устройства функциональной электроники-1

2.МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАГНИТНЫЕ РАДИОКОМПАНЕНТЫ НА РАЗВЕТВЛЕННЫХ

СЕРДЕЧНИКАХ

2.1. Виды магнитоуправляемых цепей

Многофункциональность связана с тем, что радиокомпоненты (РК) выполняют сразу несколько функций. Это возможно благодаря использованию различных физических явлений. Поскольку в обычных

трансформаторах коэффициент трансформации n = N2 , то изменением числа

N1

витков N2 или N1 его менять практически невозможно. Поэтому

используется управление не коэффициентом трансформации, а коэффициентом передачи по напряжению за счет перераспределения магнитных потоков между участками рабочей магнитной цепи. Основные модификации управляемых магнитных цепей показаны на рис. 2.1. Здесь RМУ- управляемое магнитное сопротивление, например, постоянным подмагничиванием этого участка. В балансной схеме выходные обмотки включены встречно, поэтому при U1¹ 0 U2= 0. Когда R`МУ максимально, а R``МУ минимально, наступает рассиметрирование схемы и появляется U2. В мостовой схеме, когда четыре заштрихованных участка имеют одинаковое магнитное сопротивление при U1¹ 0 U2= 0. Если изменения RМУ неодинаковы, U2¹ 0. В схеме оригинальным расположением обмотки при U1¹ 0, U2= 0, т.е.

магнитные потоки ортогональны и не взаимодействуют, U2¹ 0, если меняется магнитное сопротивление, смежного с отверстиями.

Все эти системы могут быть положены в основу трансформатровмодуляторов, параметрических модуляторов (паратрансов), трансформа- торов-триггеров, трансформаторов-сумматоров, трансформаторов-умножи- телей или делителей напряжения, частоты, трансформаторов-фильтров и других устройств.

2.2. Трансформатор-модулятор амплитуды колебания типа «Бинокль»

Конструкция трансформатора-модулятора приведена на рис. 2.2. Здесь W и w - частота модулирующего сигнала и несущей. Процесс в сердечнике поясняется рис. 2.3. Здесь m`2|0| и m``2|0| - исходные магнитные проницаемости, достигаемые с помощью постоянных напряжений Е`= и E``= в обмотках N`2Ω и N``2Ω, Е`= и E``= различны по величине. Выходные половины обмоток включены встречно. Поскольку поля модулирующих обмоток N`2Ω и N``2Ω ортогональны полю обмотки N1, то это обеспечивает хорошую электрическую развязку низкочастотных и высокочастотных цепей. Модулирующий сигнал с

частотой W подается на обмотки N`2Ω и N``2Ω в противофазе. Величины Е`= и E``= выбираются такими, чтобы обеспечивался заданный коэффициент

51

Ф0

Ф2

U1

Ф1

д)

Cхема с ортогональным расположением входной и выходной обмоток

Рис.2.1

52

модуляции. Выходное напряжения в обмотках N`2 и N``2 определяется разностью потоков в обмотках N`2 и N``2.

Марка феррита выбирается с учетом работоспособности на частоте ω. Например, 200НН2 работает на частотах f до 2 МГц (ω=2πf).

2.3. Параметрический трансформатор

Конструкция паратранса приведена на рис. 2.4. Паратранс является низкочастотным индуктивным параметрическим генератором. Его можно

53

в)

Рис.2.5

построить по любой из схем: балансной, мостовой, с взаимно ортогонально расположенными обмотками (рис. 2.4.). В представленном варианте имеется входная обмотка N1 и выходная N2. К выходной обмотке подключается конденсатор C, образующий с индуктивностью L2 колебательный контур. При

подаче на вход напряжения U1 с частотой ω напряжение на выходе должно быть равно 0, т.к. поток Ф1 и Ф2 ортогональны. Но Ф1 меняет индуктивность

L2 во времени, причем L2 меняется с частотой 2ω. При этом в паратрансе возникают колебания с частотой ω 0 = aω , где a = 1,2,3… . Выходной контур

конденсатором С настраивается на частоту ω 0 . Изменение L2 во времени равносильно поставке в контур энергии, необходимой для нейтрализации

паратрансов показаны на рис. 2.5.

54

3.ЭЛЕМЕНТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ (ЗУ)

Cуществуют два класса запоминающих устройств: оперативные и постоянные. Оперативные ЗУ, это когда запись и считывание информации производится за одинаковое время. Постоянные ЗУ, это когда запись информации производится при их изготовлении или когда длительность записи на несколько порядков выше длительности считывания. По способу хранения информации ЗУ делятся на статистические и динамические. Статистические ЗУ строятся на бистабильных триггерных ячейках. Динамические ЗУ строятся с использованием заряда паразитных емкостей или конденсаторов, требуют периодического восстановления информации в процессе хранения. По технологии изготовления ЗУ делятся на биполярные, МДП.

Наиболее широко распространен элемент на схеме триггера с раздельными входами (R-S-триггер). Его схема показана на рис. 3.1. Предположим, что исходное состояние триггера таково, что на его выходе Q имеется низкий уровень напряжения Uовых (транзистор VT3 открыт), что соответствует «0». При подаче на вход 1 импульса напряжения Uвых ≥Uпор транзистор VT1 открывается, напряжения на коллекторе транзисторе VT2 уменьшается и, приложенное к базе транзистора VT3, закрывает его. Величина выходного напряжения изменяется от низкого уровня Uовых до высокого уровня U1вых, соответствующего «1». Это напряжение прикладывается к базе транзистора VT2 и открывает его. Напряжение на коллекторе VT2 независимо от действия входного сигнала поддерживается на низком уровне, удерживая закрытым транзистор VT3, такое переключение соответствует записи «1» в запоминающий элемент.

Если подать импульс положительного напряжения на вход 2, то произойдут аналогичные процессы, что соответствует записи «0».

Считывание информации осуществляется непосредственным подключением нагрузки к выходным схемам.

Различными схемотехническими приемами стремятся уменьшить величину мощности хранения Pxp и времени переключения tпер. (используют многоэмиттерные транзисторы, комплементарные транзисторы, МДПтранзисторы).

Схема однотранзисторного элемента динамического ЗУ приведена на рис. 3.2. В режим хранения информации МДП-транзистор закрыт. При подаче напряжения в адресную шину транзистор открывается и запоминающий элемент подготовлен для записи или считывания информации. Запись «1» осуществляется зарядом, а «0» - разрядом запоминающего конденсатора С3 при подаче в разрядную шину соответственно высокого или низкого потенциала. Состояние элемента при считывании информации определяется по наличию или отсутствию тока считывания в разрядной шине.

55

Рис.3.1

Постоянные ЗУ – это ПЗУ и программируемые логические матрицы. Они бывают со стиранием информации ультразвуковым облучением и электрическим напряжением. Репрограммируемые элементы памяти строятся на ЛИПЗ МДП-транзисторах (с лавинной инжекцией и плавающим затвором). Репрограммирование осуществляется электрическим напряжением. Однократно программируемые ПЗУ содержат плавкие перемычки из нихрома, Ti-W, симицида платина, поликремния, алюминия. Требуемая информация записывается однократно путем разрушения плавких перемычек или восстановлением связи пробоем одного или двух обратно включенных диодов. Проплавление перемычек осуществляется на специальном оборудовании подачей электрического сигнала на соответствующего выводы.

Стираемые ультразвуковым облучением ПЗУ строятся на МДПтранзисторах, отличающихся от обычных тем, что между затвором и подложкой помещают еще один затвор (плавающий), полностью изолированный со всех сторон пленкой SiO2. Если при хранении информации к затворам таких транзисторов приложить +25 В на несколько миллисекунд,

56

то под воздействием этого напряжения электроны перемещаются в сторону основного затвора, оседая на плавающем затворе. При считывании к основному затвору прикладывается положительное напряжение 5 В. Если на плавающем затворе нет электронов, то исток-сток транзистора проводит ток, что соответствует «1». Если на плавающем затворе имеются электроны, то они своим зарядом экранируют основной затвор и исток-сток транзистора не проводит ток, что соответствует «0». Стирается информация ультразвуковым облучением в течение нескольких десятков минут во всех элементах сразу. Электроны, находящийся на плавающих затворах, получают дополнительную энергию от излучения и стекают на подложку.

Электрически программируемые ПЗУ строятся на МДП-транзисторах, у которых между затвором и полупроводником располагается двухслойный диэлектрик – нитрид кремния и двуокись кремния. Принцип записи информации основан на том, что при подаче на затвор МНОП-транзистора +30 В на границе двуокись кремния формируется заряд, снижающий пороговое напряжение включения транзистора. При подаче обратного напряжения (-30 В) происходит обратный процесс и восстанавливается высокое пороговое напряжение транзистора. Одно из состояний – «1», другое

– «0». В режиме считывания информации на затвор транзистора подается напряжение, большее порогового напряжения включения транзистора с низким порогом, но меньше порогового напряжения транзистора с высоким порогом. В репрограммируемых ПЗУ этого типа информация стирается одновременно во всех элементах.

57

4. КРИОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА

4.1. Сверхпроводниковые материалы и их свойства

Криоэлектроника использует эффект скачкообразного уменьшения сопротивления ряда материалов и сплавов при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю. Это явление называется сверхпроводимостью. Зависимость сопротивления от температуры имеет скачок сопротивления при Т=Ткр.(рис. 4.1.) Для получения явления сверхпроводимости необходимо охладить образец до Тохл, причем Тохл<Ткр. Перепад сопротивления достигает 1012. Для металлов, не обладающих сверхпроводимостью (Cu, Ag, Au…) перепад сопротивления достигает только 102-103. Эти материалы называются криопроводниками.

Известно 24 элемента, являющихся сверхпроводниками, и большое количество соединений и сплавов: технеций (Ткр=8,22k), Nb(9,22k), P(7,22k), Bi(6k), V(5,1k), Ta(4,4k), La(4,8k), Hg(4,15k), Sn(3,73k), In(3,37k), Tl(2,28k), To(1,39k), Al(1,2k), Ga(1,1k), Re(1,0k), Zn(0,91k), U(0,8k), Oc(0,71k), Zr(0,7k), Cd(0,56k), Ru(0,47k), Ti(0,4k), Hf(0,38k), Fe(4,2k), Nb-Zr(9k), Nb-Ti(8-10k), Nb3Sn(18k), Nb3Al1-xGex(20k), Nb3Ga(20k), Nb3Ge(23,2k), V3Ga(14,5k), V3Si(17k), NbxMo6S8(10-14k), LiTi2O4(10k), BaPbO3(10k), La2-xSrxCuO4(40k), керамика Yba2Cu3O9-y(102k).

Имеются сообщения о резких перепадах сопротивления у керамики при (230-250)К и даже при комнатной температуре, но эти перепады нестабильны.

Охлаждение материалов осуществляется с помощью жидкого гелия (до 2,5К), жидкого водорода (до 21К), жидкого неона (до 28К), жидкого азота (до 78К), жидкого кислорода (до 90К).

В сверхпроводниках наблюдается явление выталкивания магнитного поля, скачок удельной теплоемкости, изменение объема и полное отсутствие поглощения ультразвука.

Свойства сверхпроводников меняются под влиянием магнитного поля, механических напряжений, частоты приложенного поля, напряженности электрического поля.

Переход из нормального состояния в сверхпроводящее происходит без изменения кристаллической решетки. Наиболее сильно на сверхпроводники влияет магнитное поле.

При увеличении напряженности магнитного поля до достаточной величины сверхпроводимость нарушается. Чем ближе при этом температура к Ткр, тем при меньших напряженностях магнитного поля происходит разрушение сверхпроводимости. С другой стороны, за счет снижения температуры можно компенсировать разрушающее действие магнитного поля. Типовая зависимость напряженностей магнитного поля, при которых нарушается состояние сверхпроводимости, показана на рис. 4.2. Эта кривая приближенно аппроксимируется уравнением:

58

где Н0 – критическая напряженность поля при абсолютном нуле. Эти же кривые для некоторых материалов показаны на рис. 4.3.

Состояние сверхпроводимости может быть разрушено при пропускании через сверхпроводник тока определенной величины, когда на поверхности провода напряженность магнитного поля, обусловленное током,

становится равной Нкр. Для провода круглого сечения ток : Ikp = kdHkp , где d

– диаметр провода, к – коэффициент.

Если из сверхпроводящего провода создать кольцо, то ток, введенный в это кольцо, будет циркулировать в нем бесконечно, т.к. R → 0 .

Ток в сверхпроводнике течет по его поверхности. Глубина проникновения тока для Sn при T ≈ 0 равна 5*10-6 см. Глубина проникновения тока меняется с изменением температуры и внешнего магнитного поля.

4.2. Криотрон и устройства на его основе.

Конструкция криотрона показана на рис. 4.4. Криотрон состоит из отрезка провода – вентиля, изготовленного из сверхпроводника с низким значением Нкр, окруженного обмоткой управления из сверхпроводника с высоким значением Нкр. При подаче в обмотку управления тока достаточной величины на поверхности вентиля появляется магнитное поле с напряженностью Н > Нкр, вентиль переходит из сверхпроводящего состояния в обычное. Таким образом, током в обмотке управления можно управлять сопротивлением вентиля. Это аналог реле с нормально замкнутыми контактами.

Конструкция пленочных криотронов приведена на рис. 4.5. Это поперечный криотрон. В продольном криотроне обмотка управления расположена вдоль вентиля. Используется также экранирующая свинцовая пленка, расположенная на подложке и покрытая пленкой диэлектрика.

Элемент памяти на криотронах приведен на рис. 4.6. Здесь используется принцип перераспределение токов. В исходном состоянии все вентили 1, 2 и управляющие обмотки находятся в сверхпроводящем состоянии. Так как индуктивность обмотки управления Ly больше индуктивности вентиля LB, то ток I2 течет через вентиль 1. При подаче тока I1 вентиль 1 переходит в обычное состояние (с большим сопротивлением) и ток I2 потечет по направлению I3, переводя вентиль 2 в обычное состояние. Если выключить ток I1, то вентиль 1 вернется в сверхпроводящее состояние. Но ток I3 не уменьшится. Это объясняется тем, что токи стремятся сохранить постоянным магнитный поток через замкнутый контур. Таким образом, мы имеем элементарную ячейку памяти, о состоянии которой можно судить по величине сопротивления вентиля 2. При выключении тока I2 энергия, запасенная током, протекающим по управляющей цепи криотрона 2, заставит

59

изменить направление тока через вентиль 1 на противоположное. В связи с тем, что вентиль 1 находится в сверхпроводящем состоянии, этот ток будет течь бесконечно. В результате в замкнутом контуре будет протекать незатухающий ток, который можно прекратить, подав ток I1 без подачи тока I2. Это приведет к появлению в контуре сопротивления, позволяющее току затухнуть.

Ячейка из двух криотронов позволяет строить регистры сдвига, логические схемы, триггеры, дешифраторы, сумматоры, счетчики импульсов, матрицы запоминающих устройств.

4.3. Эффекты Джозефсона

60