параметров входных импульсов на параметры выходных-. Как известно, блокинг-генератор обладает хорошими формирующими свойствами.

Как и рассмотренные выше ключевые схемы, ФТЯ имеет два устойчивых состояния, соответствующие двум состояниям петли гистерезиса сердечника: + ß r и —Вт. Условно примем магнитное состояние сердечника, характеризуемое остаточным значением индукции —Втза положение «О», а магнитное состояние, харак­ теризуемое остаточным значением индукции + ß r, за положение

«1». Трансформатор имеет коллекторную обмотку w1{, базовую wg, а также обмотку записи w3 и считывания wc4.

Принцип действия ФТЯ может быть проиллюстрирован с по­ мощью упрощенной временной диаграммы, представленной на рис. 15.7. База транзистора соединена с источником положитель­ ного напряжения +£б через обмотку Шв, в результате чего тран­ зистор заперт. Пусть сердечник находится в состоянии, соответ­ ствующем —Вг. В момент времени t\ в обмотку записи ш3 подается импульс тока записи /3. Полярность импульса такова, что сердечник перемагничивабтся из состояния —Вг в состояние + ВГ. Причем величина да3і3 обеспечивает перемагиичиваиие сер­ дечника по полному циклу.

Вмомент записи в обмотке, включенной в цепь базы, наво­ дится положительный импульс. Вследствие этого транзистор не открывается и на выходе схемы импульс отсутствует.

Всостоянии +В,- сердечник находится до прихода импульса

тока считывания Ісч (в момент ti на рис. 15.7) в обмотку юсч, т. е. до прихода импульса считывания сердечник находится в со­ стоянии «1». Импульс считывания наводит в базовой обмотке транзистора отрицательную ЭДС, в результате чего транзистор отпирается. Коллекторный ток течет через нагрузку и обмотку wK в направлении, помогающем считывающему импульсу пере­ магничивать сердечник из состояния +В,- в состояние —Вг. Сиг­ нал обратной связи (от обмотки wK к w5) лавинообразно увели­ чивает ток транзистора до тех пор, пока сердечник не устано­ вится в состояние —Вг. В результате в коллекторной цепи формируется импульс тока (происходит считывание единицы).

При повторном считывании на выходе схемы импульс отсут­ ствует, потому что ферритовый сердечник работает на участке (от —Вг до —Вт, рис. 15.8), изменение индукции будет незна­ чительным, и наведенный на базовой обмотке импульс напряже­ ния отрицательной полярности окажется недостаточным для запуска блокинг-генератора (момент h на рис. 15.8). .

Принцип действия ФТЯ по существу тот же, что и блокинггенератора. Отличие, связанное с прямоугольностью петли гисте­ резиса сердечника ФТЯ, заключается в следующем. Если сердеч­ ник ФТЯ до поступления импульса считывания находился в со­ стоянии с остаточной индукцией —Вг, то регенеративное действие положительной обратной связи отсутствует. Причина этого со­ стоит в том, что ток считывания изменяет значение индукции лишь на величину АВ = Вт—Вг и амплитуда напряжений в цепи обратной связи очень мала, чтобы вызвать регенеративный про­ цесс.

Кроме того, в отличие от схемы блокинг-генератора регене­ ративный процесс в ФТЯ может продолжаться и после установ­ ления минимального тока коллектора до тех пор, пока сердечник полностью не перемагнитится. После полного перемагничивания сердечника напряжение между базой и эмиттером возрастет до

164

нуля и далее до +£ц и ток коллектора прекратится. Схема окажется в исходном состоянии.

В связи с тем, что транзистор все время, за исключением момента, когда состояние сердечника устанавливается соответ­ ствующим —Вг, находится в запертом состоянии, потребление мощности в схеме очень мало по сравнению со схемой, где по­ стоянный ток потребляется все время. Если феррит-транзистор- ная схема работает на высокой частоте, когда длительность импульса лишь незначительно превышает время перемагничнвания сердечника, то для сокращения времени выхода транзистора из режима насы­ щения целесообразно вводить отрицательную обратную связь.

Практически это осуществляет­ ся включением сопротивления

параметров транзисторов на параметры выходных импульсов феррит-транзисторных ячеек.

Включение емкости параллельно резистору R3 позволяет существенно повысить быстродействие схемы, так как в момент переключения по цепи базы — эмиттер протекает большой емкостной ток (гл. IX). Время рассасывания уменьшается также в результате введения запирающего смещения в цепь базы. Кроме того, это повышает помехозащищенность ФТЯ.

Нормальная работа феррит-транзисторной ячейки может быть лишь, когда записывающий и считывающий импульсы от­ стоят друг от друга не менее чем на их длительность.

Нагрузкой ФТЯ, как правило, является несколько таких же ячеек, включенных к выходу данной схемы обмотками считыва­ ния или записи.

Ввиду того, что ФТЯ является «токовыми» элементами, необ­ ходимо, чтобы нагрузка включалась последовательно с выходом элемента, т. е. к концу коллекторной обмотки подключается цепь последовательно соединенных обмоток тех элементов, на которые должна работать данная ячейка (рис. 15.9). Эта цепь через огра­ ничивающий резистор RKсоединена с источником питания —£ п- Резистор RKограничивает ток коллектора от чрезмерного возра­ стания в момент, когда заканчиваете^ перемагничивание ферри­ товых сердечников и индуктивное сопротивление нагрузки ста­ новится очень малым. Количество ячеек, подключенных к выходу схемы, ограничивается величиной тока, который с возрастанием числа обмоток уменьшается (увеличивается индуктивное сопро­ тивление нагрузки) и- может стать недостаточным для перемагничивания. Эпюры напряжений и токов реальной феррит-транзи- сторной ячейки представлены на рис. 15.10. Перепад коллектор­ ного тока А/к обусловлен индуктивным сопротивлением в цепи коллектора. Чем больше индуктивная нагрузка, тем больше иска­ жается импульс в коллекторе. Это обстоятельство накладывает ограничение на выбор числа витков коллекторной обмотки и числа ячеек нагрузки.

Импульсы ЭДС, наведенные в обмотках нагрузки, сумми­ руются и часто превышают по величине напряжение источника коллекторного питания. Пиковое напряжение АUJ (рис. 15.10), складываясь с постоянным напряжением коллекторного питания (в этот момент транзистор заперт), может вызвать пробой кол­ лекторного перехода транзистора. Это накладывает ограничение на число ячеек нагрузки.

§ 15.4. РАСЧЕТ ФЕРРИТ-ТРАНЗИСТОРНОЙ Я Ч Е Й К И

Расчет ФТЯ представляет собой весьма сложную задачу. Это обусловлено тем, что в состав ячейки входят два нелинейных элемента — транзистор и ферритовый сердечник с прямоуголь­ ной петлей гистерезиса. Приведенный здесь приближенный метод расчета феррит-транзисторной ячейки дает лишь ориентировоч­ ные результаты для опытной проверки. Практически окончатель­ ный выбор элементов схемы приходится проводить эксперимен­ тально. Исходными данными к расчету являются длительность импульса £к, напряжение коллекторного источника питания —£„ и смещения + Ев, нагрузочная способность К (число ячеек, кото­ рое может переключить рассчитываемая ФТЯ).

Расчету подлежат все элементы ячейки и обмоточные данные трансформатора. Необходимо также выбрать тип транзистора и марку ферритового сердечника. При расчете, в первую очередь, необходимо выбрать схему элемента. Выбираем схему, приве­ денную на рис. 15.9, как наиболее распространенную на прак­ тике. Затем следует выбрать тип сердечника и транзистора.

196

1.Выбираем ферритовый сердечник. При этом необходимо исходить из следующих соображений. Величина коэрцитивной силы, величина магнитной индукции и постоянная перемагничивания феррита определяют мощность, которую необходимо затра­ тить для перемагничивания сердечника за требуемое время пере­ ключения. Величина этой мощности определяет выбор типа сер­ дечника.

Отношение полезного сигнала на выходной обмотке трансфор­ матора, получаемого при перемагничивании сердечника по предельной петле, к сигналу помехи при перемагничивании сер­ дечника на участке —Вг, —Вт петли гистерезиса зависит от кру­ тизны переднего фронта импульса, перемагничивающего сердеч­ ник, и от величины отношения перемагничивающего поля к полю, соответствующему величине коэрцитивной силы ферритового сердечника. Это отношение выбирать большим не следует, так как амплитуда сигнала помехи при этом может существенно воз­ расти. Практически магнитные поля не должны превышать 10 Нс. Наибольшая температурная нестабильность параметров наблю­ дается у ферритовых сердечников с малой величиной коэрцитив­ ной силы. Поэтому при выборе типа сердечника необходимо исходить из следующих требований: обеспечение мощности, не­ обходимой для перемагничивания сердечника, его быстродейст­ вия и температурных характеристик ферритового сердечника.

Ферритовые сердечники с малым значением Нс требуют мень­ шей мощности перемагничивания и обладают большей скоростью перемагничивания, но имеют низкие температурные характери­ стики. Размер сердечника выбирается из следующих соображе­ ний: чем меньше диаметр сердечника, тем меньшая мощность требуется для его перемагничивания и меньше длительность импульса. Минимальный внутренний диаметр сердечника опре­ деляется количеством обмоток, числом витков в каждой из них

имаркой провода.

2.Выбираем транзистор. Транзистор должен обеспечить пол­

ное перемагничивание ферритовых сердечников, включенных в качестве нагрузки в цепь его коллектора, за время, не превы­ шающее длительности импульсов. Как известно, время перемаг­

ампер-витками. Целесообразно обеспечивать требуемое число ампер-витков большим током и малым числом витков, так как с уменьшением числа витков резко падает индуктивность, что существенно улучшает нагрузочную способность схемы (увеличи­ вается число обмоток, которые могут быть последовательно включены в цепь коллектора транзистора). Кроме того, уменьше­ ние количества витков облегчает технологию изготовления транс­ форматоров и повышает их надежность. Следовательно, транзи­ стор должен обладать большим предельным импульсным током. С другой стороны, при одном и том же максимально возможном

коллекторном токе транзистора в феррит-транзисторных ячейках следует использовать транзисторы с высоким максимально допу­ стимым импульсным коллекторным напряжением, что позволяет увеличивать нагрузочную способность элементов. Максимально допустимые импульсные напряжения переходов должны обеспе­ чивать работу схемы на требуемое количество элементов нагрузки.

Кроме того, параметры транзистора должны удовлетворять требуемому быстродействию схемы. Этими параметрами яв­ ляются ß, fa и импульсное входное сопротивление транзистора. Время рассасывания транзистора должно быть небольшим. Во всяком случае транзистор не должен ограничивать быстро­ действие схемы. Длительность импульсов должна определяться

восновном параметрами ферритового сердечника.

3.Величину балластного резистора рассчитываем из условия

Лс.макс

где /к.макс — максимально допустимый ток транзистора в режиме переключения;

UKm — максимальное напряжение коллектор—эмиттер.

4. Определяем величину Нт, необходимую для перемагничи-

вания за требуемое время тПор, по кривой —-—=f(H). Время пе-

Т’пеР

ремагничивания обычно выбирают из условия тПер<0,4^,.

5. Количество вольт «а один виток при перемагничивании сер­ дечника рассчитывают по формуле

U= 6,95 Вг-+~Вт- ІО-2,

тпер

где 5 — сечение сердечника.

6. Число витков базовой обмотки рассчитываем из соотно­

шения w6= ^ ~ ; и б=Еб+ (гВх+ Яэ&)Іб.п,

где Гвх — входное сопротивление транзистора.

Для транзистора П15, наиболее часто используемого в ФТЯ, оно составляет 60—200 Ом, а величину R3 обычно выбирают

впределах 10—20 Ом.

7.Определяем число витков коллекторной обмотки. Значение wKдолжно удовлетворять двум требованиям: обеспечению поло­

жительной обратной связи для возбуждения блокинг-процесса и обеспечению требуемой формы выходного импульса. Первое требование обеспечивается при неравенстве

1

аТф.мии обычно составляет 0,05—0,15 мкс.

Сувеличением числа витков шк фронт импульса сокращается, однако при больших значениях wK становится значительной ве­ личина индуктивного сопротивления обмотки и падение напря­ жения на ией увеличивается, вследствие чего искажается форма импульса (см. рис. 15.10).

8.Определяем число витков обмотки считывания шсч. Для выбора йу0ч используют соотношение: ге»сч(1,2-^1,6)іик, обеспечи­ вающее оптимальный режим работы ячейки в считывающей цепи.

9.Рассчитываем число витков обмотки записи

w3 Ит-1

1.26Гк.н '

10. Определяем нагрузочную способность ФТЯ. Увеличение числа элементов нагрузки приводит к возрастанию ее индуктив­ ного сопротивления и, следовательно, к снижению выходного тока. Таким образом, при максимальном числе элементов на­ грузки ток коллектора должен обеспечивать полное перемагничивание этих элементов за время тПерЕсли ячейка выполняет за­ пись в элементах нагрузки, то максимальное количество элемен­ тов нагрузки определяется из следующего соотношения:

д - [£ — Д (#н + ^к,и + R*))ffml

3 1,26/кда32

Максимальное количество элементов, с которых можно счи­ тывать феррит-транзисторную ячейку, рассчитывают по следую­ щей формуле:

большие токи, которые следует учитывать при расчете средней

199

мощности. Мощность, рассеиваемую в транзисторе, можно рас­ считать из соотношения

Величина этой мощности должна быть ниже предельно допу­ стимой для выбранного типа транзистора при максимальной рабочей температуре.

4) амплитуда тока сдвигающего импульса /,„. Рассчитываем схему с шунтирующим диодом (см. рис. 15.5).

П о р я д о к р а с ч е т а

1. Максимальную напряженность поля Нт, необходимую для перемагничивания сердечника за требуемое время т Пер, опреде­

^1,26 (Br + Bm) S - 10~8 ^

НтСпер^

4.Определяем число витков обмотки записи w3

4 т3Іщу= тсчІ. Обычно ауВых= (24-3) ад3.

5- Рассчитываем резистор R

R= ВУцых^^э ^?пр-

200

Р аздел четвертый

КОНСТРУИРОВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ АППАРАТУРЫ

НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ

Г л а в а X V I

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

§ 16.1. ВЫБОР ТИПА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО

ПРИБОРА

Выбор типа полупроводникового прибора для работы в радио­ электронной схеме определяется теми требованиями, которые предъявляют к нему как к конкретному функциональному эле­ менту данной схемы, предназначенному для эксплуатации в опре­ деленных условиях. Эти требования, как правило формируют при расчете схемы и уточняют при экспериментальной проверке. После выяснения необходимых параметров полупроводниковых приборов и их значений с помощью каталогов и справочников может быть выбран тип и группа прибора, свойства которого наиболее полно удовлетворяют поставленным условиям. При этом практически всегда рабочий режим полупроводникового прибора в схеме отличается от того режима, для которого ука: заны классификационные параметры. Как известно, значения параметров существенно зависят от режима их измерения. На­ пример, величина времени восстановления обратного сопротивле­ ния импульсных диодов зависит от величины прямого тока, на­ пряжения переключения, сопротивления нагрузки, такие пара­ метры смесительных СВЧ диодов как потери преобразования и коэффициент шума зависят от уровня подводимой мощности. ТКН стабилитронов зависит от величины тока стабилизации и т. д. Кроме того, часто возникает необходимость применения полупроводниковых приборов для выполнения функций, в знаг

импульсов. Технические условия, естественно, не могут предо­ ставить всю необходимую информацию о параметрах приборов при всем многообразии режимов их использования. ■ : г

261