Импульсные устройства. Основные понятия и определения импульсной техники. Электронные ключи. Интегральные логические схемы, страница 4

В задачах радиолокационного наблюдения амплитуды импульсов, необходимые для управления электронными приборами СВЧ, такими, как магнетроны, ЛБВ составляют несколько сотен вольт. Длительность используемых импульсов,  начиная с единиц микросекунд в 40-х годах, по мере совершенствования технологии перешла к десятым и сотым долям микросекунды  в настоящее время, соответственно выросла информативность измерений,

Другой класс использования импульсных сигналов составляет применение для операций с цифровыми сигналами. При этом  амплитуды импульсных сигналов близки к напряжениям питания транзисторов в типовом режиме и лежат в диапазоне от 5 до 10 вольт.

При оценке напряжения питания следует иметь ввиду, что любая операция переключения из состояния с минимальным напряжением   в состояние с максимальным напряжением требует перезаряда некоторой неизбежной ёмкости С, заданной уровнем технологии. Известно, что  кпд заряда ёмкости через резистор по энергии составляет ровно 50 %.   Поэтому  каждое переключение  приводит к расходу энергии

 .                                             (1.6)

При этом средняя мощность   возрастает при увеличении частоты переключения , что сопровождается выделением тепла и во многих случаях ограничивает плотность компоновки  разрабатываемой микроэлектронной схемы.  Поэтому снижение напряжения питания импульсных элементов  можно отнести к основным тенденциям создания современной импульсной аппаратуры. В настоящее время в перспективных разработках используют снижение  напряжения питания  до уровня 1 – 3 вольта.

Снижение напряжения питания прводит к уменьшению помехоустойчивости  как свойства различения  цифровых уровней «0» и «1».  Для конструктора аппаратуры такое условие выливается в требование снижения уровня внешних помех, достигаемое  достаточно сложными  и дорогими техническими решениями: использованием высокостабильных источников питания, фильтрацией напряжений на шинах устройства,  тщательной электромагнитной экранировкой и др.

Параметры быстродействия импульсных микроэлектронных элементов,  начиная с длительностей импульса в доли микросекунды в 60-х годах, улучшились до величины в единицы и доли наносекунды, что обеспечивает тактовую частоту коммерческих компьютеров в 1-3 ГГц.  Быстродействие в единицы ГГц не реализуется в схемах на дискретных транзисторах и пассивных элементах,  но сигналы наносекундной длительности утратили качество экзотики. Например, доступные генераторы импульсов на туннельных диодах имеют длительность фронта, близкую к 10 пикосекундам.

Отдельное  место занимают импульсные устройства, оперирующие с СШП сигналами. Широкий спектр прикладных задач, использующих СШП радиоимпульсы: от зондирования ледников, контроля дорожных покрытий, поиска мин до космической радиолокации определяет и широкий диапазон длительности импульсов (средней частоты) от десятков мегагерц до десятков гигагерц.  При этом значительно изменяются требования к амплитудам применяемых импульсов. В лабораторных и полигонных экспериментах с СШП импульсами достигнуты, по-видимому, рекордные показатели формирования импульсов с амплитудой, достигающей миллиона вольт. Уникальные электронные приборы, созданные российскими учёными, обеспечивают создание формирователей  импульсов с амплитудой 30 – 40 кВ, отвечающих требованиям эксплуатации аппаратуры в практических условиях [ ]. 

1.3.  Некоторые положения методов расчёта электрических цепей, используемые в импульсной технике

В дальнейшем материале будут использоваться  известные методы анализа линейных цепей с целью определения параметров переходных процессов, возникающих  в импульсных устройствах при переключении ключевого элемента.  Известно, что в наиболее общем виде линейная цепь с постоянными параметрами описывается с использованием преобразования Лапласа дробно-рациональной функцией комплексной частоты . Во временной области также имеются эффективные методы решения линейных дифференциальных уравнений. Наличие современного программного обеспечения позволяет в обоих случаях анализировать электронные цепи практически без ограничения уровня их сложности. Однако,  целью изучаемой дисциплины является получение наглядных представлений о работе импульсных устройств, необходимых при их разработке и испытании для многообразных прикладных задач.  Поэтому в учебных целях  будем рассматривать простейшие модели цепей, позволяющие выявлять основные факторы, ответственные за параметры импульсных устройств.