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

•

5.1. П Р О С Т Е Р ! Ш И П Д Е Л И Т Е Л Ь

Ч А С Т О Т Ы

В настоящее время

'применяются

делителя частоты

следования импульсов, в .которых

Т Д соединены

'последовательно

дов, включенных

в .последовательную

т е н ь . Такие

делители

удобно

использовать в качестве десятичных

счетчиков,

а

т а к ж е

для

деле ­

ния на числа, не кратные 2",

когда

схемы делителей

на

основе

триггерных схем

существенно

усложняются .

Рассмотрим

рис. 5.1а iB исходном

состоянии

все Т Д

находятся

а) принципиальная

схема; б) временные диаграммы; в) эквивалент­

ная схема делителя

для процесса переключения

включенном

в цепь базы транзистора мало и транзистор закрыт,

поэтому весь

ток источника Е протекает через R и диоды. П р и

пульса ток диодов

возрастает

и достигает

значения -Л, при котором

Т Д переключается.

Несмотря

на то, что

Т Д в ы б и р а ю т идентичны­

Таким

образом, каждый запускающий импульс переключает

толь­

ко одни Т Д и результирующее напряжение на них

скачком

возра­

стает

от импульса к импульсу (рис. 5.16). С к а з а т ь

заранее,

какой

из Т Д

.переключится первым, невозможно, поэтому

в

дальнейшем

будем

говорить о переключении первого, второго

и

т. д. ТД, не

П а р а л л е л ь н о ТД„

включается

конденсатор

небольшой

емко­

сти, поэтому напряжение .на этом

Т Д

во время

действия

запуска­

ющего импульса растет медленнее и

переключение его

происхо­

дит только тогда, 'когда

все остальные

Т Д уже находятся

в

состоя­

стояние

Т Д П отпирает транзистор и насыщает

его, практически

весь ток

источника начинает 'протекать через

транзистор, диоды

стояние, между

Т Д П и

базой транзистора включена

индуктивность

L , благодаря которой

транзистор поддерживается

в насыщенном

состоянии еще

небольшой промежуток времени, обеспечивая пол­

ное переключение всех Т Д в исходное состояние.

Д л я анализа

делителя воспользуемся простой линейной аппрок­

тельная цепочка идентичных диодов может быть представлена

в

виде

двухполюсника

(см. рис. 1.7а). З н а я эту

схему,

эквивалент ­

ную схему делителя без учета влияния транзистора

можно

при ­

вести

.к схеме рис. 5.1 е. iB общем 'случае, как

и т р и запуске

триг­

геров,

п о л а г а е м ,

что

запускающий

импульс подается

через

огра­

ничительное сопротивление Ri и включенный

последовательно

с

ним

конденсатор

С. Сопротивление

Ri

учитывает

т а к ж е

сопротив­

ление

г,- генератора

запускающих

импульсов

и

определяется

ф-лой (3.4).

Конденсатор С играет очень

в а ж н у ю р о л ь

в р а б о т е

.делителя.

Без

конденсатора

д л я переключения

диодов

необходимо,

чтобы

к а ж д ы й последующий импульс,

п о д а в а е м ы й

н а

вход

делителя,

имел

амплитуду большую, чем

предыдущий, так

как

при к а ж д о м

переключении

одного из Т Д в

состояние

с

высоким

уровнем

[на­

пряжения

Ыдв повышается,

а ток лд уменьшается . Если

постоянная

времени

выбрана

такой,

что

за

в р е м я

действия

запускающего-

импульса

напряжение .на

конденсаторе С практически не меняет­

ся, а в п р о м е ж у т к е

между

двумя .импульсами напряжение -на

.нем

успевает достигнуть нового значения илв,

установившегося на двух­

полюснике,

то

это

компенсирует

по цепи

запуска

изменение

илв

(«с = « д в ) и

по

отношению

друг

к другу эти

два напряжения вклю ­

пульсами одинаковой амплитуды оказывается возможной

только-

при

наличии

конденсатора

С.

Отмеченные

выше

требования,

предъявляемые

к постоянной

времени цепи з а р я д а

и

р а з р я д а 'кон­

денсатора С,

в ы р а ж а ю т с я

так:

c { R i + - ^ - ) > ( b - i - \ 0 ) t m ;

(5.1)

\

К -]- К,п

!

С ^ 1 -

+

- ^ - ) < ( 0 , 1

4-0,2)7-3,

(5.2)

где

tin — длительность

запускающих импульсов,

а

Та

— период их

следования.

•Необходимо учитывать, что условие (5.1) должно выполняться

при

минимальной постоянной

времени, когда

все

диоды

находят­

ся в исходном состоянии .(:/п=0),

а условие (5.2)

— п р и максималь ­

ной

(ш = п—.1).

.Выполнение

условий

(5.1)

и i(5.2) позволяет

при

рассмотрении

эквивалентной

схеме

делителя

в виде

источника

постоянного

на­

пряжения U0m,

зависящего

от состояния Т Д в делителе, перед

по ­

дачей очередного

запускающего

импульса. Это напряжение

U ° m =

^ 7

Я

"

+

^ -

R-rRm

•

( 5 - 3 )

Д л я нормальной

работы

делителя

амплитуду

U запускающих

очевидно, для

переключения Т Д П

.необходима

м а к с и м а л ь н а я

ам­

плитуда запускающих

импульсов,

чтобы исключить одновременное

переключение

двух Т Д

для случая, когда все

Т Д находятся е щ е з

низковольтном

состоянии и ток 1д

м а к с и м а л е н .

Д л я определения в

аналитической .форме рассмотренных

выше

рактеризующее зависимость тока

1 Д от

п а р а м е т р о в схемы, состоя­

ния

Т Д и амплитуды

запускающих

импульсов. Э к в и в а л е н т н а я схе­

ма

рис. 5.1s

описывается следующими

в ы р а ж е н и я м и :

m = i C m + i m \

(5-4)

. i C n =

("зал +

Uom — "до m)/Ri;

(5-5)

i-m =

( £ — " д в m)/R;

(5.6)

" д о т

=

' д т ^ т ~Г~е ш-

(5-7)

Индек с

/?г указывает, что п а р а м е т р ы , входящие в данные

урав­

нения, зависят

от состояния

Т Д

(числа ТД , находящихся в состоя­

нии с высоким

уровнем н а п р я ж е н и я ) .

Р е ш а я полученную систему

уравнений

относительно тока

*"д т ,

находим

• =

(«з,п + Uaт) R + ERj-

ет (Rj + R)

g

„

д т

RcR-\-(.Ri

+

R)Rm

'

/?т

=

# ( „ _ „ = г х + ( п — 1)га ;

(5.9)

em

=

e( „_i) =

(п — 1 ) е 3 ,

(5.10)

а из (5.3)

г/

г/

_

£[/-! +

( " — 1)/-3 ]

+ ( n — 1 ) е3 R

•

с . . .

^ Ош =

^ 0 ( п - 1 ) =

—

—

(0.11)

R + r1

+ (n— \)г3

'Подставив

в

1(5.8)

значения R(n-\)

*и e( 7 ,_i)

соответственно из

(5.9) и

(5.10),

полагая,

что при usaa=.Umin

i w n

= h,

получаем

(Umin +

L ' 0 (

n _ , , )R+E

Ri -

(n -

1) es (Rt

+

R)

Ri R + (Ri - f R) [r, + ( я - 1 ) г , ]

Т а к им образом, чтобы обеспечить

поочередное

переключение

всех ТД, на

вход

делителя необходимо

подавать

запускающие им­

пульсы с

амплитудой

П^Г,

_{I1R

+ U1±(n-\)U3-E]Ri

,

u

-*> u

min

п

К

|

+

Ul

+ (n~\)U3~U0[n^).

(5.12)

Д л я

нахождения

максимально

допустимой

амплитуды

запус­

реключение первого

и второго диодов 'одним запускающи м импуль­

сом. Д о поступления

первого импульса все Т Д находятся

в состоя­

нии с низким уровнем н а п р я ж е н и я

(i/n = 0) и Rm=nri,

e m

= 0, а

U* m = UW = E nr^iR

+ nrO.

(5.13)

Первый запускающий

импульс

переключает один

из

Т Д в со­

лика и напряжение на входе

п р о д о л ж а е т нарастать, то

может пе­

реключиться

и второй ТД . П о с л е переключения первого

Т Д

в де­

лителе устанавливается

состояние, определяемое т=Л,

при

этом

из (1.34)

и (1.35)

находим

Rm

=

Rw

= (n-\)ri

+

r3;

(5.14)

em

=

e-li) = ea.

(5.15)

П р и

дальнейшем

нарастании

.входного

напряжения

ток

дио­

дов,

определяемый

теперь их

.новым

'состоянием,

снова

начинает

увеличиваться. 'Чтобы

определить

з а к о н дальнейшего нарастания

тока,

необходимо

в

ф-лу

(5.в)

'подставить

значения Rm

и е1П,

взя­

тые ори

т=

\ из

(5.14)

HI (5Л'5)

,а н а п р я ж е н и е

U0m

— п р и

т = 0, .по­

скольку за время действия одного и того

ж е запускающего

им­

пульса это напряжение не успевает измениться

(0'0 т =|{У0 о) • Произ ­

водя

указанную

.подстановку, п о л а г а я ,

что

при u3an=Umax

ток

f,vn = /b

и

решая

полученное уравнение относительно Umax,

нахо­

дим

условие,

исключающее одновременное

переключение

двух

Т Д :

7 /

^ /

/

_[IiR+in—l)Ui

^

+ Ua

—

E}Rt

,

и

итах

г

+

(л — 1) £/i +

t / s

Ч- i/oo-

(5.16)

Таким образом, условия ;(5.12) и (5.16) определяют,

в

каких

пределах

должна

л е ж а т ь амплитуда

имтгульсов,

обеспечивающих

грешность в

определении

iU0o 'При простой

линейной

аппрогсаша-

ции

вольтамперной

характеристики

диода

[формула

(6.13)]

неве­

лика, то

при

определении

£/0 (n-i) mo

ф-ле (5.11) погрешность ока ­

зывается

'большой и

использование

(5.11) для практических рас­

четов невозможно. 'В связи с этим

С/о(п-о

приходится определять

пс

реальным

характеристикам

Т Д

или применяя кусочно-степен­

ную

аппроксимацию

диффузионной

ветви

характеристики

диода

(1.10). Д л я

определения

величины

f / 0 ( n - i )

строят

эквивалентную

вольтамперную характеристику

двухполюсника, составленного из

дится в состоянии с низким, а остальные

с высоким

уровнем

на­

пряжения

i(m = n—1).

З а п и ш е м уравнение

такой

характеристики:

"Д в (П -1) =

"д

(*д) +

(л — 1) и; ( д ,

(5.17)

где и'дС^д)

и u"R(iK)

— соответственно напряжени я

на

растущей тун­

нельной и диффузионной ветвях характеристики Т Д

в функции

о г

тока

диода. П р и

наличии

характеристики

одного

диода (полагая

все

диоды

идентичными)

можно построить

эквивалентную харак ­

теристику

двухполюсника,

з а д а в а я с ь значениями

i a

и с к л а д ы в а я

части туннельной ветви характеристики диода с

н а п р я ж е н и е м

на

диффузионной ветви, умноженным

на

•(п—1).

Д л я аналитического построения

Идв(п-1)=>/(!д ) необходимо

в

(5.17) подставить напряжение и"л(гл),

определяемое

из ф-лы (1.10):

ил

= U2 (Us -

U2)Y

(5.18)

и и'п(1я),

тогда

" я в

<„_,, = гх

| Д + (л - 1) [и%

+

(U3 - U2) У

i

j ^ i - l .

(5.19

ia = (E-u№m)/R.

(5.20)

о)

'

5)

Рис. 5.2. К анализу работы делителя:

а)

эквивалентные

вольтамперные

характеристики двухполюсника

из

последовательно

соединенных

туннельных

диодов

при

п=5,

т=0 и т=п—11;

б)

зоны возмолсных значении

U—J(Ri)

для

про­

стейшей схемы делителя

ние .£Л)(п-1). Н а рис. 5.2а построены

линеаризованная

характеристи ­

ка

двухполюсника

для

случая т?г=0 т о

уравнению

»дв(0) = / г / ' 1 г Д

( 5 - 2 1 >

и

характеристика

и№т=((1я)

для

т = п—\

по ф-ле (5.19)

и

про­

ведены нагрузочные прямые для разных значений Е и

R. Х а р а к ­

теристики построены для

Т Д

с такими

же

параметрами,

что

и

в

расматриваемых

ранее

примерах. Д л я сравнения построена

линеа ­

ризованная характеристика по 'ф-ле '(5.11)

(прямая

AS).

'Как

вид­

но

из рис. б.2а,

различие

абсцисс

характеристик,

построенных

по

ф-лам (5.11) и (5Л9),

составляет

в худшем случае

1 В .

Характе ­

ристики построены

д л я

я = б .

•На рис. 5.26

по

ф - л а м

,(5,12) и

(5.16) построены

области

'воз­

можных значений

амплитуд

запускающих

'импульсов

в

функции

от Ri, в которых обеспечивается нормальная работа делителя

ча­

стоты следования импульсов .при различных

значениях

Е

и Я.

Они