Двоичный счетчик

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик) М, Кл,Н 03 К 23/16 Государственный комитет СССР но делам изобретений и открытиИ. ръОпытно-конструкторское бюро специального физческаро:приборостроения при Воронежском политехничеси Воронежский политехнический институт(54 ) ДВОИЧНЫЙ СЧЕТЧИК Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в быстродействующих пересчетных устройствах.Известны счетные устройства на основе симметричных логических схем на двух туннельных диодах, содержащие повторители и инверторы 1).Недостаток данных устройств - сложность.Известен также двоичный счетчик, содержащий триггер на двух туннельных диодах, параллельно которому включена резистивная цепочка, нагрузочный резистор, входной конденсатор и катушку индуктивности (2).Недостаток известного устройства- относительно невысокое быстродействие, огракиченное постоянной времени, определяемой сосредоточенной индуктивностью и резисторами схемы.Цель изобретения - повышение быстродействия..Поставленная цель достигается тем, .что в двоичный счетчик, содержащий первый и второй туннельные диоды в последовательном согласном включении и -первый резистор, первый вывод которого подключен ко входной шине, а второй - к аноду первого туннельного диода, который через второй и третий резйсторы в последовательном включении соединен с катодом второго туннельного диода, дополнительно введены четыре туннельных диода и резисторы, причем третий и четвертый, а также пятый и шестой туннельные диоды включены согласно и последовательно, аноды третьего и пятого туннельных диодов соответственно через четвертый и пятый резисторы под. ключены ко входной шине, а катоды четвертого и шестого туннельных диодов соответственно через шестой и седьмой резисторы - к общей шине, к которой через восьмой резистор подключен катод второго туннельного диода, общая точка третьего и четвертого туннельных диодов через девятый резистор соединена с обшей точкой первого и второго туннельных диодов и через десятый резистор - с общей точкой пятого и шестого туннельных диодов, общей точкой второго и третьего резисторов и выходной шиной.На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема двоичного счетчика; на фиг. 2 - вольтампер ная характеристика (ВХ) туннельныхдиодов двоичного счетчика (по горизонтальной оси отложено напряжение, повертикальной - ток); на фиг, 3 - 7ВАХ двух последовательно соединенных тики в точках 32-34,На фиг. 5 - показан режим работы 10 счетчика после переключения первогосимметричного триггера, причем точ" ка пересечения нагруэочной характе 15 20 2 туннельных диодов и опрокинутые БАХ нагрузочных резисторов симметричных триггеров, входящих в состав двоичного счетчика для различных значений входного напряжения; на фиг.8 - временные диаграммы работы счетчика в характерных точках:а) - напряжение на входе;б) - напряжение в средней точкепервого симметричного диод- ного триггера;в) - напряжение в средней точкевторого симметричного диод- ного триггера;г) - напряжение в средней точкетретьего симметричного диодного триггера - на выходе двоичного счетчика.Предлагаемый двоичный счетчик содержит туннельные диоды 1 и 2 в последовательном согласном включении и ре."истор 3, первый вывод которого подключен ко входной шине 4, а второй - к аноду туннельного диода 1, который через резисторы 5 и 6 в последовательном включении соединен с катодом туннельного диода 2, а также четыре туннельных диода и резисторы, причем туннельные диоды 7 и 8,а также туннельные диоды 9 и 10 включены согласно и последовательно,аноды туннельных диодов 7 и 9 соответственно через резисторы 11 и 12подключены ко входной шине 4, а ихкатоды соответственно через резисторы 13 и 14 - к общей шине 15, к которой через резистор 16 подключен катод туннельного диода 2, общая точка туннельных диодов 7 и 8 через резистор 17 соединена с общей точкой туннельных диодов 1 и 2 и через резистор 18 - с общей точкой туннельных диодов 9 и 10, общей точкой резисторов 5 и 6 и выходной шиной 19.В составе двоичного счетчика можно выделить первый симметричный диодный триггер на туннельных диодах 1 и 2, второй симметричный диодный триггер на туннельных диодах 7 и 8 и третий симметричный диодный триггер на туннельных диодах 9 и 10.ВАХ двух туннельных диодов имеют общий восходящий туннельный участок20 и диффузионные участки 21-1 и 21 отличающиеся величиной напряжения.На фиг. 3 показана ВАХ двух туннельных диодов и опрокинутые нагрузочные характеристики 22-24 первого третьего симметричных триггеров на диодах 1 и 2,7 и 8,9 и 10 соответственно, а также точки 5-27 пересечения этих нагрузочных характеристикс ВАХ туннельных диодов при входномнапряжении 28. 25 30 35 40 45 50 60 65 На фиг. 4 показана ВАХ симметричных диодных триггеров при токах, близких к пиковому, причем токи диодов 1 и 2 соответственно обозначены точками 29 и 30 соответственно, а нагрузочные характеристики 22-.24 при входном напряжении 31 пересекают диффузионный участок 21-1 характерисристики 24 с диффузионным участком21-2 ВАХ диода обозначена 35, а токи туннельных диодов 7 и 8 обозначены соответственно 36 и 37.На фиг. 6 показан режим работы счетчика после переключения второго симметричного триггера, когда токи 38 и. 39 диодов 9 и 10 близки к пико- ному, а на фиг. 7 - режим после переключения третьего триггера,На фиг. 8 изображены временные диаграммы работы счетчика при воэдействии двух входных импульсов(трапецеидальная форма дана для наглядности работы на фронтах, точкимоменты времени сменысостояний триггеров счетчика).При описании работы двоичногосчетчика приняты следующие допущения: все туннельные диоды однотипныи имеют идентичные характеристики иэлектрическая связь между триггерами выбрана минимальной, достаточнойдля надежного переключения триггеровс учетом ассиметрии.Устройство работает следующим образом,При подаче на вход триггера некоторого входного напряжения 28, соответствующего логическому уровню0, первый симметричный диодныйтриггер на туннельных диодах 1 и 2имет только одно устойчивое состояние, при котором рабочие точки диодов 1 и 2 находятся на восходящемтуннельном отрезке ВАХ (фиг. 3, точка 25 пересечения отрезка 20 с прямой22). Этот режим обеспечивается подбором номиналов нагрузочных резисторов 3 и 16 и резисторов 5 и 6.Второй симметричный диодный триггер на туннельных диодах 7 и 8 принапряжении на входе Ботакже имееттолько одно устойчивое состояние,при котором рабочие точки диодов 7и 8 находятся на восходящем туннельном отрезке ВАХ,(фиг. 3, точка 26пересечения отрезка 20 с прямой 23) .Номиналы нагрузочных резисторов 11и 13 выбираются таким образом, чтобыток, протекающий через диоды 7 и 8,был несколько меньшим, чем ток, протекающий через диоды 1 и 2 (фиг. 3),Третий симметричный диодный триггер на туннельных диодах 9 и )О за9.1 1 7 4 1счет подбора номиналов н а гру зочйых реходит на диффузионный участок ВАХ,резисторов 12 и 14 при напряжении В первый симметричный диодный триг"на входе О имеет два устойчивых гер записывается информация 0.состояния, при которых рабочая точка На фиг. 8 этому моменту соответствуодного из диодов находится на вос- ет точка 1, Состояние двоичногоходящем туннельном отрезке ВАХ, а 5 счетчика, в которое он переходитдругого - на диффузионном (фиг, 3, после переключения первого симметричточка 27 пересечения характеристик ного диодного триггера, показано21-1 с прямой 24). на Фиг. 5.Как показано на фиг, 3 отрезок . Иэ фиг. 5 видно, что рабочие точ 20 соответствует ВАХ цепочки диодов 1 О: ки первого симметричного диодногов момент, когда оба диода находятся триггера (нагрузочная прямая 22) ина восходящем туннельном отрезке ВАХ. третьего (нагруэочная прямая 24)Отрезок 21-1 соответствует ВАХ це- пересекаются с ветвью 21-1 ВАХ.почки диодов в момент, когда один Второй триггер (нагрузочная прямая из них находится на туннельном, а (5 28) сохраняет устойчивое состояние, другой - на диффузионном восходящем при котором оба туннельных диода 7отрезке ВАХ. Отрезок 21"2 соответ- и 8 находятся на туннельной восходяствует ВАХ цепочки диодов в момент щей ветви ВАХ. Потенциал в среднейкогда оба диода находятся на восхо- точке первого симметричного диоднодящей диффузионной ветви. участок го триггера ниже, чем в той же точ- ВАХ цепочки из двух последователь- ке второго, а у третьего вьме.20но соединенных диодов, на которых Номинал резистора 17 выбирается дифференциальное сопротивление отри- меньше, чем резистора 18, за счет цательно, не показаны. Отрезки 20, чего ток диода 7 больше тока диода 8.21-1,21-2 ВАХ цепочки из двух тун- На Фиг, 5 значения токов диодов 7 нельных диодов построены аналитичес и 8 показаны точками 36 и 37 соотким способом путем суммирования зна- ветственно. В данном режиме разница чений напряжения в точках ВАХ отдель- токов диодов 7 и 8 выбирается исхоного туннельного диода, изображенной дя иэ величины допустимого разброса на фиг. 2. параметра пикового тока, ка., ужеПусть в начальный момент времени З 0 описывалось выше для диодов 1 и 2, рабочая точка диода 9 находится на При дальнейшем увеличении входного восходящем туннельном отрезке ВАХ, напряжения диод 7 переходит с тун" а диода 12 - на диффузионном, т.е. нельной ветви ВАХ на диффузионную, на диоде 9 малое падение напряже- и во втором триггере записывается ния, а на диоде 10 большое. Это 35 информация фф 0, На фиг. 8 этому сосоответствует единичному состоянию ответствует момент времени третьего симметричного триггера. На фиг. ь после переключения втоЗа счет инвертирующей связи через рого триггера рабочие точки всех резисторы 5 и 6 первого симметрично- триггеров находятся на ветви 21-1, го триггера с третьим и неинверти О т,е. триггеры имеют устойчивое сорующей связи через резистор 17 пер- стояние, при котором напряжение иа вого триггера со вторым ток диода 1- одном из диодов значительно больше, больше тока диода 2 на некоторую чем на другом. Как видно на Фиг. 6величину. токи диодов 9 и 10 близки к пиковоРассмотрим процессы, происходящие (5 му значению тока. При дальнейшем в двоичном счетчике при увеличении увеличении входного напряжения ток входного напряжения. диода 9 превышает значение пикового,На Фиг, 4 изображены ВАХ симметрич- и диод 11, переходит на диффузионную ных диодных триггеров и опрокинутые ветвь ВАХ. Информация в третьем триг- ВАХ нагрузочных резисторов при та- гере стирается. На фиг. 8 этому соком значении входного напряжения 31, ответствует момент времени С. Попри котором токи 29 и 30 диодов 1 ложевие опрокинутых ВАХ симметричных и 2 близки к пиковому, Разница токов диодных триггеров для этого момента 29 и 30 диодов 1 и 2 в укаэанном ре- .времени показано на фиг,7, Иэ фиг.7 и жиме зависит от величины электричес видно,что после момента времени й кой связи между симметричными триг информация в третьем симметричном герами, она выбирается большей, .чем триггере отсутствует(оба диода наховеличина области допустимого разб- дятся в одинаковом состояник),а в роса параметра пикового тока приме- первом и втором триггерах информация няемых туннельных диодов, ориентиро- является инверсной относительйо первочно составляющая 10. бО воначальной в третьем триггере.Как видно из фиг. 4 при дальней- При понижении входного напряжешем увеличении входного напряжения ния процессы в двоичном счетчике первым превысит значение пикового протекают таким образом. ток туннельного диода 1. При этом ра- ри достижении некоторого значебочая точка туннельного диода 1 пе ния входного напряжения рабочие точ 9 11741ки обоих диодов 9 и 10 находятся на диффузионной ветви БАХ вблизи участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (фиг. 5 точка 35). Потенциал средней точки второго симметричного триггера ниже, чем средней точки третьего. Ток диода 9 больше тока диода 10 на величину тока через резистор 18 и, следовательно, падение напряжения на диоде 9 больше, чем на: диоде 10. На фиг. 7 разница токов и напряжений на диоцах 9 и 10 условно не показана. В данном случае величина тока связи между третьим и вторым триггерами, текущего через резистор 18, выбирается путем подбора величины резистоРа.большей, чем область допустимого разброса минимального тока, при котором рабочая точка туннельного диода находится на диффузионной ветви ВАХ с положительным значением дифференциального сопротивления.При дальнейшем уменьшении входного напряжения диод 10 переходитна туннельную ветвь ВАХ с отрицательным сопротивлением и затем переключается в состояние с низким падением напряжения. На фиг. 8 этому соответствует момент времени 14. Положение опрокинутых ВАХ нагрузочных резисторов для этого состояния показано на фиг. 4. Рабочие точки всех трех симметричных диодных триггеров находятся на Ветви 21-1 ВАХ симметричного триггера (точки 32-34) . Информация, которая записана в третий симметричный диодный триггер, соответствует информации в первом и втором триггерах и инверсна относительно первоначвльной до момента времени 1. При дальнейшем уменьшении входного напряжения токи, текущие через симметричные диодные триггеры, уменьшаются и оба триггера (второй и первый) переходят в первоначальное состояние, при котором диоды в этих триггерах находятся на туннельных восходящих ветвях ВАХ, как показано на фиг. 3. На фиг. 8 этим процессам соответствуют моменты времени 5 и С 6 соответственно, причем порядокперехода первого и второго триггеров в первоначальное состояние значения не имеет.Таким образом, после прохождения на входе двоичного счетчика одного импульса состояние счетчика меняется на противоположное, т.е. осуществляется двоичный пересчет. При подаче на вход счетчика второго импульса схема работает аналогичным образрм, так как она полностью симметрична. На фиг. 8 показано изменение напряжений в средних точках симметричных диодных триггеров, происходящее и при подаче второго импульса на вход двоичного счетчика. Последовательность переключения триггеров такаяже, как и при первом импульсе, нознак изменения напряжений обратныйВ предлагаемом двоичном счетчикемогут быть использованы в разных 5 симметричных диодных триггерах туннельные диоды с различными значениями напряжения диффузиозного отрезка ВАХ. Это позволяет изменять диапазон допустимых значений амплитуд10 входных сигналов и увеличить помехозащищенность схемы,Двоичный счетчик обладает высоким быстродействием за счет отсутствия реактивных элементов. Входные импульсы могут иметь любую форму и скважность, а частота их можетлежать в пределах от йдо О, чтопозволяет значительно расширитьфункциональные возможности двоично О го счетчика. Предлагаемое устройство может быть реализовано в интегральном исполнении, что позволитулучшить габаритно-весовые показатели аппаратуры, содержащей сверхбыстродействующую логику.Формула изобретенияДвоичный счетчик, содержащий первый и второй туннельные диоды в последовательном согласном включении ипервый резистор, первый вывод которого подключен ко входной шине, авторой - к аноду первого туннельного диода, который через второй итретий резисторы в последовательномвключении соединен с катодом второго 35 диода, отличающий с я тем,что, с целью повыдения быстродействия, в него дополнительно введены четыре туннельных диода и резисторы, причем третий и четвертый, а также4 О пятый и шестой туннельные диоды включены согласно и последовательно,аноды третьего и пятого туннельныхдиодов соответственно через четвертый и пятый резисторы подключены 45 ко входной шине, а катоды четвертого и шестого туннельных диодов соответственно через шестой и седьмойрезисторы - к общей шине, к которойчерез восьмой резистор подключенкатод второго туннельного диода,общая точка третьего и четвертоготуннельных диодов через девятый резистор соединена с общей точкойпервого и второго туннельных диодови через десятый резистор - с общейточкой пятого и шестого туннельныхдиодов, общей точкой второго и третьего резисторов и выходной шиной,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе60 1. Вуль В.А., Трайто Б.Г.,Яковлев В.В. Логические и запоминающие схемы наносекундного диапазона,1970, с. 532. Чжоу В.Ф. Принципы построения65 схем на туннельных диодах. 1966, с. 350.