Двоичный счетчик Советский патент 1982 года по МПК H03K23/16 

(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 устройстйаотносительно невысокое быстродействие, ограниченное постоянной времени, определяемой сосредоточенной индуктивностью и резисторами схемы. Цепь 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 резисторы 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

10 туннельных диодов соответственно через четвертый и пятый резисторы подключены ко входной шине, а катоды четвертого и шестого туннельных диодов соответственно через шестой и

15 седьмой резисторы - к общей шине, к которой через восьмой резистор подключен катод второго туннельного диода, общая точка третьего и четвертого туннельных диодов через девя20тый резистор соединена с общей точкой первого и второго туннельных диодов и через десятый резистор с общей точкой пятого и шестого туннельных диодов, общей точкой вто25рого и третьего резисторов и выходной шиной.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема двоичного счетчика; на фиг. 2 - вольтампер30ная характеристика (ВЛХ) туннельных диодов двоичного счетчика (по гориз тальной оси отложено напряжение, по вертикальной - ток); на фиг. 3 - 7 ВАХ двух последовательно соединенны туннельных диодов и опрокинутые ВАХ 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 точке первого симметричного диодного триггера; в)- напряжение в средней точке второго симметричного диодного триггера; т) - напряжение в средней точке третьего симметричного диодного триггера - на выходе двоичного счетчика. Предлагаемый двоичный счетчик со держит туннельные диоды 1 и 2 в последовательном согласном включении и резистор 3, первый вывод которого подключен ко входной шине 4, а второй - к аноду туннельного диода 1, который через резисторы 5 и 6 в пос ледовательном включении соединен с катодом туннельного диода 2, а такжечетыре туннельных диода и резисторы, причем туннельные диоды 7 и 8 а также туннельные диоды 9 и 10 вкл чены согласно и последовательно, аноды туннельных диодов 7 и 9- соответственно через резисторы 11 и 12 подключены ко входной шине 4, а их катоды соответственно через резисто ры 13 и 14 - к общей шине 15, к которой через резистор 16 подключен катод туннельного диода 2, общая то ка туннельных диодов 7 и 8 через резистор 17 соединена с общей точко 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 мож но вьщелить первый симметричный диодный триггер на туннельных дибдах 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 участок 20 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 си(лметричных триггеров на диодах 1и2,7и8,9и 10 соответственно, а также точки 25-27 пересе чения этих нагрузочных характеристи с ВАХ туннельннх диодов при входном напряжении 2в. 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 характеристики, в точках 32-34. На фиг. 5 - показан режим работы счетчика после переключения первого симметричного триггера, причем точка пересечения нагрузочной характеристики 24 с диффузионным участком 21-2 ВАХ диода обозначена 35, а токи туннельных иoдoв 7 и 8 обозначены соответственно 36 и 37. На фиг. б показан режим работы счетчика после переключения второго симметричного триггера, когда токи 38 и 39 диодов 9 и 10 близки к пиковому, а на фиг. 7 - режим после перекл очения третьего триггера. На фиг. 8 изображены временные диаграммы работы счетчика при воздействии двух входных импульсов (трапецеидальная форма дана для наглядности работы на фронтах, точки t t лt - моменты времени смены состояний триггеров счетчика). При описании работы двоичного счетчика приняты следующие допущения: все туннельные диоды однотипны и имеют идентичные характеристики и электрическая связь между триггерами выбрана минимальной, достаточной для надежного переключения триггеров с учетом ассиметрии. Устройство работает следующим образом. При подаче на вход триггера некоторого входного напряжения 28, соответствующего логическому уровню О, первый симметричный диодный триггер на туннельных диодах 1 и 2 имет только одно устойчивое состояние, при котором рабочие точки диодов 1 и 2 находятся на восходящем туннельном отрезке ВАХ (фиг. 3, точка 25 пересечения отрезка 20 с прямой 22). 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 при напряжении на входе UQтакже имеет только одно устойчивое состояние, при котором рабочие точки диодов 7 и 8 находятся на восходящем туннельном отрезке ВАХ, (фиг. 3, точка 26 пересечения отрезка 20 с прямой 23). Номиналы нагрузочных резисторов 11 и 13 выбираются таким образом, чтобы ток, протекающий через диоды 7 и 8, бьэт несколько меньшим, чем ток, протекающий через диоды 1 и 2 (фиг. 3). Третий симметричный диодный триггер на туннельных диодах 9 и 10 за счет подбора номиналов нагрузочных резисторов 12 и 14 при напряжении на входе Ug имеет два устойчивых состояния, при которых рабочая точ одного из диодов находится на восходящем туннельном отрезке ВАК, а другого - на диффузионном (фиг, 3, точка 27 пересечения характеристик 21-1 с прямой 24), Как показано на фиг. 3 отрезок 20 соответствует ВАХ цепочки диодо в момент, когда оба диода находятс на восходящем туннельном отрезке ВА Отрезок 21-1 соответствует ВАХ цепочки диодов в момент, когда один «из них находится на туннельном, а другой - на диффузионном восходящем отрезке ВАХ, Отрезок 21-2 соответствует ВАХ цепочки диодов в момент, когда оба диода находятся на восходящей диффузионной ветви. Участок ВАХ цепочки из двух последовательно соединенных диодов, на которчых дифференциальное сопротивление отри цательно,не показаны. Отрезки 20, 21-1,21-2 ВАХ цепочки из двух туннельных диодов построены аналитичес КИМ способом путем суммирования зна чений напряжения в точках ВАХ отдел ного туннельного диода, изображенно на фиг, 2, Пусть в начальный момент времени рабочая точка диода 9 находится на восходящем туннельном отрезке ВАХ, а диода 12 - на диффузионном, т,е, на диоде 9 малое падение напряжения, а на диоде 10 большое. Это соответствует единичному состоянию третьего симметричного триггера. За счет инвертирующей связи через резисторы 5 и 6 первого симметрично го триггера с третьим и неинвертирующей связи через резистор 17 первого триггера со вторым ток диода 1 болыие тока диода 2 на некоторую величину. Рассмотрим процессы, происходящи в двоичном счетчике при увеличении входного напряжения. На фиг, 4 изображены ВАХ симметр ных диодных триггеров и опрокинутые ВАХ нагрузочных резисторов при таком значении входного напряжения 31 при котором токи 29 и 30 диодов 1 и 2 близки к пиковому. Разница токов 29 и 30 диодов 1 и 2 в указанном режиме зависит от величины электрической связи между симметричными триггерами, она выбирается большей, чем величина области допустимого разб1зоса параметра пикового тока применяемых туннельных диодов, ориентировочно составляиичая 10%. Как видно из фиг. 4 при дальнейшем увеличении входного напряжения первым превысит значеиие пикового ток туннельного дисща 1, При этом ра бочая точка туннельного диода 1 переходит на диффузионный участок ВАХ, В первый симметричный диодный триггер записывается информация О. На фиг, 8 этому моменту соответствует точка t. Состояние двоичного счетчика, в которое он переходит после переключения первого симметричного диодного триггера, показано на фиг, 5, Из фиг, 5 видно, что рабочие точки первого симметричного диодного триггера (нагрузочная прямая 22) и третьего (нагрузочная прямая 24) пересекаются с ветвью 21-1 ВАХ, Второй триггер (нагрузочная прямая 28) сохраняет устойчивое состояние, при котором оба туннельных диода 7 и 8 находятся на туннельной восходящей ветви ВАХ, Потенциал в средней точке первого снм Аетрячного диодного триггера ниже, чем в той же точке второго, а у третьего вьаие. Номинал резистора 17 выбирается меньше, чем резистора 18, за счет чего ток диода 7 больше тока диода 8, На фИг, 5 значения токов диодов 7 и 8 показаны точками 36 и 37 соответственно, В данном режиме разница токов диодов 7 и 8 выбирается исходя из величины допустимого разброса параметра пикового тока, ка.. уже описывалось вьние для диодов 1 и 2, При дальнейшем увеличении входного напряжения диод 7 переходит с туннельной ветви ВАХ на диффузионную, и во втором триггере записывается информация , На фиг, 8 этому соответствует момент времени t г, На фиг, b после переключения второго триггера рабочие точки всех триггеров находятся на ветви 21-1, т,е, триггеры имеют устойчивое состояние, при котором напряжение на одном из диодов значительно больше, чем на другом. Как видно на фиг, 6 токи диодов 9 и 10 близки к пиковому значению тока. При дальнейшем ;увеличении входного напряжения ток диода 9 превышает значение пикового, и диод 11, переходит на диффузионную ветвь ВАХ, Информация в третьем триггере стирается. На фиг, 8 этому соответствует момент времени tij. Положение опрокинутых ВАХ сикметричных диодных триггеров для этого момента времени показано на фиг,7, Из фиг.7 и 8 видно,что после момента времени t информация в третьем симметричном триггере отсутствует(оба диода нахоятся в одинаковом состояниь),а в первом и втором триггерах информация является инверсной относительно первоначальной в третьем триггере. При понижении входного напряжеия процессы в двоичном, счетчике ротекают таким образом. При достижении некоторого значеия входного напряжения рабочие точки обоих диодов 9 и 10 находятся на диффузионной ветви ВЛХ вблизи участка с отрицател.ьным 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 вторим триггерами, текущего черезрезистор 18, выбирается путем подбора величины резисто| а.большей, чем область допустимого разброса минимального тока, при котором рабочая точка туннельного диода находится на диффузионной ветви ВАХ с положительным значением дифференцисшьного сопротивления.

При дальнейшем уменьшении входного напряжения диод 10 переходит на туннельную ветвь ВАХ с отрицательным сопротивлением и затем переключается в состояние с низким падением напряжения. На фиг. 8 этому соответствует момент времени t4. Положение опрокинутых ВАХ нагрузочных резисторов для этого состояния показано на фиг. 4. Рабочие точки всех трех симметричных диодных триггеров находятся на бетви 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 первоначальной до момента времени t. 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 t соответственно, причем порядок перехода первого и второго триггеро в первоначальное состояние значения не имеет.

Таким образом, после прохождения на входе двоичного счетчика одного импульса состояние счетчика меняетс на противоположное, т.е. осуществляется двоичный пересчет. При подаче на вход счетчика второго импульса схема работает аналогичным образом, 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 такая же, как и при первом импульсе, но знак изменения напряжений обратный.

В предлагаемом двоичном счетчике могут быть использованы в разных

симметричных диодных триггерах туннельные диоды с различными значениями напряжения диффузиозного отрезка ВАХ. Это позволяет изменять диапазон допустимых значений амплитуд

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 может лежать в пределах от до О, что позволяет значительно расширить функциональные возможности двоичного счетчика. Предлагаемое устройство может быть реализовано в интегральном исполнении, что позволит улущиить габаритно-весовые показатели аппаратуры, содержащей сверхбыстродействующую логику.

Формула изобретения 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 .резисторы в последовательном включении соединен с катодом второго

5 диода, отличающийся тем, ЧТО , с целью повышения быстродействия , в него дополнительно введены четыре туннельных диода и резисторы, причем третий и четвертый, а также

0 пятый и шестой туннельные диоды включены согласно и последовательно, аноды третьего и пятого туннельных диодов соответственно через четвертый и пятый резисторы подключены

5 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 общей точкой первого и второго туннельных диодов и через десятый резистор - с общей

точкой пятого и шестого туннельных

иодов, общей точкой вторюго и третьего резисторов и выходной шиной.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Яковлев В.В. Логические и запоминающие схемы наносекундного диапазона. 1970, с. 53.

схем на туннельных диодах. 1966 ,с. 350 .

Фмв

I I

«Л

/ / ft f If