Сверхвысокочастотный триггер и способ управления его рабочей частотой
i. Сверхвысокочастотный триггер, содержащий систему взаимодействия электромагнитного излучения с электронным потоком, устройства ввода и вьшода электромагнитного излучения и источника питания, подключенный к системе взаимодействия, о т л и чающийс я тем, что, с целью повышения быстродейст вия при расширении диапазона частот, система взаимодействия содержит широкополосную периодическую замедляющую систему с аномальной дисперсией, ввод и вывод которой соелинен посредством направленных ответвителей с цепью положительной обратной связи, величина коэффициента г обратной связи определена из следующего выражения: л. г Л , + 1 iYij.: vo ч.,. YO 1&оп - 1+4 3 г электронного где V - скорость потока; групповая скорость элект1 ромагнитной волны; скорость света; электрическая длина цепи АОП обратной связи; 1 - длина системы взаимодействия . 2.Триггер ПОП.1, отличающийся тем, что система взаимое действия выполнена из отдельных сек;ций . (Л 3.Триггер по пп.1,2, о т л ичающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей , источник питания системы взаимодействия выполнен в виде источника ступенчатого напряжения . 4: 4.Способ управления рабочей 00 частотой сверхвысокочастотного сд триггера по п.1, включающий его : переключение из одного состояния в другое путем подачи электромагнитного излучения на вход прибора, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия при расширении диапазона частот и функциональных возмояиостей , на системе взаимодействия устанавливают напряжения, соответствующие центральной части гистерезисных зависимостей частот колебаний от напряжения а переключение триггера осуществляют подачей на вход
СОЮЗ COBETCHHX
Wl
РЕСПУБЛИК
А1
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
l v l к v<
l F1
7 чо 1Аon
1+4 — — — "с 1
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
IlO ИЗОВРЕ П:НИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР (21) 3626433/24-21 . (22) 13. 07. 83 (46) 23.07.91. Бюл. У 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 (088 ° 8) ° (56) Авторское свидетельство СССР
Р 660260, кл. Н 03 К 19/10, 1977.
Авторское свидетельство СССР
Р 477461, кл. С 11 С 1t/38, 1973.
Баранцева О.Д. "Синтез оптималь,ных схем на СВЧ-элементах: для быстродействующих 3ВМ "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 шийся 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 направ-. ленных ответвителей с цепью aoaioma:тельной обратной связи, величина коэффициента rK обратной связи определена из следующего выражения:
„„SU„;, 1148544 (5)) Н 03 К 19/06, Н 01 1 25/34 где ч — скорость электронного ь потока;
v — групповая скорость электромагнитной волны; с — скорость света;
1 — электрическая длина цепи
on обратной связи;
1 — длина системы взаимодействия.
2. Триггер по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что система взаимодействия выполнена из отдельных секций.
3. Триггер по пп.1,2, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, источник питания системы взаимодействия выполнен в виде источника ступенчатого напряжения °
4. Способ управления рабочей частотой сверхвысокочастотного триггера по п.1, включающий его переключение из одного состояния в другое путем подачи электромагнитного излучения на вход прибора, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия при расширении дианазона частот и функциональных возможностей, на системе взаимодействия устанавливают напряжения, соответствующие центральной части гистерезисных зависимостей частот колебаний от напряжения, а переключение триггера осуществляют подачей на вход
1148544 ветствующей требуемому переключаемо-, му состоянию.
Быстродействие схем различньгс узлов ЭВИ определяется, главным образом, временем переключения их бистабильных элементов (триггеров) из одного;устойчивого состояния в другое.
Цель изобретения — повышение быст- 15 родействия СВЧ-триггера при расшире.нии диапазона частот.
На фиг.1 изображена схема предла гаемого устройства; на фиг.2 - частотная характеристика устройства с 20
° устойчивыми дискретными областями генерации; на фиг.3 указаны значе" ния напряжения ступенек, соответст— вующие напряжению центра петли гистерезиса каждой области колебаний. . 25
Здесь .электронно-оптическая систе ма 1, система 2 взаимодействия,коллектор 3, направленные ответвители 4 и 5, фазовращатель 6 и источник 7 ступенчатого напряжения, подключенный З0 к системе взаимодействия. Направленные ответвители 4 и 5 соединены ценью положительной обратной связи.
: При определенной величине обратной связи может наступать разрыв час.тотной характеристики и возникать явление электронного гистерезиса.
Крутизна частотной характеристики определяется формулой
df f 1
1+ 1+2 (1+ — — )
vq lvy1 1 о ЗФо
)v ) а ), о
М 2Ч где ч
3 ч групповая скорость электро- 45 магнитной волны; скорость электронного . потока; скорость света; длина системы взаимодействия; электрическая длина цепи обратной связи,oripeделяемая из соотношения
55 с
Aoe системы взаимодействия электромагнитного излучения с частотой, соот1
Г fy fz — 21 — — — — — )-1 у
2(fq- f<) L v, v г где f) Е2 чр V частоты и ско(ра рости, соответствующие:,максимумам стартового тока в пределах зоны колебаний.
Скачок частоты будет иметь место для таких коэффициентов обратной
df связи когда - †-=оо
Э д Ф ч
Распределенные потери в системе взаимодействия уменьшают влияние обратной связи на работу устройства. ,Например, затухание до 2 дБ мало сказывается на работе устройства, а затухание в 9 дБ практически сводит к нулю влияние .обратной связи. С другой стороны, наличие пространственного заряда, напротив, приводит к большему влиянию обратной связи на работу устройства. Пространственный заряд оказывает малое влияние, когда О с
weal
Р 2 15(Я - "— — ))
P где w - плазменная частота электронного потока;
1 — длина пространства взаимодействия; ч — скорость электронов.
Большой пространственный заряд приводит к увеличению флуктуаций кривой, df а следовательно, и к разрывам й17 в частотной характеристике и возможности появления гистерезиса при мень ших коэффициентах обратной связи по сравнению со случаем отсутствия пространственного заряда (Î = О).
Как раз в указанных областях разрыва частотной характеристики и появления гистерезиса и возможно су= ществование двух устойчивых состояний генерации с частотами, например, Е1и f, соответствующими двум дискретным областям генерации при выбранном и фиксированном значении напряжения на системе v (фиг.2).
Число таких дискретных областей колебаний, в диапазоне перестройки устрой ства который обыкновенно равен окта1 ве, может достигать нескольких де» сятков, что определяется длиной цепи обратной связи 1д р. Переход от одФ
11485
5 ной области колебаний к другой осуществляется подачей на систему взаимодействия ступенчатого напряжения от источника питания 7 (фиг.1).
Значение напряжения ступенек соот5 ветствует напряжению центра петли гистерезиса каждой области колебаний.
Устройство работает следующим образом.
Если установить напряжение ч е< на системе взаимодействия соответствующим напряжению центральной части петли гистерезиса v 1 Il o» o (см.фиг. 2), То подавая HB вход системы 2 взаимодействия сигналы частоты Е» или f< можно переводить триггер из одного устойчивого состояния генерации в другое. Например, если триггер работает на часто- 20 те Е„, то подача на вход триггера частоты f< переводит его в режим генерации на частоте f< а генерация сохраняется и после прекращения действия входного сигнала. И наоборот, с 25 генерации на частоте f триггер переводится в генерацию на частоте f» подачей на систему 2 сигнала частоты причем генерация с частотой f » также остается после прекращения действия входного сигнала. С целью уменьшения входной мощности, управляющей переключением триггера,и увеличения коэффициента ьбъединения по входу и коэффициента 35 разветвления по выходу вводится не-. сколько дополнительных секций системы взаимодействия, предшествующих секпИи, обладающей гистерезисной зави симостью частоты от напряжения. Пода- -40 ча входного сигнала на эти секции sa :счет предварительной модуляции элект-< ронного пучка уменьшает мощность :сигнала, управляющего переключением триггера à также РасшиРяет функцио- 45 нальные возможности схемы. Для того, чтобы иметь возможность изменять положение петли гистерезиса на частотной характеристике устройст.ва, необходимо управлять фазой сигна- 50 ла в цепи обратной связи. Для достижения этой цели в цепь обратной связи может вводиться фазовращатель 6. Пример . При рабочем токе 4,55.мА, большем стартового тока, рав-55 ного 3 05 мА, изменяя потенциал на замедляющей системе от 20 до 100 В, находят зоны гистерезиса на частотной характеристике прибора. Измеряют.час44 6 тоты перескока с одной области генерации f 3425 ИГц на другую область генерации f< 3470 МГц, и наоборот, частотомером ЧЗ-46. Вольтметром В7-16А фиксируют напряжения 55,37 В и 55,54 В, при которых происходят перескоки частоты. Затем устанавливают фиксированное значение напряжения 55,45 В,соответствующее центру . зоны гистерезиса: 55137B < 55 45В (55,54В. Подавая на вход триггера сигнал частоты Е» 3425 МГц или f = 3470 ИГц с генератора Г4-9 . переЭ водят его с одной частоты генерации на другую. Генерация на частоте переключения сохраняется и после прекращения действия входного сигнала. Использование для переключения триггера только электромагнитного излучения приводит к значительному, повышению быстродействия, как за счет увеличения скорости распространения самого сигнала, так и за счет отказа от использования коротких видеоимпульсов, поскольку с укорочением длительности импульса (менее 1 нс) начинают сильно сказываться "параэитные" емкости и индуктивности соединений (монтажа). Применение широкополосной системы взаимодействия с электромагнитной волной открывает большие возможности для увеличения разрядности операндов, используемых при обработке и хранении информации в запоминающем устройстве, сумматоре и т.д., в которых может быть применен предлагаемый триггер. Оценка времени установления колебаний на основе линейной теории показывает, что при C=0,1 и N 5:(С - па раиетр усиления, К вЂ” длина пространства взаимодействия в электронных длинах волн) оно составляет 15-40 пе риодов колебаний. Таким образом, например, при частотах 1500 Ггц, на которых могут работать системы с распределенньм взаимодействием, 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- деленньм взаимодействием с аномальной дисперсией. Время установления коле1148544 баний в таких системах с Й- 1 может достигать нескольких периодов колебаний 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. Тип элемента Минимально возможное 10 время переключения, пс Полевые транзисторы на СаАв! Биполярные транзисторы на СаАв (ГСБТ) 5-10 Джозефсоновские устройства при.4К 3-5 РИЕ.1 у VN Риг.8 Vo4 фд 02 v« Фсlз.3Корректор И.Самборская Редактор М.Ленина Техред А.Кравчук Заказ 3127 Тираж 46б Подписное BHHHHH Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5,> Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101
