Сверхвысокочастотный триггер и способ управления его рабочей частотой

;цйц 7 ФМ 7.Уг 1/ц ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ С 8 ИДЕТЕЛЬСТВУ ч+1 чъ3ч 1 7чо 1 Аоп 1+4 --- "- с 1 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(46) 23.07,91. Бюл, В 27 (71) Саратовский филиал Института радиотехники и электроники АН СССР и Саратовский государственный университет им.Н.Г.Чернышевского (72), М.Б.Голант,В.Н.Ефимов и Н.И.Синицын(53) 621.385.633 (0888)(56) Авторское свидетельство СССР Р 660260, кл, Н 03 К 19/10, 1977.Авторское свидетельство СССР Р 477461, кл. С 11 С 11/38, 1973.Баранцева О.Д. "Синтез оптималь,ных схем на СВЧ-элементах: для быстродействующих ЭВМ "Электронная промышленность" 1981, вып,17-8, с.32.(54) СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ТРИГГЕР ,И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЕГО РАБОЧЕЙ ЧАСТОТОЙ(57) 1. Сверхвысокочастотный триггер, содержащий систему взаимодействия электромагнитного излучения с электронным потоком, устройства ввода и вывода электромагнитного излучения и источника питания, подключенный к системе взаимодействия, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия при расширении диапазона частот, система взаимодействия содержит широкополосную периодическую замедляющую систему с аномальной дисперсией, ввод и вывод которой соединен посредством направленных ответвителей с цепью нолож:тельной обратной связи, величина коэффициента г обратной связи определена из следующего выражения:(51)5 Н 03 К 19/06, Н 01 1 25/34 где ч - скорость электронногоьпотока;ч - групповая скорость электромагнитной волны;с - скорость света;1 - электрическая длина цепиАопобратной связи;1 - длина системы взаимодействия.2. Триггер по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что система взаимодействия выполнена из отдельных секций,3. Триггер по пп.1,2, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, источник питания системы взаимодействия выполнен в виде источника ступенчатого напряжения4. Способ управления рабочей частотой сверхвысокочастотного триггера по п.1, включающий его переключение из одного состояния в другое путем подачи электромагнитного излучения на вход прибора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия при расширении дианазона частот и функциональных воз" можностей, на системе взаимодействия устанавливают напряжения, соответствующие центральной части гистерезисных зависимостей частот колебаний от напряжения, а переключение триггера осуществляют подачей на входс 1 Аор системы взаимодействия электромагнитного излучения с частотой, соот 11 1Быстродействие схем различньгузлов ЭВИ определяется, главнымобразом, временем переключения ихбистабильных элементов (триггеров)из одного;устойчивого состояния вдругое.Цель изобретения - повышение быстродействия СВЧ-триггера при расширении диапазона частот.На фиг,1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - частотная характеристика устройства сустойчивыми дискретными областямигенерации; на фиг,Э указаны значе"ния напряжения ступенек, соответст -вующие напряжению центра петли гистерезиса каждой области колебаний. . 25Здесь .электронно-оптическая система 1, система 2 взаимодействия,коллектор 3, направленные ответвители 4и 5, фазовращатель 6 и источник 7ступенчатого напряжения, подключенный З 0к системе взаимодействия. Направленные ответвители 4 и 5 соединены ценью положительной обратной связи. : При определенной величине обратнойсвязи может наступать разрыв час,тотной характеристики и возникатьявление электронного гистерезиса.Крутизна частотной характеристики определяется формулойгрупповая скорость электро магнитной волны;скорость электронного . потока;скорость света;длина системы взаимодействия;электрическая длина цепи .обратной связи,определяемая из соотношения55 сГ б Ег- 21 ---- -)-1 Ф 2(Г- Й)ч(р, чр ветствующей требуемому переключаемо-,му состоянию. ггде 2 ,Е ,ч , ч ф частоты и скор 1 Ргрости,соответствующие:,максимумам стартового тока в пределах зоны колебаний.Скачок частоты будет иметь местодля таких коэффициентов обратноййКсвязи когда - в в :ооЭч 6Распределенные потери в системевзаимодействия уменьшают влияние обратной связи на работу устройства.,Например, затухание до 2 дБ мало сказывается на работе устройства, а затухание в 9 дБ практически сводит кнулю влияние .обратной связи. С другой стороны, наличие пространственного заряда, напротив, приводит к большему влиянию обратной связи на работу устройства. Пространственный зарядоказывает малое влияние, когда О сътр 16 2 15(Я - " -- )уРгде д " плазменная частота электронного потока;1 - длина пространства взаимодействия;ч - скорость электронов,Большой пространственный заряд приводит к увеличению флуктуаций кривой,Иа следовательно, и к разрывамйчв частотной характеристике и возможности появления гистерезиса при меньших коэффициентах обратной связи посравнению со случаем отсутствия пространственного заряда (О = О).Как раз в указанных областяхразрыва частотной характеристики ипоявления гистерезиса и возможно существование двух устойчивых состояний генерации с частотами, например,Е 1 и Е , соответствующими двумдискретным областям генерации привыбранном и фиксированном значениинапряжения на системе ч (фиг.2).Число таких дискретных областей колебаний, в диапазоне перестройки устройства который обыкновенно равен окта 1ве, может достигать нескольких десятков, что определяется длиной цепиобратной связи 1 д р, Переход от од11485 30 5ной области крлебаний к другой осуществляется подачей на систему взаимодействия ступенчатого напряжения от источника питания 7 (фиг.1). Значение напряжения ступенек соот 5 ветствует напряжению центра петли гистерезиса каждой области колебаний.Устройство работает следующим образом.Если установить напряжение чо на системе взаимодействия соответствующим напряжению центральной части петли гистерезиса ч сч с чяо о (см.фиг.2)у то, подавая на Вход системы 2 взаимодействия сигналы частоты Е или Е, можно переводить триггер из одного устойчивого состояния генерации в другое. Например, если триггер работает на часто те Е, то подача на вход триггера частоты Е переводит его в режим генерации на частоте Е а генерация сохраняется и после прекращения действия входного сигнала. И наоборот, с 25 генерации на частоте Е триггер переводится в генерацию на частоте Е подачей на систему 2 сигнала частоты Е, причем генерация с частотой Етакже остается после прекращения действия входного сигнала.С целью уменьшения входной мощности, управляющей переключением триггера,и увеличения коэффициента Объединения по входу и коэффициента35 разветвления по выходу вводится несколько дополнительных секций системы взаимодействия, предшествующих сек" при, обладающей гистерезисной зависимостью частоты от напряжения. Подача входного сигнала на эти секции за счет предварительной модуляции элект- Ронного пучка уменьшает мощность :сигнала, управляющего переключением тРиггеРа, а также РасшиРяет функцио нальные возможности схемы.Для того, чтобы иметь возможность изменять положение петли гистерезиса на частотной характеристике устройст,ва, необходимо управлять фазой сигна ла в цепи обратной связи. Для достижения этой цели в цепь обратной связи может вводиться фазовращатель 6.П Р и м е Р . При рабочем токе 4,55.мА, большем стартового тока, Равного 3,05 мА, изменяя потенциал на замедляющей системе от 20 до 100 В, .находят зоны гистерезиса на частотной характеристике прибора. Измеряют.час 446тоты перескока с одной области генерации Е3425 МГц на другую область генерации Е3470 МГц, инаоборот, частотомером ЧЗ. Вольтметром В 7-16 А фиксируют напряжения55,37 В и 55,54 В, при которых происходят перескоки частоты. Затем устанавливают фиксированное значение напряжения 55,45 В,соответствующее центрузоны гистерезиса: 55137 В55145 В( 55,54 В. Подавая на вход триггерасигнал частоты Е3425 МГц или Е2= 3470 МГц с генератора Г 4-9 . пере 3водят его с одной частоты генерациина другую. Генерация на частоте переключения сохраняется и после прекращения действия входного сигнала.Использование для переключениятриггера только электромагнитногоизлучения приводит к значительномуповышению быстродействия, как засчет увеличения скорости распространения самого сигнала, так и за счет отказа от использования коротких видеоимпульсов, поскольку с укорочениемдлительности импульса (менее 1 нс)начинают сильно сказываться "параэитные" емкости и индуктивности соединений (монтажа). Применение широкополосной системы взаимодействия с электромагнитной волной открывает большиевозможности для увеличения разрядности операндов, используемых приобработке и хранении информации в запоминающем устройстве, сумматоре ит.д., в которых может быть примененпредлагаемый триггер.Оценка времени установления колебаний на основе линейной теории показывает, что при С=0,1 и И5 (С " па"раметр усиления, К - длина пространства взаимодействия в электронныхдлинах волн) оно составляет 15-40 пе" риодов колебанийТаким образом, например, дри частотах 1500 Ггц, на которых могутработать системы с распределенньмвзаимодействием, время установления колебаний будет составлять 10-26 пс.: Возможное быстродействие оценивается в 37-100 млрд, операций в сек. Здесь следует обратить внимание на воэможность дальнейшего снижения времени установления колебаний в миниатюрных низковольтных вакуумных приборах, использующих короткие системы с распре деленньи взаимодействием с аномальной дисперсией. Время установления коле1148544 Тип элемента Минимальновозможноевремя переключения, пс Полевые транзисторына СаАв 30 Биполярные транзисторына СаАв (ГСБТ) Джозефсоновские устройства при.4 К 20 3-5 ЬгРиг,8 едактор М.Ленина Техред А,Кравчук Корректор И.Самборска Заказ 3127 Тираж 466ВЙИИПИ Государственного комитета по изо ткрытия113035, Москва, Ж, Р д. 4/5 Подписное бретениям и о аушская наб.,ГКНТ СССР ФПроизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужго л, Гагарина, 101 баний в таких системах с Я-+1 может достигать нескольких периодов колеба" ний и быстродействие на указанных частотах соответственно повышается.Время переключения различных элементов сведено в таблицу. Возможное быстродействие предлагаемого триггера (20-26 пс, а с использованием коротких структур - несколько пс) оказывается одного порядка с максимально возможным быстродействием наиболее перспективных образцов, полупроводниковых устройств при сохранении преимуществ вакуумных электронных приборов. Созданный сверхвысокочастотный триггер, переключаемый электромагнитной волной, может стать перспективным элементом для дальнейшего развития быстродействующей вычислительной техники и оказаться полезным при создании специализированных процессоров (в рамках многопроцессорных систем), в которых перечисленные достоинства вакуумных приборов будут иметь решающее значение.