Сверхвысокочастотный триггер и способ управления его рабочей частотой Советский патент 1991 года по МПК H03K19/06 H01J25/34 

системы взаимодействия электромагнитного излучения с частотой, соответствующей требуемому переключаемому состоянию.

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

Быстродействие схем различных узлов ЭВМ определяется, главным образом, временем переключения их бистабИльных элементов (триггеров) из одного ;УСТОЙЧИВОГО состояния в другое. Цепь изобретения - повышение быс родействия СВЧ-триггера при расшире нии диапазона частот. На фиг.1 изображена схема предла гаемого устройства; на фиг.2 - частотная характеристика устройства с устойчивьми дискретными областями генерации; на фиг.3 указаны значения напряжения ступенек, соответст вующие напряжению центра петли гист резиса каждой области колебаний. Здесь .электронно-оптическая сист ма 1, система 2 взаимодействия,коллектор 3, направленные ответвители и 5, фазовращатель 6 и источник 7 ступенчатого напряжения, подключенн к системе взаимодействия. Направлен ные ответвители 4 и 5 соединены Цепью положительной обратной связи При определенной величине обратной связи может наступать разрыв час:тотной характеристики и возникать явление электронного гистерезиса. Крутизна частотной характеристики ределяется формулой df f 1 Г2 где VQ групповая скорость электр магнитной волны; V скорость электронного . потока; с - скорость света; 1 - длина системы взаимодействия;-li - электрическая длина цеАОпи обратной связи,определяемая из соотношения 21-----)2(f,- f) I v, частоты и скорости, соответствующие максимумам стартового тока в пределах зоны колебаний. Скачок частоты будет иметь место для таких коэффициентов обратной связи, когда сю . 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 0р$ 2,15() где Wn - плазменная частота электронного потока; длина пространства взаимодействия;скорость электронов. Большой пространственный заряд приводит к увеличению флуктуации кривойi df -j- , а следовательно, и к разрывам в частотной характеристике и возможности появления гистерезиса при мень- ших коэффициентах обратной связи по сравнению со случаем отсутствия пространственного заряда (0п 0). Как раз в указанных областях разрыва частотной характеристики и появления гистерезиса и возможно су ществование двух устойчивых состоя- ; НИИ генерации с частотами, например, ,и соответствующими двум дискретным областям генерации при выбраннсФ и фиксированном значении напряжения на системе v (фиг.2). Число таких дискретных областей коле баний, в диапазоне перестройки устройства который обыкновенно равен октаве, может достигать нескольких десятков, что определяется длиной цепи обратной связи 1доп Переход от одной области крлебаний к другой осуществляется подачей на систему взаимодействия ступенчатого напряжения от источника питания 7 (фиг.1). Значение напряжения ступенек соответствует напряжению центра петли гистерезиса каждой области колебаний Устройство работает следующим образом. Если установить напряжение v на системе взаимодействия соответствующим напряжению центральной части петли гистерезиса с (см.фиг.2), то, подавая на вход системы 2 взаимодействия сигналы частоты f или fg, можно переводить триггер из одного устойчивого состояния генерации в другое. Например, если триггер работает на часто.те f, то подача на вход триггера частоты f. переводит его в режим ген рации на частоте f а генерация сох раняется и после прекращения действия входного сигнала. И наоборот, с генерации на частоте f триггер пере водится в генерацию на частоте f, подачей на систему 2 сигнала частоты f, причем генерация с частотой f также остается после прекращения действия входного сигнала. С целью уменьшения входной мощности, управляющей переключением триггера,и увеличения коэффициента объединения по входу и коэффициента разветвления по выходу вводится несколько дополнительных секций системы взаимодействия, предшествующих се ции, обладающей гистерезисной зависимостью частоты от напряжения. Пода ча 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 хара1ктеристике устройст ва, необходимо управлять фазой сигна ла в цепи обратной связи. Для достих ния этой цели в цепь обратной связи может вводиться фазовращатель 6. Пример . При рабочем токе 4,55. мА, большем стартового тока, pa ного 3,05 мА, изменяя потенциал на замедляющей системе от 20 до 100 В, находят зоны гистерезиса ва частотао характеристике прибора. Измеряют час 1 46 тоты перескока с одной области генерации f 3425 МГц на другую об ласть генерации f 3470 МГц, и | наоборот, частотомером 43-46. Вольтметром В7-16А фиксируют напряжения 55,37 В и 55,54 В, при которых происходят перескоки частоты. Затем уста-j навливают фиксированное значение напря- жения 55,45 Вэсоответствующее центру i зоны гистерезиса: 55,37В 55,45В 55,54В. Подавая на вход триггера сигнал частоты f 3425 МГц или f « 3470 МГц с генератора Г4-9, переводят 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 , повьшению быстродействия, как за счет увеличения скорости распространения самого сигнала, так и за счет отказа от использования коротких видеоимпульсов i поскольку с укорочением длительности импульса (менее 1 не) начинают сильно сказьшаться паразитные емкости и индуктивности соединеНИИ (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 применён предлагаемый триггер. Оценка времени установления колебаний на основе линейной теории показывает, что при ,1 и N 5 (С - па-раметр усиления, N - длина пространства взаю одействия в электронных длинах волн) оно составляет 15-40 периодов колебаний. Таким образом, например, рри частотах 1500 Ггц, на которых могут работать системы с распределенным взаимодействием, время установления колебаний будет составлять 10-26 пс.; Возможное быстродействие оценивается в млрд, операций в сек. Здесь следует обратить внимание на возможность дальнейшего снижения времени установления колебаний в миниатюрных низковольтных вакуумных приборах, использующюс короткие системы с распределенным взаимодействием с аномальной дисперсией Время установления колебаний в таких системах с мож достигать нескольких периодов коле ний и быстродействие на указанных тотах соответственно повышается. Время переключения различных эл ментов сведено в таблицу. Тип элемента Минимально возможное время перек чения, ПС Полевые транзисторы на GaAs Биполярные транзисторы на GaAs (ГСБТ) Джозефсоновские устройства при 4К 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 элементе 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.