Файл: Воскресенский В.В. Применение туннельных диодов в импульсной технике.pdf

риантов триггеров на ТД, отличающихся между

собой количеством

используемых диодов (один или д в а ) , способом

запуска,

способом

съема выходных импульсов, их полярностью и т. д.

Простейшая схема триггера, нагруженного на активное сопро­

тивление гТ 1 и емкость связи С», приведена на

рис. 3.1а. В

статичес­

ком состоянии нагрузочная прямая (сплошная

линия рис. 3.16)

пе­

ресекает вольтамперную характеристику Т Д

в

точках

А, В и

С.

Точки А

и В являются устойчивыми, а точка С —

неустойчивой [16].

З а п и ш е м

уравнение нагрузочной прямой:

iA=(E~uA)/R.

(3.1)

Чтобы нагрузочная п р я м а я пересекала вольтамперную характе ­

ристику

Т Д

в трех точках,

необходимо выполнение условий: Е<С

<C>Ui + hR

и E>Uz+hR-

Р е ш а я их относительно

сопротивления R,

чивого состояния триггера:

(E-U2)II2>R>(E-U1)II1.

(3.2)

Д л я

переключения

такого

триггера

необходимо подавать

им­

пульсы

чередующейся

полярности,

которые будут переводить Т Д

из

одного

устойчивого состояния

в

другое. Конденсатор Су в цепи

запуска

обычно выбирают такой

емкости, что за время действия

запускающего импульса напряжение u0i

на нем не изменилось,

а в

ся на Т Д напряжения . Конденсатор С 2 совместно

с г„ может

обра­

зовать как переходную цепь, передающую импульсы триггера

без

искажений, и тогда напряжение на нем все время

остается практи­

чески неизменным:

uo2^0,b(UB-UA),

(3.3)

так и дифференцирующую, тогда напряжение на

нем

ведет

себя

так ж е , как и на конденсаторе Си

Сопротивление/?* на рис. 3.1s

включает, кроме

ограничительного

сопротивления

/?ь

т а к ж е

и выходное сопротивление

г,-

генератора

запускающих

импульсов:

/?< =

/?! +

П.

(3.4)

Эквивалентная

схема

рис. 3.1 в описывается

уравнением

; _

ERir»

+ "oiflr,,

+ uoiRRj

± URrl{ - ц д (RrH

+

R{rn

+

RRj)

RRir»

(3.5)

где ±U о т р а ж а е т

амплитуду и полярность запускающего

импульса.

Уравнение (3.5) является уравнением динамической нагрузочной

прямой. Н а к л о н этой прямой определяется эквивалентным

сопро­

тивлением

/?экв

=

RtRrJ(RrH

л- RjTн +

RiR).

(3.6)

Рассмотрим процессы, происходящие в триггере, п о л а г а я

внача­

тится в точку А',

л е ж а щ у ю на динамической

нагрузочной

прямой

[см. ур-ние (3.5)].

Р а з н и ц а м е ж д у

ординатами

нагрузочной

прямой

и

вольтамперной

характеристики

диода определяет

величину тока

ic

паразитной емкости С д диода .

П о мере з а р я д а

С д напряжение

динамическая нагрузочная

п р я м а я пересекает характеристику Т Д

и ток ic = 0, з а р я д емкости

С д заканчивается .

Рис. 3.2. Графики, поясняющие процессы при переключении

ТД:

а)

нз

состояния с

низким

уровнем напряжения в

состояние

с высоким уров­

нем; б)

из состояния с высоким уровнем напряжения

в состояние с низким

Чтобы получить условия, при которых обеспечивается переклю­

чение диода, необходимо в (3.5)

подставить

значения «01 =

^ 0 2 = ^ . 4 .

(рис. 3.16)

и учесть, что для переключения

Т Д

динамическая нагру­

зочная п р я м а я д о л ж н а

проходить

выше точки

верхнего

изгиба

ха­

рактеристики

Т Д

(при

uR=Ui, ij£>I\). Подставив

значения

и0ь

« 0 2 ,

/ д и « д

в

(3.5)

и решая

полученное

неравенство

относительно Ri,

на­

ходим

(U+

UA-U1)RrH

(3.7)

hRrH

— ErH

— Uд R + иг

(rH

+ R)

В

момент

окончания импульса

запуска

наклон

динамической

прямой не меняется, и так как при этом U=0,

то она скачком пе­

ремещается вниз и проходит через точки А и

В" п а р а л л е л ь н о

пря­

мой

А'В',

а

рабочая

точка переходит

в положение

В"'.

Т а к

как

ем­

кость

С д

мгновенно

разрядиться

не

может, то

по

мере

ее

р а з р я д а

рабочая

точка перемещается

по

прямой АВ

из точки

В"'

в точку

В".

Одновременно с

переключением

диода

начинается

процесс

за­

ряда

конденсаторов

Ct

и С% однако поскольку

постоянная

времени

з а р я д а этих конденсаторов много больше постоянной времени

раз ­

ряда емкости С д , можно эти процессы рассматривать

раздельно,

полагая

что вначале

рабочая

точка попадает

в В",

а затем

по мере

з а р я д а конденсаторов Ci и С 2

н а п р я ж е н и е

на

диоде вновь начинает

расти и рабочая точка сравнительно медленно перемещается

в

точ­

ку В, определяемую пересечением статической нагрузочной

прямой

АВ с диффузионной

ветвью характеристики

ТД .

Перемещение рабочей точки в В" после окончания

запускающе ­

го импульса

объясняется

тем,

что

напряжени я

u 0 i

и

за

время

/из практически не изменилось,

а на

диоде возросло

(UR=U"B)

•

По ­

этому

часть тока

источника

з а р я ж а е т конденсаторы

С4

и

С 2

и

i a

уменьшается.

Если

Ri,

мало,

то

ток

£д

может

уменьшить­

ся настолько,

что

Т Д

самостоятельно

переключится

в

исходное

состояние. Этого не произойдет,

если

Ri

выбрать

таким,

чтобы

при

U=0

динамическая

нагрузочная

п р я м а я

проходила

сыше

нижнего изгиба

характеристика

Т Д

(при

uR—iU2

i£>h).

Подставив

в

(3.5)

Ыо1 = Ио2=£/л, положив при

этом С/=0

и

« д = £ / 2 ,

in>h,

находим

Rt>

У--»*)**

.

(

3 . 8

)

Er„ +

UAR-IaRru-Us(R

+

rn)

Аналогичны процессы и при переключении

Т Д

из

состояния

с

высоким уровнем в состояние с низким уровнем напряжени я

(рис.

3.26). В этом случае условие

переключения Т Д получим

из

(3.5),

подставив

в

него

u0i

= u02^UB

при iR=U2

i£>h

и

взяв U со

зна­

ком минус,

тогда

Rt <

+

.

( 3 . 9 )

Er„ +

Uв

R -

ItRru

-

U2

(R +

ги )

Rt>

Ув-и>)*гя

'iRr» +

L'i(R +

rh)-Erlt-UBR

В

случае

р а б о т ы

цепочки

Сг, гп

как

переходной

в уста­

новившемся р е ж и м е

положения

рабочей

точки

будут

опреде­

ляться

yip-таге м (3,1),

в 'которое

вместо

R

и Е (необходимо лод -

ставлять

i? 8 K B

RrH

2ErH

+

(UB-UA)R

дл я

получения

= 5 - T - - и

£Э кв =

ктъ

ч

> а

А Т

rH

&V< I

гн)

подставлять и02

условий,

аналогичных

(3.7) — (3.10), в

ф-лу

(3.5)

из ф-лы

(3.3).

фронта i/фз

Длительность

реальных

запускающих импульсов

шает его. При этом рабочая точка

будет выходить на линию А'В'

не скачком в точку А',

а через время, равное длительности фронта,

когда напряжени е на диоде в

процессе переключения успеет суще­

ственно измениться.

На рис.

3.3

показаны траектории движени я

в состояние

с высоким уровнем н а п р я ж е н и я

и форма

фронта на­

растания напряжени я на Т Д

во времени

при

различных

соотноше­

ниях межд у

длительностью

фронта |/ф 3 и

временем / п е р

переключе-

мня

ТД . Если

/ф3

= 0, то рабочая точка перемещается

по

ломаной

линии АА'\В'.

При этом ток з а р я д а г'сзар емкости С д , определяемый

разностью ординат динамической линии нагрузки А\В'

и вольт-

амперной характеристикой диода, сразу становится

большим, за­

тем

несколько

уменьшается

при увеличении ыд .

Н а

участке

U\<UX<U'B

Э Т О Т ток снова

возрастает, а затем спадает

до нуля .

Изменение тока icaap

приводит к

пропорциональному изменению

скорости н а р а с т а н и я

н а п р я ж е н и я

на диоде (кривая

/ ) .

Если /ф3 соизмеримо с tmj>, то рабочая точка

будет

перемещаться

по линии АА'ч В'. Ток г'сэар, вначале нарастает

медленно, в резуль­

ближении к точке А'2

напряжение

на Т Д

(кривая 2)

будет менять­

ся так же, как и при /ф3 = 0.

В случае, когда t^3>tnev,

рабочая

точка вначале

перемещается

по участку характеристики

АР, затем

по линии динамической на­

грузки, касательной

к характеристике

в точке Р до точки А 'ъ, и по­

сле этого по диффузионной

ветви

характеристики

до точки В'

(кривая 3). Н а участке АР

н а п р я ж е н и е на диоде нарастает почти

так же , как и на фронте запускающего

импульса,

поскольку ток

рассмотренных случаях,

а

на участке

А'3 В'

вновь

определяется

фронтом запускающего

импульса.

И з рассмотрения кривых

1, 2 и. 3 видно,

что

большему

фронту

запускающего импульса

соответствуют

большее

время

з а д е р ж к и t3

выходного импульса по отношению к tn3> которое

можно

отсчиты­

Аналогично формируется

фронт импульса

и

при

переключении

Т Д в состояние с низким уровнем напряжения .

На практике при

запуске

триггеров на Т Д

чаще

всего

выполня­

ется соотношение / ф з ^ п е р -

В этом случае, к а к

видно

из рис.

3.3,

ток ic на участке АР

оказывается очень мал и рабочая

точка

фак ­

тически перемещается по вольтамперной характеристике

Т Д .

И з ­

менение напряжения

на этом участке невелико,

а время

прохожде ­

как

время з а д е р ж к и t3. Время

прохождения рабочей точкой

участка

РА'

в основном определяется

временем з а р я д а

паразитной

емкости

Сд, и его можно обозначить как длительность

фронта

выходного

импульса /ф. Время движения

рабочей точки

на участке

А'В'

обо­

значим через At. Н а п р я ж е н и е

на этом участке при г'фэ^^пер меня­

ется

незначительно, а само время At определяется, как

и 4,

в ос­

мя переключения Т Д

£ ц е р = 4 - И ф + Д£

-1

Д л я уменьшения

времени 4

и At

необходимо

выбирать

стати­

ческий режим триггера таким, чтобы точки А и

В л е ж а л и

вблизи

максимума и минимума характеристики Т Д . П р и ^ф3 <^лер

At=0.

Приведенные рассуждения

справедливы д л я

случая,

когда на­

п р я ж е н и е на конденсаторах C t

и

С 2

во время действия

запускаю ­

между ними принимает значения UA

или UB- П р и этом быстродей­

ствие триггера оказывается сравнительно низким,

так

к а к опреде­

ляется временем з а р я д а или р а з р я д а конденсатора

Ci.

Уменьшение

постоянной времени цепи изменяет

напряжение на

С 4

и С 2 во вре­

ров и увеличить быстродействие.

Д л я определения /П ер воспользуемся простой линейной

аппрок­

симацией характеристик Т Д , полагая д л я простоты г н = 0 0

и Uo2=0.

ектория

движения рабочей точки

во время переключения

Т Д

из со­

стояния

с низким

в состояние с

высоким уровнем н а п р я ж е н и я

{участок АСД) и

при обратном

переключении (участок

BEF)

для