7. Логические элементы с туннельными диодами
В последнее время создан новый полупроводниковый прибор - туннельный диод. Благодаря простоте конструкции, большому быстродействию и своеобразию вольтамперной характеристики туннельные диоды получают все большее применение в усилителях, электронных генераторах и логических элементах.
Статическая вольтамперная характеристика туннельного диода (прямая ветвь) показана на рис. 2.43. Обратная ветвь характеристики туннельного диода (зависимость тока, проходящего через диод, от обратного напряжения, приложенного к диоду) обычно не используется в логических элементах. Причем в отличие от обычных полупроводниковых диодов сопротивление туннельного диода при приложении к нему обратного напряжения очень мало.
Рис. 2.43. Вольтамперная характеристика туннельного диода
Прямая ветвь характеристики туннельного диода (рис. 2.43) может быть разбита на три характерных участка.
Первый участок начинается в начале координат и заканчивается в точке А. На этом участке статическое сопротивление диода, равное отношению напряжения на диоде к его току, остается примерно постоянным и только к концу участка начинает немного возрастать (рис. 2.44). Динамическое сопротивление диода, которое определяется соотношением
на первом участке также вначале постоянно (рис. 2.45), но в конце участка резко возрастает, уходя в бесконечность.
Рис. 2.44. Сопротивление туннельного диода
Рис. 2.45. Динамическое сопротивление туннельного диода
Второй участок кривой туннельного диода (рис. 2.43) характеризуется уменьшением тока диода от imax (точка А) до imin (точка В). На этом участке статическое сопротивление диода (рис. 2.44) возрастает, а динамическое сопротивление (рис. 2.45) становится отрицательным.
На третьем участке характеристики диода (рис. 2.43) ток резко возрастает при увеличении напряжения, приложенного к диоду. Статическое сопротивление здесь (рис. 2.44) достигает максимума и начинает уменьшаться, а динамическое сопротивление (рис. 2.45) вновь становится положительным.
На рис. 2.43 была показана статическая характеристика туннельного диода, получающаяся при очень медленном изменении напряжения. Если же напряжение на диоде изменять достаточно быстро, то можно определить динамическую вольтамперную характеристику диода. Она отличается от статической потому, что на нее оказывает влияние емкость диода. Наряду с этим динамическая характеристика туннельного диода имеет примерно тот же вид, что и статическая характеристика, показанная на рис. 2.43.
При математическом анализе цепей, в которых работает туннельный диод, для упрощения расчетов часто используют идеализированную вольтамперную характеристику туннельного диода. Эта характеристика показана на рис. 2.46.
Рис. 2.46. Идеализированная характеристика туннельного диода
В электрических цепях туннельный диод изображается обычным для полупроводниковых диодов значком (рис. 2.47), обведенным кружком.
Рис. 2.47. Схематическое изображение диода
Рассмотрим теперь характеристики простейшей цепи (рис. 2.48), состоящей из последовательно включенных туннельного диода и сопротивления (цепи "диод-сопротивление").
Рис. 2.48. Последовательное включение диода и сопротивления (цепь 'диод-сопротивление')
Токи, проходящие через диод и сопротивление, всегда равны. Поэтому, складывая при одних и тех же значениях токов напряжение на диоде (uд) с напряжением на сопротивлении (uR), легко определить напряжение на входе цепи (uсм). Это напряжение обычно называют напряжением смещения.
Построенная таким образом характеристика цепи "диод-сопротивление", представляющая собой зависимость i = f(uсм), показана на рис. 2.49 прерывистой линией. Здесь же сплошными линиями показаны вольтамперные характеристики диода (uд) и сопротивления (uR).
Рис. 2.49. Метод построения характеристики цепи 'диод-сопротивление'
Как следует из вольтамперной характеристики цепи, вначале при возрастании напряжения смещения (uсм) ток в цепи также увеличивается и достигает максимального значения (imax). Но далее, после точки А1, характеристика диода поворачивает в сторону уменьшения напряжения смещения. Однако величина напряжения смещения не зависит от тока цепи. Поэтому при увеличении напряжения в точке А1 произойдет скачкообразное уменьшение тока до значения, определяемого точкой В1. Далее (при увеличении uсм) ток в цепи вновь увеличивается. При уменьшении напряжения смещения в точке В2 происходит второй скачок тока, но на этот раз в сторону его увеличения.
Таким образом, ветвь А1В2 является неустойчивой, и вольт-амперная характеристика цепи "диод-сопротивление" имеет вид, показанный на рис. 2.50. Ветви А1В1 и В2А2 показывают скачки токов цепи, происходящие при напряжении смещения, равном uсм1 и uсм2.
Рис. 2.50. Реальная характеристика цепи 'диод-сопротивление'
Ранее (рис. 2.49) по вольтамперным характеристикам диода и сопротивления была найдена характеристика цепи "диод-сопротивление". Таким же образом можно решить и обратную задачу: по характеристикам цепи и сопротивления найти характеристику туннельного диода, работающего в цепи "диод-сопротивление". Задаваясь рядом значений тока и определяя напряжение на диоде по напряжению смещения (рис. 2.50) и падению напряжения на сопротивлении (рис. 2.49) получаем кривую, показанную на рис. 2.51:
Рис. 2.51. Вольтамперная характеристика туннельного диода, работающего в цепи 'диод-сопротивление'
Как следует из этой характеристики, при увеличении напряжения на диоде в точке С1 происходит скачкообразное изменение параметров диода. В результате этого напряжение на диоде скачком увеличивается с uд1 до uд2, а ток уменьшается с iC1 до iC2. При уменьшении напряжения на диоде скачок происходит в точке D2. При этом ток возрастает с iD2 до iD1, а напряжение на диоде падает с uд3 до uд4.
Следует отметить, что в цепи "диод-сопротивление" при изменении напряжения смещения не всегда происходит скачкообразное изменение параметров цепи (токов и напряжений). При небольших значениях сопротивления (R) может оказаться, что ветвь A1B2 (рис. 2.49) не имеет изгиба в сторону меньших значений напряжения uсм. В этом случае при увеличении uсм все время происходит плавное (без скачков) изменение тока.
Количество и месторасположение устойчивых точек вольт-амперной характеристики диода, работающего (при заданном uсм) в цепи "диод-сопротивление", может быть определено двумя путями.
Первый путь заключается в том, что по известным характеристикам диода и сопротивления строится (рис. 2.50) вольт-амперная характеристика цепи "диод-сопротивление". Затем по этой характеристике для заданных величин напряжения смещения (uсм) определяется количество устойчивых точек цепи и токи в этих точках.
Так, например, если напряжение на входе цепи равно uсмК (рис. 2.50), то цепь имеет две устойчивые точки (К1 и К2), токи в которых соответственно равны iK и imin. При этом ток равен iK, если перед этим напряжение uсм, возрастая, достигло значения uсмК. Если же напряжение uсм получено после уменьшения uсм, то ток будет равен imin. Если же напряжение смещения равно uсмE, то имеется только одна устойчивая точка цепи и ток равен iE, независимо от того, как перед этим изменялось напряжение uсм. После того как определено количество устойчивых точек и токи в этих точках, можно определить устойчивые точки вольт-амперной характеристики диода (рис. 2.51), работающего в цепи "диод-сопротивление". Поскольку ток цепи равен току диода, то по токам цепи (в устойчивых точках) можно определить и устойчивые точки характеристики диода. Так, например, если токи в устойчивых точках равны (рис. 2.50) iК и imin, то (рис. 2.51) устойчивыми точками вольтамперной характеристики диода являются точки Е1 и Е2.
Второй метод определения устойчивых точек вольтамперной характеристики диода является более простым. Он основан на следующем.
Как следует из рис. 2.48, напряжение на диоде при заданном значении напряжения смещения (uсм) определяется равенством
С другой стороны (рис. 2.43), зависимость напряжения на диоде от тока i задана графически:
Таким образом, напряжение uд может быть определено двумя зависимостями. Поэтому точки пересечения прямой uд = uсм1 - Ri (при заданном значении uсм1) с кривой uд = f(i) и являются рабочими точками.
Следовательно, рабочие точки вольтамперной характеристики диода определяются следующим образом. Строим (рис. 2.52) вольтамперную характеристику диода. На оси абсцисс откладываем заданное значение напряжения смещения (uсм1). Затем под углом α = arc ctg R через точку i = 0; u = uсм1 проводим прямую линию. Получаем характеристику uд = uсм1 - Ri. Эта характеристика пересекает характеристику диода в точках A, В и С. Как было показано ранее, точка B, поскольку она расположена на второй части характеристики диода, является неустойчивой. Точки A и С в противоположность этому - устойчивы. Зная их, можно легко определить соответствующие им токи и напряжения диода.
Рис. 2.52. Характеристики цепи 'диод-сопротивление' с двумя устойчивыми состояниями
Таким образом, диод устойчиво работает в точках A и С. Перевести диод из одного устойчивого состояния в другое можно следующим образом. Предположим, что диод работает в точке A. Прибавим к напряжению смещения (uсм1) напряжение Δu1. Тогда характеристика uд = uсм1 + Ri сместится параллельно самой себе вправо и рабочей окажется одна-единственная точка С1. Если теперь снять напряжение Δu1, то рабочими смогут стать точки A и С. Но поскольку при этом происходит уменьшение напряжения диода, то состояние диода характеризует точка С. При уменьшении напряжения смещения на Δu2 рабочей становится точка А1, а после отключения Δu2 - точка A.
При уменьшении величины сопротивления, включенного в цепь "диод-сопротивление" (от R до R1), может оказаться (рис. 2.53), что вольтамперная характеристика диода имеет только одну устойчивую точку (в данном случае А).
Рис. 2.53. Характеристики с одним устойчивым состоянием
Возможность получения скачкообразного перехода туннельного диода из одного состояния в другое позволяет создать на его основе ряд электронных логических элементов. Эти элементы отличаются простотой схемы и высокой скоростью срабатывания (по скорости переключения туннельные диоды превосходят даже вакуумные лампы).
Рассмотрим, как при помощи туннельных диодов можно создать различные электронные логические элементы.
Прежде всего остановимся на схеме, показанной на рис. 2.54. Напряжение смещения в этой схеме (uсм1) и сопротивление R выбираются так, чтобы туннельный диод работал примерно в точке А (рис. 2.52), непосредственно возле точки максимального тока. Еще лучше было бы так подобрать параметры uсм1 и R, чтобы диод имел максимальный ток. Однако при такой настройке схемы любое случайное увеличение напряжения смещения может привести к ложному срабатыванию схемы.
Рис. 2.54. Схема переключателя на туннельном диоде
Сопротивления R1 и R2 выбираются таким образом, чтобы напряжение на сопротивлении R2 было равно напряжению на диоде (uА, рис. 2.52). Тогда напряжение на выходе схемы при наличии напряжения смещения (uсм1) равно нулю.
Подадим на вход А такое напряжение, чтобы напряжение на туннельном диоде стало равным uс. Тогда в соответствии с характеристикой туннельного диода (рис. 2.52) его ток скачком уменьшается с iA до iC. После отключения напряжения на входе А диод D запирается и ток туннельного диода остается равным iC, а напряжение - uС. Следовательно, при включении напряжения на вход А появляется напряжение и на выходе схемы (С). Причем напряжение на выходе остается и после отключения напряжения на входе. Напряжение на выходе может быть снято только отключением напряжения смещения (кнопка K), ибо при возрастании uсм (после отключения) туннельный диод вновь окажется в точке А (рис. 2.52).
Таким образом, схема, показанная на рис. 2.54, является аналогом реле с самозахватом.
Снятие напряжения с выхода схемы может быть осуществлено не только нажатием кнопки (К), но и подачей напряжения на вход В. Для возвращения туннельного диода в первоначальное состояние напряжение на сопротивлении R (рис. 2.52) должно быть равно uсм1 - uА, так как в этом случае напряжение на диоде будет равным uА и рабочей станет точка А. После снятия сигнала В туннельный диод останется в точке A, и единица (сигнал) на выходе вновь не появится.
Таким образом, при наличии двух входов (А и В) схема рис. 2.54 аналогична схеме триггера, выполненного на четырех логических элементах (рис. 2.25).
Другой возможностью создания на основе туннельных диодов логических элементов является так называемая "сдвоенная цепь" (рис. 2.55), в которой имеется два последовательно включенных диода и два одинаковых по величине напряжения смещения (uсм).
Рис. 2.55. Сдвоенная цепь
Примем, что в сдвоенной цепи установлены совершенно одинаковые диоды, вольтамперная характеристика которых показана на рис. 2.43. Очевидно, что, имея характеристики диодов, можно построить и вольтамперные характеристики всех элементов сдвоенной цепи.
Обычно сопротивление R во много раз больше сопротивления диодов. Поэтому током (iR), проходящим через это сопротивление, можно пренебречь по сравнению с токами диодов (i1 и i2) и принять, что iR = 0, а i1 = i2.
Благодаря этому вольтамперная характеристика сдвоенной цепи может быть построена суммированием напряжений диодов при одних и тех же значениях их токов:
где uд1, uд2 - напряжения на первом и втором диодах при заданном значении тока;
2 uсм - напряжение смещения при том же значении тока.
Следует иметь в виду, что при токах imax > i > imin каждый диод в соответствии с его вольтамперной характеристикой (рис. 2.43) может иметь три различных значения напряжения. Поэтому при этих значениях тока можно складывать напряжения следующих ветвей характеристик: 1-1, 1-2, 1-3, 2-2, 2-3, 3-3. Иначе говоря, если в диапазоне imax > i > imin при заданном токе диода напряжение на нем может иметь три величины, то каждому значению тока сдвоенной цепи соответствует шесть напряжений смещения. В случае, когда i < imin или i > imax, каждому значению тока соответствует только одно напряжение на диоде. Поэтому и в сдвоенной цепи в данном случае ток однозначно определяет величину напряжения смещения.
Общий вид вольтамперной характеристики сдвоенной цепи показан на рис. 2.56. Как указывалось выше, эта характеристика при токах imax > i > imin имеет шесть ветвей. Причем пять из этих ветвей (1-1, 1-2, 1-3, 2-3 и 3-3) являются устойчивыми, а шестая (2-2) - неустойчивой. Рассмотрим это явление подробнее.
Рис. 2.56. Вольтамперные характеристики двух последовательно включенных туннельных диодов
Для сдвоенной цепи (рис. 2.55) можно записать следующие зависимости:
(2.36)
(2.37)
(2.38)Предположим, что оба диода работают на второй части своих вольтамперных характеристик. В этом случае, поскольку через оба диода проходит один и тот же ток, напряжения на диодах равны между собой и напряжение на сопротивлении R равно нулю, а ток в нем (iR) отсутствует. Однако, если в результате какого-либо случайного изменения параметров туннельных диодов или величины напряжения uсм ток появится, то произойдет следующее.
При появлении тока (iR) напряжение на первом диоде уменьшится (ур. 2.36), а на втором - увеличится (ур. 2.37). Поскольку каждый диод работает на второй части характеристики (рис. 2.43), то уменьшение напряжения на первом диоде приведет к увеличению тока i1, а увеличение напряжения на втором диоде - к уменьшению тока i2. С другой стороны, увеличение i1 и уменьшение i2 приведет (ур. 2.38) к увеличению появившегося тока iR. В свою очередь, увеличение тока iR еще в большей степени уменьшит напряжение на первом диоде и увеличит его на втором диоде... Получится лавинообразный процесс, в результате которого сдвоенная цепь перейдет с ветви 2-2 на какую-либо другую устойчивую ветвь (1-2, 1-3 или 2-3).
Рассмотрим одну из точек вольтамперной характеристики сдвоенной цепи (рис. 2.56). Предположим, что к сдвоенной цепи приложены два напряжения смещения, сумма которых равна u2. Поскольку ветвь 2-2 является неустойчивой, то схема будет устойчиво находиться в точке Р.
Ранее было показано, что точка Р, ток в которой равен imin, получена сложением напряжений двух диодов при i = imin (рис. 2.43), причем один из диодов в этом случае находится в точке В, а другой - в точке С вольтамперной характеристики туннельного диода. Следовательно, в случае, когда на сдвоенную цепь подано напряжение u2, напряжение на одном из диодов равно uВ (рис. 2.43), а на другом - uС. Присвоим напряжению uВ наименование "единица", а напряжению uС - "нуль".
Поскольку характеристики диодов одинаковы, то при подаче на сдвоенную цепь напряжения u2 каждый из диодов будет иметь одинаковую вероятность наличия напряжения uВ. То же самое можно сказать и о напряжении uС. Однако, если диод получил какое-либо из этих напряжений, то оно останется без изменения любое длительное время.
Благодаря рассмотренному свойству на основе сдвоенной цепи можно создать ряд логических элементов.
Так, например, на рис. 2.57 показана схема триггера, созданного на основе сдвоенной цепи. Эта схема выполняет те же логические операции, что и схема, показанная на рис. 2.25. При подаче сигнала на вход А на выходе (С) записывается единица. Как следует из рис. 2.57, в этом случае напряжение на втором диоде становится равным uВ (рис. 2.43), а на первом - uС. Единица на выходе остается и после снятия сигнала со входа А. Если теперь подать напряжение на вход B, то напряжение на втором диоде резко уменьшается, а на первом - возрастает. Это привело бы к изменению полярности выходного сигнала. Но поскольку в схеме имеется диод (D), напряжение на выходе будет равно нулю.
Рис. 2.57. Принципиальная схема триггера на туннельных диодах
При помощи сдвоенной цепи можно также сделать бесконтактный переключатель с самозахватом. Схема такого переключателя показана на рис. 2.58. Если на вход этого переключателя (А) подать напряжение, то на выходе С появится единица (напряжение uВ, рис. 2.43), а на выходе В - нуль (напряжение uС). При нажатии кнопки (К) напряжение на втором диоде резко уменьшается, а на первом - возрастает. Благодаря этому единица переходит с выхода С на выход В. При повторном включении напряжения на вход А единица вновь возвращается на выход С. В смысле выполнения логических операций эта схема аналогична схемам, показанным на рис. 2.40.
Рис. 2.58. Схема бесконтактного переключателя
Следует отметить, что при первоначальном включении на схему рис. 2.58 напряжений смещения (uсм) нельзя сказать, на каком из выходов схемы имеется единица, на каком - нуль. Для устранения этой многозначности необходимо нажать кнопку К. После этого единица будет на выходе В, а нуль - на выходе С.
При помощи туннельного диода можно создать очень простую схему (рис. 2.59) одноразрядного двоичного сумматора на три числа (два складываемых числа и перенос с низшего разряда).
Рис. 2.59. Схема одноразрядного сумматора, выполненного на туннельном диоде
Работает эта схема следующим образом. Величина сопротивлений R и r подбирается так, чтобы напряжение на туннельном диоде при подаче напряжения только на один из входов схемы (А, В или С) было равно uдF (рис. 2.60). В этом случае диод работает в точке F своей вольтамперной характеристики и через него проходит ток ib.
Рис. 2.60. Рабочие точки характеристики туннельного диода
При включении на вход схемы двух одинаковых напряжений (на два каких-либо входа) напряжение на диоде увеличивается и его работа переходит в точку G. В этом случае ток диода достигает минимума (ia).
Если же подать напряжение на все три входа схемы, то напряжение на диоде возрастает еще в большей степени, а ток диода вновь достигает ib (точка H).
Предположим, что токи на выходах схемы (D и Е) настолько малы, что ими можно пренебречь. Тогда ток, проходящий по сопротивлению r, равен току диода (iд). Поэтому напряжение на сопротивлении r равно
Следовательно, при r = const напряжение на выходе Е пропорционально току туннельного диода (iд). Если теперь напряжение ibr принять за единицу, а iar - за нуль, то единица на выходе Е появится тогда (рис. 2.60), когда будет подано напряжение на один или три входа схемы. Поэтому, как следует из схемы, показанной на рис. 2.12, появление единицы на выходе Е является сигналом суммы (результат).
Примем, что напряжение uдF является сигналом нуля, а напряжения uдG и uдH - сигналом единицы. Тогда единица на выходе D появится в том случае, если на входы схемы подано два или три напряжения. Следовательно (рис. 2.12), единица на выходе D является сигналом переноса в более высокий разряд.
Рассчитаем сопротивления R и r. Для схемы сумматора (рис. 2.59) можно записать следующие уравнения:
(2.39)
(2.40)
(2.41)где u - величина напряжения, подаваемого на один или несколько входов схемы;
i1, uдF - ток и напряжение туннельного диода при подаче напряжения (u) на один из входов схемы;
i2, uдG - то же при подаче напряжении (u) на два каких-либо входа;
i3, uдH - то же при включении напряжений (и) на все три входа.
Учитывая, что в точках F и Н (рис. 2.60) токи равны
из уравнений (2.39) и (2.41) получаем
(2.42)Поэтому, выбрав на вольтамперной характеристике туннельного диода (рис. 2.60) напряжения uдF и uдH, можно определить величину сопротивления R.
Подставив значение R (ур. 2.42) в уравнение (2.40) и учитывая, что i2 = ia, записываем:
(2.43)Задаваясь параметрами u, uдG и ia, по уравнению (2.43) можно определить неизвестную величину сопротивления r.
На основе сдвоенной цепи могут быть созданы также и простейшие логические элементы типа "И", "ИЛИ" и "НЕ". Однако они получаются относительно сложными и применяются тогда, когда необходима очень высокая скорость обработки сигнала.
При использовании материалов сайта активной гиперссылки обязательна:
http://rateli.ru/ 'Радиотехника'