Содержание к диссертации
Введение
I. Характеристики м - каскадных р-п--р-п структур в tfmftephom режиме 15
1.1. Математическая модель структуры 15
1.2. Фазовый портрет триггера нар-n-p-a структуре 27
1.3. Состояния равновесия и режимы в Н - каскадной р-а-р-а структуре 42
Выводы 53
2. Изохронные и инвариантные свойства схем с устойчивыми состояниями равновесия 56
2.1. Изохронная структура фазового портрета схем с устойчивыми состояниями равновесия 58
2.2. Изохронная структура фазового портрета симметричного триггера 60
2.3. Изохронная структура фазового потрета триггера на р-а-р-а структуре 70
2.4. Инвариантные свойства N - каскадной р-п-р-П- структуры - многофазного триггера 78
Выводы 85
3. Управление триггерами на р-а-р-а структурах 87
3.1. Включение триггера 89
3.2. Выключение триггера 100
3.3. Переключение многофазного триггера III
Выводы 119
4. Управление релаксационными генераторами в наносекуццном дапазоне времен 122
4.1. Связь между деформациями фазового портрета и зон синхронизации в наносекундном диапазоне 129
4.2. Резонансно-реалксационные свойства автоколебательных генераторов 141
4.3. Предельные возможности по управлению релаксационными генераторами 147
Выводы 156
5. Функциональные эдемешн на р-а-р-п. структурах и их применение 158
5.1. Быстродействующий триггер на однокаскадной структур 159
5.2. Быстродействующий многофазный триггер на N - каскадной p-tvp- а структуре 163
5.3. Многофазный триггер с амплитудной модуляцией пространственно распределенных импульсов аналоговым сигналом 170
5.4. Функциональные узлы нар-П-р-п структурах в многоканальных коммутаторах аналоговых сигналов СМКАС) 173
Выводы 180
Основные результаты рабой 181
Литература
- Фазовый портрет триггера нар-n-p-a структуре
- Изохронная структура фазового портрета симметричного триггера
- Переключение многофазного триггера
- Резонансно-реалксационные свойства автоколебательных генераторов
Введение к работе
Аппаратурная реализация цифровых методов обработки информации всегда связана с доминирующим применением разнообразных по степени сложности функциональных узлов, основой для построения которых служат симметричные триггеры статического типа. Выполняемые в различных элементных базисах цифровой микроэлектроники, они используются для выполнения логических и арифметических операций, когда особо важно получать сигналы в прямом и инверсном кодах, для синхронного запоминания, преобразования, передачи и синхронизации сигналов в узлах сложной логической структуры.
Вопросам изучения физических процессов в симметричных триггерах, разработке методов управления им посвящены работы Т.М. Агаханяна, Я.Будинского, А.М.Гольденберга, Я.С.Ицхоки, Б.Н.Кононова, Л.А.Мееровича, Л.Г.Зеличенко, И.П.Степаненко [2, 25, 31, 38, 45, 58J и других авторов. Современное совершенствование триг-герных систем на их основе обеспечивается развитием методов синтеза принципиальных и функционально-логических схем в получивших наиболее распространение схемотехнологических направлениях ТТЛ, ТТЛ-Ш, п -МДП, К-ВДІ, ЭСЛ. Значительные достижения в этой области связаны с работами И.Й.Шагурина [5, 64*70], А.Н.Кармазинского [б, 39*423 по улучшению параметров - быстродействия, экономичности, степени интеграции биполярных и МДП цифровых микросхем, в том числе и триггеров, С.П.Плеханова по синтезу функционально-логических схем бистабильных и многостабильных, многофазных триггер-ных систем [2, 49*51]. Разработанные критерии сравнения элементных базисов позволяют дать оценку их возможностям для построения сверхбыстродействующих БИС и их использования в аппаратуре с соответствующими требованиями [.37J.
Следует отметить,что улучшение параметров аппаратуры свяэа-
но как с совершенствованием существующей элементной базы, так и с разработкой новых структурных методов ее построения. При их реализации применение серийных ИС общего применения, и в тон числе триггерных систем, не всегда позволяет извлечь максимальную выгоду от предложенных архитектурных решений и требуются специализированные узлы, схемотехника которых целесообразна вне рамок традиционных элементных базисов.
Такое положение складывается в области практической реализации многостабильных многофазных триггерных систем, отличающихся числом устойчивых состояний равновесия Ы>2, и наличием рабочего уровня сигнала на одном (однофазные) или нескольких (многофазные) выходах одновременно. Рекомендованная область применения таких систем - устройства высокого быстродействия при жестких ограничениях по потребляемой мощности [ 231. принцип построения многоустойчивой пересчетной системы (МПС) на основе комбинационных схем заключается в организации множественных связей каждого ее разряда с остальными, благодаря чему становится возможным формирование большого числа устойчивых состояний. Однако ограничения на число входов элементов, свойственное всем схемотехническим базисам, не позволяют при их использовании реализовать практически целесообразную МПС с числом NU 8 - Искусственное увеличение числа входов за счет введения в схему избыточных элементов приводит к потере быстродействия за счет накопления задержек переключения элементов и преимущественно энергопотреблению перед обычными схемами.
При практической потребности в МПС с большим числом устойчивых состояний для целей пространственного и временного преобразования сигналов, синхронизации в устройствах аналоговой коммутации [ИЗ ассоциативно-параллельных процессорах 33, 46, 53], устройствах отображения информации 34, 75], приобретает актуальность исследование принципов их построения, позволяющих сочетать высо-
*» D »
кое быстродействие с экономичностью по потребляемой мощности при практически неограниченном числе разрядов.
Для этих целей на наш взгляд перспективно использование свойств кольцевых триггеров, в которых в каждом состоянии устойчивого равновесия режимы транзисторов одинаковы и при переключениях на выходах формируются одинаковые по модулю сигналы [ 2, 42 J. Это позволяет при их несимметричной форме (преимущественным нахождением триггера в закрытом состоянии) пропорционально росту скважности уменьшить потребляемую мощность до величины fnmbH=2N^MH, где ии - мощность потребления симметричного триггера. Для МПС, использующей в качестве разрядов объединенные общими связями кольцевые триггеры, потребление определяется не их общим числом, а лишь выбором функционального режима с одновременным включенным состоянием одного или нескольких триггеров. Построение кольцевых триггеров и МПС на их основе наиболее целесообразно проводить, используя комплементарные биполярные транзисторы. Такая МПС в виде гибридной микросхемы 26ТП0І используется в настоящее время в передающей аппаратуре телевизионных центров С 553.
Хотя гибридная технология на сегодняшний день наиболее целесообразна для выпуска ШІС, ввиду малых масштабов их производства сугубо для аппаратуры специализированного назначения, тем не менее проводятся интенсивные работы по их реализации в твердом теле [19*22, 27-30, 56J. Возможность параметрического управления как функциональными режимами - автоколебательный или триггерный с циркуляцией одной или нескольких областей проводимости, так и динамическими характеристиками, позволяют считать МПС на кольцевых триггерах перспективными для построения последовательностных функциональных узлов адаптивных схем, характеризующихся способностью к перестройке своей логической структуры.
Методы схемотехнического проектирования твердотельных МПС ОС-
новываютея на использовании физических процессов в твердом теле, аналитическое изучение которых требует привлечения сложного математического аппарата нелинейных дифференциальных уравнений и по-видимому является одной из причин неразвитости инженерных методов. С этой точки зрения МПС на дискретных кольцевых р-n-p-n. триггерах являются удобной моделью для аналитических исследований и разработки более близких в инженерной практике методов проектирования, так как характеризуются такой же совокупностью режимов и динамических характеристик, что и их твердотельные аналоги с сосредоточенными или полураспределенными параметрами, относящиеся к функциональным изделиям микроэлектроники [ 4].
Возникающие при этом задачи выявления свойств управляемости МПС как средства выбора ее функционального назначения и повышения быстродействия имеют первостепенное для практики значение, так как по динамическим характеристикам они уступают функциональным узлам, выполненным на биполярных транзисторах по основным схемотехническим базисам ТТЛ, ЭСЛ. Наконец, принципиальное значение имеют выработка оценки предельных возможностей по быстродействию для триггерных схем, относящихся к одному классу динамических систем с памятью 'независимо от возможных схемотехнических реализаций.
Цель диссертационной работы заключается в аналитическом исследовании методов управления параметрами МПС на кольцевых p-rvp-n. триггерах, определяющими их функциональное назначение и динамические параметры и распространение полученных результатов на возможные реализации в твердом теле, экспериментальной проверке полученных результатов и использовании схемотехнических разработок в быстродействующих информационных и вычислительных средствах с жестко ограниченными энергоресурсами.
До недавного времени основными препятствиями для достижения этой цели являлись нетехнологичность, низкий уровень интеграции
комплементарных биполярных структур и, как следствие, неразвитость схемотехники МПС на кольцевых триггерах, методы которой должны учитывать возможности выбора ее функционального назначения и динамических свойств за счет управления величинами параметров, характеризующих связность кольцевых триггеров в многокаскадной
Поэтому известные и широко использовавшиеся свойства структур при построении аппаратуры на дискретных компонентах I 26, 31, 32, 35, 36, 40, 41, 71] в дальнейшем по мере бурного развития интегральной техники утратили свои преимущества. И лишь в послед» нее десятилетие потребности практики в вычислительных оредствах для которых принципиально важно сочетание быстродействия и экономичности с гибкостью перестройки, стимулировали возрождение интереса к таким структурам и широкий фронт исследовательских работ. Развитие инжекционной логики ИгЛ » результаты по созданию сложных функциональных узлов с устойчивыми состояниями равновесия на основе комплементарных биполярных р-п-р-п структур позволяют сделать вывод, что для таких приборов технологические трудности преодолимы и создание элементной базы на их основе в большой мере сдерживается ограниченными по отношению к данному классу схем возможностями распространенных методов анализа. Основанные на использовании эквивалентных схем, анализе различных характеристик триггера, они не позволяют установить соответствие между типами устанавливающихся в кольцевой Ml 1С режимов и значениями ее отдельных схемных параметров. С этой точки зрения для анализа таких схем необходим метод, позволяющий оценить условия возникновения в многокаскадной схеме определенного режима и совокупность возможных форм переходных процессов.
Как классические дяя электроники аналитические методы анализа, так и машинные, предполагают знание такой совокупности, на
основе которой осуществляется оптимизация по заданным параметрам конкретной схемы. Поэтому при выборе метода, позволяющего в целом выявить и оценить всевозможные формы переходных процессов, мы исходим из следующих соображений.
Любую электронную схему можно рассматривать как замкнутую или разомкнутую динамическую систему, входной сигнал для которой должен возбуждать все ее собственные колебания, а отдельные каскады схемы - как инерционные звенья этой системы. Следовательно, для достижения поставленной цели возможно и целесообразно применение методов теории колебаний и оптимального управления. В качестве такового выбран метод пространства состояний, основанный на понятиях состояния динамической системы, характеризуемого некоторыми обобщенными координатами, и оператора, определяющего его изменение во времени L 3, 26, 47]. При такой математической модели результатом аналитических расчетов, связанных с решением дифференциальных уравнений и их представлением в фазовой плоскости выбранных координат (плоскости состояний), является возможность целенап» равленного варьирования законом управления на основе оценок фазовых траекторий и тем самым изучение всевозможных состояний в переходных и устойчивых режимах функциональных МПС на основе кольцевых p-n-p-fv триггеров.
В работе были поставлены следующие основные задачи:
исследовать совокупность режимов цепочечных p-ivp-n. структур в методы управления их параметрами, обеспечивающими выбор определенного режима в соответствии с функциональным назначением ;
исследовать изохронные и инвариантные свойства триггерных схем для обоснованного выбора параметров управления, оптимизирующих длительность переходного процесса;,
исследовать процесс управления триггерами на одно и многозвенных b-rv-p-n. структурах и определить факторы, ограничивающие их быстродействие ;
исследовать на основании выработанных критериев предельные частотные возможности по управлению триггерами;
использовать результаты исследований при построении экономичных быстродействующих функциональных узлов с управляемым числом устойчивых состояний равновесия.;
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
проведен и обоснован выбор физической модели учета инерционных свойств релаксатора, позволяющей максимально упростить математическую модель процесса управления и описать качественные процессы в его конкретной разновидности в широком частотном диапазоне ;
определена совокупность режимов для триггерных схем нар-ivp-n. структурах и установлены граничные значения параметров и методы управления ими, обеспечивающие выбор режима в соответствии с функциональным назначением и динамическими характеристиками разрабатываемого устройства,
предложено понятие изохронной структуры динамической системы с устойчивыми состояниями равновесия в режиме свободных движений и изучены ее свойства для триггеров различного типа, позволяющие обоснованно выбирать параметры управления для оптимизации длительности переходного процесса;
изучены переходные процессы в триггерах на однокаскадных и связных р-п-р-П- структурах и установлены физические ограничения их быстродействия при возможных способах управления;
изучен процесс приближения свойств триггерных схем к автоколебательным по мере повышения частоты управления и установлены предельные соотношения, характеризующие режим синфазного управления;
предложены технические решения по повышению быстродействия триггерных схем на р-л-p-n. структурах за счет разработки методов управления и разработаны адаптивные функциональные узлы, ха-
- II -
растеризующимся быстродействием на уровне ТТЛ-схем и на порядок меньшим фактором добротности.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД. Все основные теоретические результаты диссертационной работы получены автором лично. Самостоятельно выполнены исследования по:
обоснованию и построению физической и математической моделей работы нелинейных схем различных типов ;
анализу режимов в цепочечных комплементарных биполярных структурах с произвольным числом устойчивых состояний равновесия;
введению понятия изохронной структуры динамической системы с памятью в режиме свободных движений, ее расчету и анализу для некоторых реализаций в виде триггерных схем;
определению оптимальных по быстродействию способов управления многоустойчивыни функциональными узлами на комплементарных биполярных структурах;
Определяющим является вклад автора в анализ предельных возможностей управления нелинейными схемами в наносекундном диапазоне, а также разработку устройств управления ими для таких случаев. При выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ, в рамках которых была выполнена диссертация: "Исследование и разработка методов построения быстродействующих систем первичной обработки сигналов многоэлементных приемных устройств отбора информации" (номер гос. регистрации 79019036) ; "Разработка методов и средств повышения эффективности определения метрологических и информационных характеристик неоднородностей в пространственных полях различной физической природы" (номер гос. регистрации 79014558),
а также при проектировании и внедрении созданных устройств по хозяйственным договорам и договорам о научно-техническом сотрудник честве, автор являлся ответственным исполнителем.
Практическая ценность работы заключается в том, что иеполь-
зование полученных результатов по управлению триггерными схемами позволяет обеспечить максимальное быстродействие для их конкретных схемных модификаций и с этой точки зрения исключить принятие недостаточно обоснованных решений на стадии проектирования и раз» работки быстродействующих информационно-вычислительных систем. Материалы диссертационной работы, в том числе ряд предложенных схемных решений на основе р-п-р-п. структур, открывают перспективу их использования в виде микроэлектронных функциональных узлов.
Практическое использование результатов работы внедрено авто« ром при проектировании и разработке блоков программного управле-
ния многоканальных гиШОАОО коммутаторов аналоговых сигналов и анализатора параметров фотоприемных матриц, модернизации сервисного оборудования вычислительного комплекса 4КН", расчете и анализе скоростных свойств триггерных схем методом изохрон. Применение в этих разработках функциональных узлов на р-n-p-n. структурах позволило при значительном упрощении схемотехнических решений и сокращении аппаратурных и энергетических затрат провести построение предельных по совокупности параметров,коммутаторов, модернизировать оборудование для технического обслуживания вычислительного комплекса. Использование метода изохрон позволило получить достоверные оценки скоростных свойств триггерных схем на этапе математического моделирования и сократить сроки экспериментальных исследований. Целесообразность и экономическая эффективность предложенных технических решений подтверждена актами внедрений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на
научно-технической конференции "Электронные и полупроводниковые преобразователи энергии и информации" Томск, 1979 г.
школе-семинаре "Распараллеливание обработки информации" Львов, 1979 г.
научно-технической школе "Интегрализация радиоаппаратуры" Моек-
- ІЗ -
ва, 1978 г.
- научно-технической школе "Элементы и узлы радиоаппаратуры" Москва, 1979 г.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в I монографии и 12 статьях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы 79 наименований и содержит 190 страниц, из которых 150 страниц машинописного текста и 40 страниц с рисунками и таблицами.
В первой главе по выбранной физической модели и полученному математическому описанию динамических процессов в связной р-п-р-п. структуре изучаются триггерные схемы с числом устойчивых состояний равновесия Н> 2. Показано, что функциональные и динамические возможности таких схем определяются свойствами триггера на однокас-кадной структуре - элементарного звена связной структуры. Определены возможные его режимы и граничные соотношения для параметров, определяющие выбор любого из них. Исследованы причины установления режима квазиоткрытого состояния каскада, приводящие к нарушению функционирования связной структуры и предложены меры по устранению этого эффекта. Определены параметры, от значений которых зависит число открытых каскадов, предложены методы управления ими. Получены решения уравнений движения в фазовом пространстве, позволяющие выяснить различия в процессах установления устойчивых проводящего и закрытого состояний триггера на р-n-p-n. структуре, выражающиеся в скоростных свойствах этих процессов и требованиях к управляющим сигналам.
Во второй главе впервые понятие изохрон, как однозначной характеристики свойств динамической системы, распространено на триг« герные схемы в режиме свободных движений к состояниям устойчивого равновесия. По разработанной методике расчета построены поля изо» хрон для различных типов триггеров и дана сравнительная оценка
динамике процессов установления состояний равновесия при варьировании способами и параметрами управления. Определены инвариантные переменные для триггера на связной р-п-р-гг структуре, позволяющие выбрать способ управления, минимизирующий согласно вида поля изохрон переходной процесс.
Третья глава посвящена анализу переходных процессов в многоустойчивых р-п-р-п структурах. Получены и проанализированы соотношения, характеризующие длительности стадий переходных процессов и определена их зависимость от схемных параметров и параметров управляющих импульсов. Выявлены факторы, ограничивающие быстродействие и определены условия потери управления такими схемами.
Вiчетвертой главе показано, что в предельных по частоте уп^ равления случаях мультивибраторы и триггеры обладают принципиально одинаковыми свойствами. Это позволило с общих позиций, безотносительно к конкретному виду релаксатора и его режима, рассмотреть построение зон синхронизации и показать зависимость их деформации как от параметров схемы, так и управляющего воздействия. Особое внимание уделено процессу вырождения релаксаторов в резонансные системы при стремлении повысить их бнстродействие и исследованию постепенной потери управления по мере того как взаимодействие между схемой и воздействием изменяется от сильного до слабого.
В пятой главе рассматриваются разработанные автором на основе результатов проведенных исследований функциональные узлы на р-а-р-а структурах, характеризующиеся повышенным быстродействием, высокой экономичностью по уровню потребляемой мощности и способа ностью к адаптации своей логической структуры. Рассмотрены приме» ры, показывающие преимущества их использования в составе быстродействующей аппаратуры для обработки информационных массивов.
В приложении приведены акты внедрения результатов исследовав ний и разработок в промышленность с экономическим эффектом 64 тыс.рублей.
Фазовый портрет триггера нар-n-p-a структуре
Рассмотрим свойства однокаскадной р-n-p-n структуры в триг-герном режиме в плоскости выбранных координат u,u (X,x) \_ 14]. Наличие общей точки, от которой отсчитываются эти напряжения, позволяет оценить достоверность выбранной модели и аналитических соотношений, используемых для выбора режима структуры и расчета переходных процессов в ней при управлении. Необходимость в этом возникла вследствие неточностей, не позволивших при ана-лизе в коодщшатах u.Sj , непосредственно определяющих число степеней свободы структуры и вид ее вольтамперных характеристик, выделить ее отличительные свойства по сравнению с известными схемами на транзисторах одного типа проводимости С 7].
Возможные в структуре состояния равновесия определим как точки пересечения изоклин горизонтальных Pt.x jsO и вертикальных Qtx( 0 = 0 касательных к интегральных кривым. Их уравнения получаем из (1.20) при нулевых значениях скоростей Я, :
Проведем кусочно-линейную аппроксимацию этих кривых. После подстановки в (1.23) вычисленных по формулам (1.14 16, 18) значений величин ty (Х 7 и f (Ni-X J ДОЯ возможных сочетаний режимов транзисторов (см. табл. I), получаем: где индексы при коэффициентах К и е указывают на номер области фазовой плоскости, в которой расположен участок изоклин PiQ) . Значения коэффициентов К и е , определяющих их наклон и смещение в областях П-ІУ, УІ, выражаются через параметры схемы: (1.25)
Как следует из (1.24), формирование особых точек возможно только в областях І, ІУ и УІ, где расположены участки обеих изоклин. Для обеспечения триггерного режима необходимо потребовать, чтобы одна из трех точек располагалась в области активного режима транзисторов. Следовательно, должно выполняться неравенство К-К-Н котоРое» используя (1.25), приводим к виду:
Соотношение (1.26) имеет ясно выраженный физический смысл. Величина К представляет собой коэффициент передачи двухкаскад-ного усилителя на транзисторах Т , Т при разомкнутой цепи положительной обратной связи. Анализ устойчивости состояний равновесия показывает, что особая точка в области ІУ является седлом, а две другие вне ее - устойчивые узлы [7]. Поэтому условие (1.26) является одновременно достаточным для существования триг-герного режима комплементарной структуры. С этой точки зрения может показаться неоправданным введение в схему резисторов к , не влияющих на величину N . Однако, при Rj г1 0 граничные линии ЬЬ и I , (I.I2, 13) выражаются в единственную прямую хвХ1 ив фазовой плоскости отсутствуют области У и УІ насыщения одного транзистора и активного режима другого (рис. 1.4а).
Поэтому для триггера на p-ft-p-n структуре с непосредственными коллекторно-базовыми связями между комплементарными транзисторами возможны устойчивые состояния равновесия, когда оба они закрыты (точка А в области I) или насыщены Сточка С в области УП). Включение резисторов 2 позволяет при неизменной величине К варьировать наклоном изоклин Р и (J , так, что точка С формируется в области УІ или У (рис. 14 б, в) и состояние устойчивого равновесия триггера при открытых транзисторах характеризуется насыщением только одного из них - соответственно Т или Т
С практической точки зрения целесообразно в качестве основного принять режим триггера с насыщением транзистора Т , подключаемого через резистор Rg к шине "земля". Из всех возможных такой режим в принципе должен отличаться наибольшим быстродействием и возможностью получения на низкоомной нагрузке максимальных по амплитуде перепадов напряжения с плоской вершиной. Именно для этого режима в соотношениях (1.24) приведены уравнения заключительных участков изоклин и Q, , в результате пересечения которых формируется точка С в области УІ (рис. 1.4 в).
Изохронная структура фазового портрета симметричного триггера
Динамика симметричного триггера (рис. 2.2J, инерционные свойства которого моделируются с помощью емкостей Св , описывается системой дифференциальных уравнений [ 17 ] где jbCeRK.; paRw/R + Re iU- - напряжения на коллекторах транзисторов схемы, принятые в качестве фазовых координат ; u.(и. . і -- коллекторный ток j -го транзистора, нелинейно зависящий от напряжения Ugj, на переходе база-эмиттер.
Состояния равновесия триггера определяются как точки пересечения изоклин вертикальных и горизонтальных касательных, задаваемых алгебраическими уравнениями вида -UatbpjtRnL.eatUeaji-EK + EspsQcut u BO. Отметим, что дифференциальные уравнения (2.5) и вытекающие из них алгебраические (2.6) симметричны относительно замены индекса ! , т.е. относительно биссектриссы первого квадрата фазовой плоскости, являющейся границей зон притяжения к точкам устойчивого равновесия. Поэтому достаточно рассмотреть характер расположения траекторий в одной полуплоскости и провести анало гичные построения в другой.
Значения коллекторного тока транзистора в активном режиме и вплоть до границы насыщения выражается известным соотношением I ft j . В то же время ток базы i,g можно выразить через фазовые координаты іц у,2 соотношениями
Подставляя в (2.6) значения токов из (2.7), предварительно умножив их на j% , получаем для различных сочетаний режимов транзисторов уравнения изоклин вертикальных и горизонтальных касательных: где k; = c \ . 1 , - e_. RK . r ___ Ья а между отношениями сопротивлений схемы выполняется условие pt S і которое будем учитывать при упрощении расчетных соотношений. При принятой кусочно-ломаной аппроксимации характеристики транзистора, фазовая плоскость разбивается на десять линейных областей, соответствующих возможным состоянием транзис и 1WJ шт Ек-Е&рс +-Рс Uaz) -- 1 иш)"Ес U iu] = Ек-Е&р і -\ \ (2.8) торов схемы (рис. 2.3). Линии раздела плоскости из области проходят через точки стыковки Q & Ь 12 отдельных участков кривых Р и Q .
При пересечении изображающей точкой вертикальных линий раздела г г!1 і ее справа налево, транзистор Т\ соответственно находится в закрытом, активном и насыщенном режимах. Таким же образом следует чередование режимов транзистора T-i при переходе через горизонтальные линии о. а" « S S" Точки устойчивого равновесия А и С расположены в областях, где один транзистор насыщен, а другой закрыт.
В области IX активного режима обоих транзисторов расположена точка неустойчивого равновесия В, через которую проходит интегральная прямая Lt rua , разделяющая фазовую плоскость на области притяжения к устойчивым точкам равновесия. Для построения фазового портрета триггера необходимо воспользоваться общим нелинейным уравнением фазовых кривых вида
Подставляя в это уравнение последовательно значения функции UlM-Ss) Для каждой из областей, можно определить характер расположения фазовых траекторий на плоскости (см.рис. 2.3). В облас-тях I, У, характеризующихся состоянием транзисторов, когда один насыщен, а другой закрыт, фазовые траектории направлены к точкам устойчивого равновесия схемы. В остальных областях, за исключением девятой, траектория направлены к своим точкам устойчивого равновесия D;-Djj » D -Dvii » находящимся вне данных областей на пересечениях продолжений участков изоклин Р и Q
Изохронная структура фазового портрета симметричного триггера
Для расчета длительности стадии по упрощенному соотношению необходимо задаться конечным значением координаты Xі изображающей точки в плоскости V4 , тем самым выбирая определенное значение длительности импульса управления. С этой целью, пользуясь результатами анализа изохронной структуры сравним (рис. 3.5) расположение в плоскости V t V4J точек G (4) ) nH J И L 4] координат триггера в момент формирования заднего фронта импульса управления Соответственно ДЛИТелЬНОСТЬЮ j(jem ] jCjeft. j jort
Форма изохрон точки А (плоскость ) близка к окружности. Пусть точка L\ принадлежит одной из них, например Tg, . Аналогичная ей точка L4 соответствует при заданной амплитуде импульса управления его длительности jtjw . Так как в плоскости V угол о йУ 45 , то всегда можно указать совокупность конечных точек управляемой траектории и соответственно меньших длительностей управляющих импульсов, одна из которых принадлежит изохроне этого же времени Tfc , а остальные - изохронам времен
Так, например, точка Н , которая соответствует конечная Н4 управляемость траектории, принадлежит некоторой изохроне времени Т Т . Тогда очевидно, что увеличение длительности импульса на величину jw У-г приводит к такому же увеличению времени выключения триггера. В связи с этим целесообразно выбрать в качестве максимальной такую длительность импульса, чтобы текущее значение координаты X было равно ее значению в состоянии равновесия. Таким образом, выбирая Хн4= А " б при известных Р4 = -І"ЄІ J Эя1= е( + г] определяем по упрощенному соотношению (3.19) длительность части стадии, протекающей при действии источника управления: ч- / где fi l + H + fje/e s» &Є/е 3- пРи ЄЇ»(2 4)Є1" значение дроби не превышает 1,5+2 при возможных вариациях параметров схемы. Поэтому длительность интервала ІЛ«(0,5тО,7і относительных единиц времени.
Для оценки длительности интервала JC jen от момента прекращения управления до окончания стадии запирания транзистора Т примем следующие значения координат точек: Хн О.Ьв ; Xa = 0,8ej ХД КЇГ6 + 6. С учетом соотношения Є90,івк , получаем: /3ea-U" u (3.21) где u = CeCRft+Rs)/ce(Rw+R5). При = 0,2т0,9 время свободного изменения напряжений в течение стадии характеризуется таким же порядком, что и при управлении. Поэтому полная длительность стадии запирания транзистора : jLja -/ум +/J«K 1,5 т 2.
Отметим особенность режима выключения триггера при дальнейшем уменьшении длительности импульса до значения У,улп jfj« близкого к минимально допустимому. В моменты формирования его заднего фронта изображающая точка скачком G G перемещается в плоскость Vi (рис. 3.5), где располагается справа и вблизи линии Гг\ОГ\ . При таких начальных условиях траектория свободного движения к точке устойчивого равновесия А вновь проходит через область ІУ. Однако повторный регенеративный процесс, отображаемый отрезком траектории слева от линии 5 и оканчивается запиранием транзистора Т , так как значения экспоненциально спадающих токов транзисторов малы для развития лавинообразного процесса.
Таким образом, при длительности импульса управления близкой к минимальной, на фронтах напряжений л, их1 имеются по два участка, соответствующих регенеративному режиму и режиму запирания транзистора I . Два из них формируются во время управления, два других - в процессе свободных движений.
Зависящая только от параметров триггера длительность заключительной стадии восстановления его исходного выключенного состояния полностью определяется изученной изохронной структурой. Поэтому основной вклад в общую длительность J bv n-i f +Ла +4и вносят две последние составляющие, слабо или вообще не зависящие от параметров импульса управления. Как следует из проведенного анализа, для триггера на р-n-p-n. структуре всегда выполняется неравенство причем, если скоростные свойства схемы при включении определяются прежде всего инерционностью транзисторов, то при выключении - в большой мере выбором параметров схемы. Соответственно различные требования предъявляются и к параметрам импульсов управления. При примерно одинаковых их амплитудах между длительностями управляющих импульсов также будет выполняться неравенство Jfyjwwi » цвм , где Jyi ia=jCH Jya+f\
Таким образом, быстродействие комплементарного триггера фактически определяется длительностью переходного процесса при его выключении. Учитывая это обстоятельство, а также результаты исследования инвариантных свойств многофазного триггера, управление им рассмотрим для случая, когда импульс запирающей полярности воздействует на открытый каскад по общеэмиттерной цепи.
Резонансно-реалксационные свойства автоколебательных генераторов
Проведенный анализ показывает, что с увеличением частоты работы всех без исключения схем: мультивибраторов - самовозбуждающихся и ждущих, триггеров с двумя и многими состояниями равновесия, форма импульсов начинает сглаживаться и все более походить на синусоиду. Переход в высокочастотный диапазон характеризуется тем, что малый к -параметр во всех уравнениях релаксатора растет, медленная стадия не отделяется от быстрых и релаксационный генератор теряет свои свойства - происходит процесс вырождения в синусоидальный, резонансный.
Искажение формы генерируемых колебаний (если это не связано с изменением типа режима), в принципе, не ограничивает частотный диапазон работы схемы. Как правило, имеется возможность соответствующими схемотехническими методами сформировать нужное по форме напряжение для управления другими блоками. Более важной и, пожалуй, основной причиной ограничения частотного диапазона применения релаксационных схем является потеря ими способности управляться извне. Это ведет к временному рассогласованию работы отдельных узлов системы и невозможности ее применения.
Явно выраженные релаксационные схемы ( М- О) синхронизируются в широком диапазоне изменения периода внешнего возбуждения от MH;3j Тр до (0,05- 0,001) Тр , где Тр - собственно период релаксатора. Это позволяет с погрешностью во времени, достигающей (0,-)-5)% от длительности импульсов синфазировать их работу с другими временными узлами систем. Именно широкополосность релаксационных схем позволяет синфазировать их работу» что составляет их основное преимущество и обусловило широкое применение в технике.
Увеличение М -параметра в наносекундном диапазоне приводит к тому» что релаксационная схема становится по своим свойствам близкой к синусоидальной, управление которой состоит в навязывании автогенератору частоты, равной или кратной частоте внешнего возбуждения. Такой режим синхронизации отличается узкополос» ностью, время его установления велико и может значительно превысить период работы генератора. Следовательно, синусоидальные генераторы могут работать в режиме синхронизации, но не позволяют осуществить жесткое синфазирование процессов во времени, что является необходимым для работы всех дискретных во времени систем преобразования информации.
В литературе имеются исследования С 3, 611, посвященные анализу плавного перехода релаксационных схем невысоких порядков в резонансные, синусоидальные при увеличении у -параметра. Однако исследований, посвященных изменению свойств управления релаксационными схемами при увеличении 14 -параметра, не проведено.
В данном разделе будет показано, как захватываются управляются внешним возбуждением синусоидальные генераторы и каким образом свойства управления определяются таким чисто релаксационными параметрами» как j -параметр и коэффициент усиления К . При описании процесса управления воспользуемся результатами исследований проведенными вС 591. Рассмотрим схему генератора синусоидальных колебаний на полевом транзисторе Т, в контуре затвора которого включен источник напряжений синхронизации Uclt)-Ucsrn COct рис 4.9 а). Процессы в цепи затвора описываются уравнением : l_-g"H?l» u, = fl - + Uc«lria).t , (4.8) где зависимость тока стока от напряжения на затворе задается нелинейным соотношением U- SujH-Uj/ gj Где S - крутизна характеристики, 0 - потенциал насыщения. График этой зависимости с указанием характеристик точек показан на рис. 4.9 б. Очевидно, что эта характеристика отображает явление в пределах ±Е« однако ее достоинство состоит в гладкости. Амплитуда устойчивых колебаний не превышает Н0 .
