книги из ГПНТБ / Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства учебник

в течение которого на выходной обмотке действует импульс за­ писи 1— импульс напряжения ul (t).

В момент /3 снимается перемагнпчнвающий импульс и рабочая точка из кривой B = f(H) перемещается за время ti,— 13 в точку '+5г, за это время на выходной обмотке создается импульс по­ мехи «пь Если теперь вновь подать намагничивающий импульс (рис. 2.64, импульс 2) той же полярности, что и предыдущий, та на обмотке w получатся лишь два импульса напряжения помехи. Импульсы помехи оказывают вредное влияние на работу магнит­ ных логических схем, и поэтому применяют специальные меры борьбы с ними (см. ниже). При подаче импульса 3 обратной по­ лярности сердечник переключается из положения 1 в положение 0; при этом на обмотке w появляется импульс «2(0 считывания / длительностью /П2-

Определим уровни импульсов напряжения и длительность пе­ реключения. Для простоты расчета будем аппроксимировать кри­

Заметим, что если ^ni < O2, то U, > U2, так как площадь, огра­ ниченная кривой «(0> при перемагничивании данного сердечника из одного состояния в другое постоянна:

Для переключения по предельной петле необходимо, чтобы амплитуда Нт входного импульса была больше некоторого уровня, а его длительность — значительной: в противном случае пере­ ключение пойдет по частному циклу.

Длительность переключения tn для данного сердечника зави­ сит от амплитуды переключающего поля Нт. Эта зависимость вы­ ражается приближенно формулой

где Sw— так называемый коэффициент переключения, величина которого зависит от материала сердечника; # 0 — пороговое поле (так называемое поле старта), примерно равное минимальному значению напряженности поля в сердечнике, которое еще вызы­ вает его перемагничивание по предельной петле гистерезиса.

Если снять экспериментально зависимость 1 !tn = f{Hm) и ап­ проксимировать ее прямой, то наклон этой прямой определит ве­

•190

чающего поля. Как видно из рис. 2.65, в слабых полях Н01 меньше, а Su,i больше, чем соответственно Н0 2 и SW 2 в сильных переклю­ чающих полях. Например, для сердечника типа 0,7ВТ при работе в диапазоне сильных полей:

= 0,5 • 10“6Э.с = 4 • 10"5Кл/м;

Я02 = 1,63 Э = 130 А/м,

а в области слабых полей:

■Staj = 0,8 ■ІО"6 Э. с =

-5

=6,4 • 10"° Кл/м;

#01 = 0,88 Э = 70 А/м.

Для современных ферритов при Нт ~ 5# 0:

= (0,5 ч- 2) мкс,

SK,, = (0,3 ч- 0,5) мкКл/см,

~(1,5-г- 6), причем это отношение меньше при больших Нс. Заметим, что ф-ла (2.196), устанавливающая связь между дли­

тельностью переключения сердечника ta и амплитудой намагничи­ вающего поля #,„, справедлива в том случае, если намагничиваю­ щий ток [и соответственно #(t)] является прямоугольным импуль­ сом. В более общем случае следует воспользоваться основным уравнением, описывающим динамику перемагничивания:

191

Интеграл в правой части ф-лы (2.198) является коэффициентом переключения при произвольном поле # (/):

(I0 = H0 l/w — ток, соответствующий полю старта Н0), т. е. коэф­ фициент S w пропорционален тому избыточному заряду

который вызывает перемагничивание сердечника.

Наоборот, заряд, переключающий сердечник, пропорционален

в нее подставить среднее значение Н за время переключения сер­ дечника.

Если входной переключающий импульс тока (или напряжен­ ности поля) имеет конечную длительность фронта іф, то длитель­ ность перемагничивания не больше At = /ф -f- tn.

При перемагничивавши сердечника в его магнитопроводе имеет место рассеивание энергии, обусловленное вихревыми токами и явлением гистерезиса; это приводит к повышению температуры сердечника. При большой скорости и высокойчастоте перемагни­ чивания рассеиваемая мощность и разогрев сердечника оказы­ ваются значительными, в результате чего существенно изменяются его магнитные свойства. Разогрев сердечника, а следовательно, и допустимое значение рассеиваемой мощности определяются не только условиями перемагничивания, но и условиями охлаждения.

При расчете переключающих устройств на магнитных сердеч­ никах следует брать параметры последних, соответствующие мак­ симальной рабочей температуре.

Э к в и в а л е н т н а я с х е м а с е р д е ч н и к а с П П Г п р и пе ­ р е м а г н и ч и в а н и и его и м п у л ь с о м п о с т о я н н о г о тока . В соответствии с основным уравнением динамики перемагничи­ вания (2.197) величину г(В) можно трактовать как удельное ди­ намическое сопротивление сердечника в процессе переключения.

192

Действительно, dB/dt пропорционально напряжению на обмотке сердечника, (Н — Н0) пропорционально перемагничивающему току, а г(В) является отношением этих двух величин.

Если, как отмечалось выше, аппроксимировать В(1) в процессе перемагничивания отрезками прямой, то dB/dt будет постоянной,

С учетом ф-лы (2.199) перепишем последнее равенство следую­ щим образом: Bs -\- Вг fa rcpS w, откуда

Таким образом, среднее удельное сопротивление можно найти по известным параметрам материала сердечника. Величина гср определяет усредненное значение dB/dt (при данном Н)\

Теперь установим связь между амплитудой перемагничивающего импульса тока / и средним значением напряжения на обмотке сердечника в процессе переключения:

Таким образом, в процессе перемагничивания импульсом тока сердечник можно представить эквивалентной схемой, содержащей

наряду с генератором тока /о лишь сопротивление Rw (рис. 2.66а). Эквивалентное сопротивление Rw, отнесенное к одному витку (до = = 1), называется характеристическим:

Величина /?ф определяется только параметрами материала и геометрией сердечника и поэтому может быть заранее установлена для различных партий сердечников; величина же Rw определяется по формуле

Магнитный сердечник может быть нагружен несколькими при­ емниками; предположим, что последние представляются активными сопротивлениями R ь R2 ....... Rm■ Найдем входное сопротивление

RBX подобного сердечника с одной входной (Доі) и одной выходной (до2) обмотками (рис. 2.666):

где /1 — амплитуда (или среднее значение) импульсов тока во входной обмотке, Uі — среднее значение импульса напряжения на этой же обмотке. Согласно (2.206)

194

2.8.3.МАГНИТНАЯ ДВОИЧНАЯ ЯЧЕЙКА

Включевых схемах на сердечнике с ППГ в качестве основного элемента используют магнитную двоичную ячейку (МДЯ).

На рис. 2.68 приведены схема МДЯ и ее условное изображение. Точками отмечается начало обмоток; если обмотка включена так, что ток протекает от ее начала к концу (например, Ші), то обус­ ловленный этим током магнитный поток стремится переключить сердечник из состояния 0 в состояние I.

Обмотка W[ — входная, управляющая; на нее подается импульс записи 1 , т. е. импульс, стремящийся установить сердечник в по­ ложение 1. Обмотка сіут — считывающая; на нее подаются импуль­ сы считывания, т. е. импульсы, стремящиеся установить сердеч­ ник в положение 0 (эти импульсы обычно создаются генератором тактовых синхронизирующих импульсов — ТИ). Обмотка w%— вы­ ходная; с нее снимается выходной сигнал, появляющийся при воз­ действии импульса считывания (т. е. ТИ) на обмотку дот.

Показанные на условном изображении сердечника (рис. 2.686) 1 и 0 указывают на те состояния сердечника, которые стремятся

Выход

Рис. 2.68

установить входной (управляющий, записывающий) и тактовый (считывающий) импульсы соответственно; символ 0 у условного изображения выходной обмотки указывает на то, что сигнал 1 на выходе появится в том случае, когда сердечник переключится в положение 0; на схемах этот символ часто опускается.

Если сердечник находится в состоянии 1, то ТИ изменяет индукцию в сердечнике на величину В,. + В„, и в выходной обмотке индуктируется импульс, изображающий /; если же сердечник на­ ходится в coctonHHH 0, то с приходом ТИ ввиду прямоугольное™ петли гистерезиса в выходной обмотке создается лишь небольшой импульс помехи. Выходные импульсы одного сердечника использу­ ются для управления другими.

Цепь связи между МДЯ должна обеспечить селективную пере­ дачу информации от одной МДЯ к другой только в нужном напра-

196

влении и устранить действие помех. Кроме того, необходимо раз­ деление во времени входных (для записи) и тактовых (для считы­ вания) импульсов.

Для уяснения проблем, возникающих при соединении МДЯ, рассмотрим последовательное соединение трех МДЯ (рис. 2.69). На рис. 2.69а представлен случай установки сердечника С„ в со­ стояние 1 при передаче информации к нему от сердечника Сп- 1. Ток, протекающий в цепи связи между сердечниками Сп-і и С„ показан стрелкой. На рисунке отмечены также полярности напря­ жений (символы «+ » II «—») и токи (пунктирные стрелки), возни­ кающие в считывающей и выходной обмотках. Очевидно, что эти токи являются паразитными, так как, во-первых, они уменьшают

магнитный поток, создаваемый входным током, и, во-вторых, ока­ зывают влияние на магнитное состояние соседних сердечников. На­ пример, паразитный ток в цепи между сердечниками Сп и Сп+І стремится перемагнитить последний в состояние 0.

На рис. 2.696 изображен случай установки сердечника Сп в со­ стояние 0 при передаче информации от него в сердечник Сп+І. Сер­ дечник Сп перемагничивается током, протекающим по считываю­ щей обмотке. Ток в цепи связи между Сп и Сп + 1 является полез­ ным и обеспечивает передачу информации в сердечник Сп+1, в то время как ток в цепи связи между С„_і и С„ — паразитный и стре­ мится перемагнитить сердечник Сп~і в состояние 1.

При соединении МДЯ, как уже отмечалось, необходимо обес­ печить разделение во времени входного и тактового импульсов, так как в противном случае воздействие входного импульса будет компенсироваться действием тактового ті сердечник не перемагни­ тится. Если сердечник Сп находится в состоянии 0, то при дей­ ствии тактового импульса в выходной обмотке возникает напря­ жение помехи, создающее ток помехи того же направления, что м ток полезного сигнала, но меньшей амплитуды. При однократном

197

воздействии импульса помехи сердечник С„+і обычно не пере­ магничивается; однако многократное воздействие помех может постепенно изменить его состояние. Борьба с помехами приобре­ тает особое значение при проектировании схем, предназначенных для работы в широком диапазоне температур окружающей среды. При высоких температурах, с одной стороны, уменьшается коэф­ фициент прямоугольности петли гистерезиса, в результате чего воз­ растает амплитуда импульса помехи, а с другой стороны, умень­ шается величина Я0, что приводит к уменьшению порогового зна­ чения тока, обеспечивающего перемагничивание сердечника.

Указанные проблемы решаются путем включении между МДЯ специальной цепи связи. В зависимости от типа этой цепи раз­ личают феррит-диодные (или ферродиодные), феррит-транзистор- ные (или ферротранзисторные) и полностью ферромагнитные схемы.

2.8.4. ФЕРРИТ-ДИОДНЫЕ СХЕМЫ

Простейшая схема изображена на рис. 2.70а. Соединение двух соседних сердечников здесь отличается от соединения, изображен­ ного на рис. 2.69, наличием диода. При этом частично решаются задачи, указанные выше. Действительно, при перемагничиваиии сердечника С„ в состояние 1 в его выходной обмотке создается на­ пряжение такой полярности, что диод Д п оказывается в запертом состоянии и ток в выходной обмотке отсутствует.

При перемагничиваиии сердечника С„ в состояние 0 импульсом тока ТИ в его входной и выходной обмотках создаются напряжения

такой полярности, что диоды Д п и Д п-\ оказываются открытыми. Таким образом, обеспечивается перезапись информации в сердеч­ ник С„ (полезная информация), но вместе с тем существует и по­

ток обратной, паразитной информации к сердечнику С„_і. Однакопри проектировании схемы число витков выходной и входной обмоток сердечника рассчитывают так, чтобы амплитуда тока об­ ратной информации была достаточно малой и не перемагничивала-

сердечник С^_і. Нелинейная характеристика диода также облег­ чает борьбу с помехами. При прохождении сигнала сопротивле­ ние диода мало, а при прохождении помехи — велико. В этом смы­ сле целесообразно использовать кремниевые диоды, у которых* как известно, характеристика смещена вправо на 0,5 -f- 1 В.

Задача временного разделения записи и считывания информа­

ции решается при помощи дополнительного сердечника С„. Для работы схем, аналогичных изображенной на рис. 2.70а, необходимы две серии тактовых импульсов (ТИі и ТИ2), сдвинутых друг относи­ тельно друга на время, большее времени перемагничивания сер­ дечника (рис. 2.706). Отсюда подобные схемы получили свое на­ звание — двухтактные.

198

Под действием импульса ТИ информация с сердечника Сп пе­

реписывается вначале в сердечник С„, а затем под действием им­ пульса ТИ2 — в сердечник Сп+1- Следовательно, цепь связи между сердечниками Сп и С„+і содержит вспомогательный сердечник

Сп и два диода — Д п и Д'п. Такие схемы для хранения одной единицы информации требуют двух сердечников.

Существует большое число разновидностей двухтактных ферритдиодных схем, отличающихся друг от друга в основном способами

о)

устранения потока обратной информации. На рис. 2.70s изобра­ жена схема, в которой передача обратной информации устраняется диодом Д т- Сопротивление резистора R выбирается таким, чтобы, с одной стороны, обеспечить уменьшение тока обратной инфор­ мации, а с другой — не сильно уменьшать ток полезной инфор­ мации. В схеме, изображенной на рис. 2.70г, поток обратной ин­ формации устраняется при помощи ключей Кл\ и Кл2. Ключ Клі замыкается при прохождении импульса ТИі, а ключ Кл2 — при про­ хождении импульса ТИ2. В остальное время ключи разомкнуты.

199