книги из ГПНТБ / Богатырев Ю.К. Импульсные устройства с нелинейными распределенными параметрами

исследование сопряжено с большими математически­ ми трудностями и результаты его, как правило, не наглядны. Пусть нелинейные элементы линии имеют вольт-амперпую характеристику стабилитропного ти­ па:

0для « < Н иР,

оодля и > Unр.

Отметим, что если потери в линии отсутствуют, то вдоль нее могут распространяться без искажения лю­ бые сигналы, амплитуда которых не превышает на­ пряжения пробоя £/пр, а любой сигнал, превышающий эту величину, мгновенно уменьшается до Uaр. Рас­ смотрим взаимодействие двух встречных прямоуголь­ ных импульсов с амплитудой порядка £/пр. При этом будем считать, что один из импульсов создает началь­ ное напряжение смещения в линии U0—Uuv, вдоль ко­ торой распространяется второй импульс. Тогда сиг­ нал и, представляющий собой отклонения напряжения в линии от начального значения U0, будет распрост­ раняться как бы вдоль линии, в которой ток утечки определяется функцией

U

/(«)=, j /' (и0+ и) du = I (U0+ и) — I (U0).

О

В момент встречи фронтов импульсов в некоторой точке z* будет наблюдаться следующая картина. Справа и слева от z* напряжение u(z,t) будет оста­ ваться постоянным, равным Ппр. Это значит, что иду­ щий слева направо сигнал и+ не пройдет дальше точ­ ки z*, пока справа от нее u(z, t) =Пщ,. Соответственно идущий влево сигнал и~ не пройдет дальше точки z*, пока слева от нее u (z,i)= U nv. Следовательно, если встречные импульсы [/-= £ /+ = Нпр имеют одинаковую длительность, то они полностью взаимно уничтожают­ ся. Если же один из импульсов, например распростра-

120

някицийся вправо, длиннее на величину Atuвстречного, то от точки встречи только вправо будет уходить им­ пульс длительностью Ata.

Поскольку взаимодействие сигналов в линии про­ исходит только в точке встречи фронтов (во всех дру­ гих точках суммарный сигнал таков, что затухания не

происходит), то для определения формы сигнала пос­ ле взаимодействия можно воспользоваться тем, что в любой точке линии суммарный сигнал равен сумме сигналов, распространяющихся вправо и влево. Сле­

ношения дают возможность определить изменение формы любых прямоугольных сигналов. В качестве иллюстрации на рис. 2.17 показаны два различных импульса до и после встречи.

121

Легко видеть, что при таком взаимодействии им­ пульс, амплитуда которого равна (У,1р, не будет отра­ жаться от разомкнутого конца линии. Действительно, напряжение отраженного импульса определяется со­ отношением Мотр = Ык—«и (где «и — напряжение пада­ ющего импульса; мк— напряжение па конце линии). Максимально возможное значение ик равно t/np, по­ этому при и1!= и ,ц, напряжение отраженного сигнала будет равно нулю. Сопротивление (не дифференци­ альное) на конце линии в этом случае равно волново­ му сопротивлению линии при н= (/1ф.

В случае конечной крутизны характеристики тока утечки при и > и щ) взаимодействие сигналов будет происходить не только в точке встречи, а на всех уча­ стках линии, где в результате перекрытия импульсов суммарное напряжение больше U„v и определение точ­ ной формы импульсов л-'сле взаимодействия затруд­ няется. Одно ) качест, зное рассмотрение позволяет в этом случае сделать вывод: если взаимодействую­ щие импульсы имеют прямоугольную форму, то они будут менять ее, так что напряжение на последующих участках будет больше, чем на начальных. Действи­ тельно, если начальные участки импульса встречают­ ся с исходным встречным импульсом, то другие его части взаим действуют с импульсом, ослабленным при взаимодействии с начальными участками. Это отчет­ ливо видно па примере взаимодействия короткого и длинного импульсов. Амплитуда короткого импульса при распространении по вершине встречного может настолько уменьшиться, ч о спады длинного импуль­ са пройдут практически без искажения. Очевидно так­ же, что чем больше длительность взаимодействующих импульсов, тем меньше будет напряжение на фронте прошедшего импульса.

Аналогично будут взаимодействовать встречные импульсы в линии со знакопеременной утечкой в слу­ чае, когда амплитуда импульса близка к стационар­

122

ной. Строгое рассмотрение такого взаимодействия в линии с .малой нелинейностью и без сопротивления потерь проведено в работе [73]. Па рис. 2.18 в качест­ ве примера показан (графически) процесс отражения от разомкнутого конца линии импульсов непрямо­ угольной формы, рассчитанный но формулам, выве­ денным в [73].

Эти рисунки подтверждают наличие искажения вершины проходящего импульса при встрече импуль­ сов или отражении импульса от разомкнутого конца. Из рис. 2.18 следует также, что в результате взаимо­ действия импульсов с пологими фронтами проходящие импульсы становятся более близкими к прямоуголь­ ным: фронты их укорачиваются, а вершина становится более плоской.

После взаимодействия встречных импульсов те участки прошедшего сигнала, напряжение в которых окажется выше порогового уровня Uu снова будут усиливаться до уровня U2. Напряжение на других уча­ стках сигнала затухнет до нуля. Если напряжение па фронте прошедшего импульса будет больше Uu то и па всей его вершине оно будет больше Ui и в линии вновь восстановится импульс с той же длительностью и амплитудой, что и сигнал до встречи.

Если напряжение даже па срезе импульса меньше U\, что может иметь место при встрече с очень длин­ ным импульсом, то весь прошедший сигнал, очевидно, гаснет до пуля. Если же после взаимодействия с.не очень длинным встречным сигналом напряжение на фронте прошедшего импульса будет меньше U\, а на срезе больше Uu то вновь формирующийся из него импульс будет иметь длительность меньше исходного. А так как амплитуда прошедшего импульса тем мень­ ше, чем больше длительность встречного, то и раз­ ность длительностей исходного импульса и вновь сформировавшегося будет тем больше, чем больше длительность встречного импульса.

123

Подобны» характер встречного преобразования длительности сигнала может [совместно с рассмотрен­ ным выше эффектом расширения импульса в линии при значениях тока смещения, близких к /ы (см. § 2.3)] обеспечить условия генерирования стацио­ нарных по длительности импульсов в разомкнутом на концах отрезке линии или в линии, замкнутой в коль­ цо. В таких системах уширение импульса при его рас­ пространении вдоль линии (из-за разности скоростей фронта и среза импульса) может быть полностью ком­ пенсировано (при правильном выборе величины тока смещения, длины липни и начальной длительности импульса) сужением его при отражении от разомкну­ того конца (т. е. при встрече с «самим собой») или при взаимодействии импульсов, распространяющихся навстречу друг другу в кольце.

Проведенное рассмотрение относится к случаю взаимодействия импульсов с амплитудами, близкими к стационарной, и уж заведомо большей порогового уровня U1. При встрече в линии двух импульсов с ам­ плитудой меньшей Uy может оказаться, что сумма их амплитуд будет больше £Д, и в обе стороны от места встречи начнут распространяться усиливающиеся по амплитуде импульсы. Этот эффект может оказаться полезным для создания логических элементов на та­ ких линиях.

2.5. ВИДЫ ФОРМИРУЮЩИХ АКТИВНЫХ ЛИНИЙ

ИИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Внастоящее время известно достаточно большое число типов волновых активных формирующих систем различной физической природы: распределенные тун­

нельные переходы [55, 65] и искусственные линии с тун­ нельными диодами [63, 64]; сверхпроводящие линии ти­ па сверхпроводник — оксид — сверхпроводник [58, 61]; полураспределенные линии с дискретными активными

124

элементами (двухбазовыми Диодами, униполярными транзисторами, четырехслойными переключателями и т. д.) и распределенной связью между ними в резуль­ тате диффузии инжектированных неосновных носите­ лей вдоль общего базового слоя [65, 66]. 1\ этому же классу относятся распределенные полупроводниковые системы с отрицательным объемным дифференциаль­ ным сопротивлением, например, диоды Ганна [67].

Для формирования импульсов (перепадов) с дли­ тельностью фронта порядка 10”10... 10-11 с наиболее пригодны линии с практически безынерционными не­ линейными элементами, вольт-амперная характери­ стика которых сохраняет свой вид неизменным в ши­

р—/г-переходами между двумя вырожденными полу­ проводниками или сверхпроводящими полосками ме­ талла. Эти линии могут быть использованы и как ге­

свойствами таких линий и их применениях.

Ранее уже отмечались допустимость и пределы применимости расчетных соотношений, полученных из анализа линий в виде распределенного туннельно­ го диода с эквивалентными схемами рис. 2.1. Что же касается исследованной Скоттом и Пармеитьером [58, 61] активной линии, состоящей из двух сверхпро­ водящих полосок металла, разделенных тонким слоем окисла, находящихся при температуре жидкого гелия и ниже т. е. при температуре порядка 2 К), то для нее вплоть до частот 2-1011 Гц справедлива эквивалент­ ная схема, представленная на рис. 2.19. Анализ про­ цессов, проведенный описанными ранее методами, по­ казал, что сверхпроводящая формирующая линия имеет ряд особенностей (по сравнению с исследовап-

125

ними здесь): стационарные волны в пей существуют

определяется величиной pzg/R:) и зависит от парамет­ ра А примерно так же, как и в обычной линии с вы­ сокочастотными потерями г. Все эти свойства хорошо подтвердились экспериментально [61].

Активная линия триггерного типа (рис. 2.20), опи­ санная группой японских авторов [59], на первый

взгляд существенно отличается от рассмотренных вы­ ше. Основная ее особенность — симметричное вклю­ чение туннельных диодов и источников напряжения смещения. Поэтому в линии может распространяться волна переключения любой полярности: при одной полярности переключается верхний ряд диодов, при противоположной — нижний. Анализ уравнений линии и процессов в ней, однако, показывает, что она, по существу, представляет собой две рассмотренные вы­ ше более простые линии, включенные параллельно, каждая из которых формирует перепады противопо­ ложной полярности.

126

Рассмотренные выше линии имели нелинейные элементы с jV-образной вольт-амнерной характеристи­ кой. Свойства активных линий, содержащих нелиней­ ности с S-образной характеристикой, зависят не толь­ ко от параметров линии, но и от инерционных свойств активных элементов. Эти линии, как правило, сравни­ тельно низкочастотные и работают в микросекундном диапазоне длительностей импульсных сигналов, по­ этому здесь они рассматриваться не будут.

Из изложенного в этой главе следует, что актив­ ные линии целесообразно использовать для формиро­ вания импульсов и перепадов напряжения с длитель­ ностью 10~10 ... 10-11 с и малыми амплитудами (в от­ личие от линий с ударными волнами). Амплитуда импульса (перепада) зависит от типа линии: для сверхпроводящих линий она составляет 0,5... 1 ОмВ, для линий с туннельным р—/г-переходом — 0,3.. . 1,0 В (в зависимости от полупроводникового материала), для линий с лавинными транзисторами и диодами Ганна— несколько вольт или десятков вольт.

Мощность формируемых импульсов зависит от вы­ ходного сопротивления линии. Для линий с туннель­ ными переходами / ? ВЫх может изменяться от несколь­ ких ом до долей ома, например, из-за изменения ширины перехода, а у линий с лавинными транзисторами имеет порядок сотен ом. Поэтому в активных ли­ ниях могут быть сформированы импульсы с мощно­ стью от долей ватта до нескольких ватт.

Особенностью линий является и то, что малый от­ резок ее или отдельная ячейка являются сами по себе устройствами, способными формировать и генериро­

сформированного отдельным ее звеном или элемен­ том, если вдоль линии распространяются быстрые волны, а высокочастотные потери невелики, т. е. ког­ да выполняются неравенства CR/Lg<^ 1, г/м/П2< 0,3.

127

Если для возбуждения формирующей линии ис­ пользовать маленький ее отрезок или отдельное звено, работающее в ждущем или автоколебательном режи­ ме и развязанное от остальной линии достаточно большим сопротивлением, то в этом случае даже при запускающем сигнале небольшой амплитуды с очень пологим фронтом в линию будет поступать импульс с формой, близкой к стационарной, с крутым фрон­ том, что позволит существенно уменьшить длину фор­ мирующей линии.

Результаты экспериментальных исследований ис­ кусственных линий с туннельными диодами [63, 117] и опытных образцов распределенных туннельных р—п- переходов [60] подтверждают справедливость сделан­ ных оценок. Так, в искусственной линии с туннельны­

24 Ом [63]. В неоднородной искусственной линии, опи­ санной в [117], величина Тф не превышала 1,6-10-10 с при амплитуде ЗВ на нагрузке 50 Ом. В опытных об­ разцах распределенных туннельных диодов величина Тф была порядка 6 -10—9 с при амплитуде 0,35 В и со­ противлении нагрузки менее 1 Ом [60].

.Активные линии могут быть использованы (при питании не от распределенного источника тока, а от распределенного источника 'напряжения) для созда­ ния принципиально новых логических устройств. Та­ кая возможность основана на аналогии между свой­ ствами линий и свойствами нервных волокон, вдоль которых распространяется без затухания нервный им­ пульс. Активные линии, моделирующие процессы в нервных волокнах, получили название нейристорных линий.

Замечательным свойством нейристорных линий, как показано в работе Крэйна [75], является то, что

128

с помощью лишь двух типов соединений между нейристорами можно реализовать практически любые ло­ гические операции. Это означает, что на основе нейристоров может быть построена полная логическая си­ стема различного рода вычислительных и других устройств. Важным достоинством таких устройств должны быть высокая надежность и технологичность изготовления, связанные с высокой однородностью схем с нейристорами. Вопросы построения логических устройств с нейристорами подробно рассмотрены так­ же в [118].

9— 674