Импульсные устройства. Электронные триггеры, страница 11

Рис. 4.21

4.11. Триггеры на туннельных диодах

Вольтамперная характеристика туннельных диодов (рис.4.22) благодаря присущим эффектам на квантовом уровне обладает участком с отрицательным дифференциальным сопротивлением . В результате состояние схемы, состоящей из туннельного диода и резистора (рис.4.23),   неоднозначно, если  диаграммы  и  пересекаются в трёх точках). Легко видеть, что условие неоднозначности состоит в том, чтобы сопротивление цепи  было больше модуля отрицательного дифференциального сопротивления диода. Аналогия с рассмотренными ранее триггерами позволяет трактовать это  как наличие внутренней положительной обратной связи. Тогда решения в точках «1» и «2», где характеристика диода имеет положительное дифференциальное сопротивление, являются устойчивыми, а точка равновесия «0» неустойчива подобно свойствам триггера на рис.4.18.  Простая схема триггера на туннельном диоде позволяет рассмотреть процесс  переключения подробно

Рис. 4.22

Рис. 4.23

Предположим исходным состояние  «1», когда токи диода и резистора равны , , а сумма напряжений . Для переключения используем генератор напряжения  , включённый  последовательно с источником питания .  При увеличении  линия  смещается вправо с сохранением признака устойчивости . Ток в монтажную ёмкость  считаем пренебрежимо малым, в соответствии с  ограниченной   скоростью изменения управляющего напряжения. В точке «» условие  нарушается. Теперь для удовлетворения закона Кирхофа  необходим учёт тока ёмкости:  .  В точке «1» ток   начинает превосходить ток диода и разностный ток  протекает в ёмкость, заряжая её и увеличивая напряжение на диоде со скоростью . Скорость заряда, пропорциональная току ёмкости,  вначале нарастает, подобно регенеративному процессу, а затем уменьшается, обращаясь в ноль в точке «», где прекращается ток  (заштрихованный участок на рис.4.22) . После прекращения управляющего воздействия схема возвращается в точку «2». На рис.4.24 построена петля гистерезиса триггера на туннельном диоде, подобная характеристикам рассмотренных ранее триггеров с одним входом.

Рис. 4.24

К недостаткам использования туннельных диодов относится малая величина напряжения, составляющая около 0,5 вольта в минимуме характеристики, что не обеспечивает, например, сопряжения с ТТЛ логикой. Достоинство схемы состоит в её быстродействии. Для типового пикового значения тока 50 мА, среднюю на этапе переключения величину тока ёмкости оценим как половину этой величины. Простота схемы определяет возможность достижения малой паразитной ёмкости. Для схемы, состоящей из диода и резистора, при микроэлектронной технологии можно положить =1 пФ. Тогда средняя скорость нарастания напряжения =25В/нс, а время переключения при перепаде напряжения 0,25В   составляет  10 пикосекунд.  Генераторы импульсов на туннельных диодах с такими показателями, являются, по-видимому наиболее  скоростными среди существующих коммерческих изделий.             В завершение упомянем одно практически важное положение, относящееся к задаче измерения вольтамперной характеристики туннельного диода (рис.4.22). Для экспериментального измерения этой характеристики на всех участках, включая участок отрицательного дифференциального сопротивления, следует исключить неоднозначность задачи, ведущую к триггерному эффекту. Для этого следует использовать в измерительной цепи сопротивление  R, меньшее модуля отрицательного дифференциального сопротивления, в идеале, использовать генератор напряжения при R=0. Тогда изменение  позволит определить  в каждой точке.  Для сравнения напомним о приборах типа тиристоров, имеющих S- образную вольтамперную характеристику. В этом случае следует использовать генератор тока, у которого внутреннее сопротивление  .