Криоэлектронный преобразователь импульсов

Изобретение относится к криоэлектронике и может быть использовано для формирования прямоугольных импульсов с регулируемой скважностью. Техническим результатом изобретения является снижение стоимости и сложности устройства и его регулировки за счет использования симметричного двухвходового криотрона. Технический результат достигается за счет того, что на первую управляющую шину криотрона подается преобразуемый сигнал, на вторую - управляемое постоянное напряжение, а выходной сигнал выделяется в виде падения напряжения на вентиле и затем усиливается. Управляющий ток может увеличивать или уменьшать скважность импульсов. 4 ил.

 

Изобретение относится к криоэлектронике, в частности может быть использовано для формирования прямоугольных импульсов с регулируемой скважностью.

Известны устройства преобразования импульсов, содержащие полупроводниковые пороговые элементы: диоды, транзисторы, тиристоры и др. [1, с.265-315]. Однако при низких (азотных или гелевых) температурах работают только специальные элементы из материалов с высокой подвижностью носителей (GaAs, InAs и др.) и степенью легирования.

Наиболее близким техническим решением является преобразователь импульсов, содержащий в качестве порогового элемента транзистор, включенный особым образом [1, с.308]. Такая схема позволяет переменный (например, гармонический) сигнал преобразовать в прямоугольный. Недостатком такого устройства является ограниченная скорость переключения при низких температурах, сложность и высокая стоимость составляющих его элементов. Входная и выходная цепи гальванически связаны, что не всегда возможно. Крутизна фронта импульса и его скважность определяются элементами схемы.

Техническим результатом изобретения является снижение сложности и стоимости криоэлектронного преобразователя импульсов и способа его регулировки за счет применения двухвходового криотрона [2, с.14-15, 39] и способа его регулировки.

Технический результат достигается тем, что устройство использует симметричный двухвходовый криотрон, содержащий пленочный сверхпроводниковый вентильный элемент, расположенный между двумя симметричными проводниковыми пленочными управляющими шинами, отделенными от вентиля изолирующими пленками. Ток определенной величины I_кр, протекающий по одной или обеим шинам, создает магнитное поле, способное переключать вентиль из сверхпроводящего состояния в нормальное. Поскольку шины обладают симметрией относительно вентиля, токи в них равнорезультативны. На первую управляющую шину подают преобразуемые импульсы, на вторую шину - управляющий постоянный ток, который регулируется по величине и направлению. Вентиль включают в цепь постоянного тока. Если суммарный ток управляющих шин I_∑ достигает I_кр, вентиль из сверхпроводящего состояния переходит в нормальное и на нем появляется падение напряжения, которое сохраняется до тех пор, пока управляющий ток шин не опустится ниже I_кр. Так формируются импульсы прямоугольной формы, которые в дальнейшем могут быть усилены. Управление скважностью импульсов осуществляют, изменяя величину и направление тока второй шины I_y в соответствии с величиной тока переключения I_кр и амплитудой входных импульсов I₁. Величина тока переключения является характеристикой криотрона, зависит от его конструкции и материалов и может быть определена экспериментально. Исходя из вышесказанного, можно записать

или

В случае гармонического сигнала величина управляющего тока может быть выражена в явном виде I₁=I₁₀sinωt. Для получения прямоугольных импульсов на выходе преобразователя целесообразно включить во входную цепь выпрямитель и подать на первую шину не переменный, а пульсирующий ток (фиг.4, а). В момент времени t₁ ток I₁ достигает величины I_кр и вентиль переключается в нормальное состояние и остается в нем до момента времени T/2-t₁ (Т - период импульса), когда ток I₁ уменьшается до I_кр и вентиль переключается. Во время t=T/2-2t₁ на вентиле будет сохраняться падение напряжения ΔU_B (фиг.4, с), т.е. прямоугольный импульс, имеющий скважность S₁=Т/τ₁, где τ₁ - длительность импульса τ₁=T/2-2t₁.

Если скважность импульсов велика или переключения не происходит (I_кр>I₁, S→∞) на вторую шину подают ток I_y и суммарный ток шин I_∑ становится равным I_∑=I₁-I_y (фиг.4, в, график 2).

Если скважность импульсов недостаточна, то на вторую шину подают ток I_y противоположного направления и суммарный ток будет равен I_∑=I₁+I_y (фиг.4, в, график 3).

Соответственно на вентиле сформируются импульсы, имеющие скважность S₂ и S₃ (фиг.4, с).

Выражение (2) можно записать с учетом формы и амплитуды I₁₀ импульсов I₁:

преобразуя (3), получим выражение

Выражение (4) связывает ток управления, критический ток криотрона, амплитуду преобразуемых импульсов и скважность выходных импульсов. Это дает возможность регулировать последнюю, изменяя величину и направление управляющего тока через вторую шину криотрона. Сопоставительный анализ признаков, изложенных в техническом решении, с признаками прототипа показывает, что заявленный преобразователь отличается от прототипа тем, что в качестве порогового элемента используют двухвходовой симметричный криотрон, управление скважностью осуществляют изменяя силу и направление постоянного тока управляющей шины в соответствии с выражением (4), что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "новизна".

Сравнение заявленного технического решения с другими в данной области техники показало, что устройство, содержащее двухвходовой симметричный криотрон, на одну управляющую шину которого подаются преобразуемые импульсы, а на вторую - постоянный ток, величина и направление которого определяют скважность выходных импульсов в соответствии с (4), неизвестно. Кроме того, совокупность существенных признаков вместе с ограничительными позволяет обнаружить у заявляемого решения иные, в отличие от известных, свойства, к числу которых можно отнести следующие:

- гальваническая развязка входной и выходной цепей;

- возможность регулировки длительности фронта импульса в зависимости от времени переключения;

- возможность задания скважности импульсов в соответствии с (4);

- простота и технологичность изготовления устройства;

- простота регулировки скважности импульсов;

- отсутствие полупроводниковых приборов и связанных с этим ограничений.

Таким образом, иные в отличие от известных свойства, присущие предложенному техническому решению, доказывают наличие существенных отличий, направленных на достижение технического результата.

На фиг.1 приведена схема преобразователя импульсов, входной каскад которого включает управляющую шину 1, выпрямитель и потенциометр, управляющую шину 2, питаемую источником постоянного тока (не показан), и выходной каскад, включающий вентильный элемент 3, питаемый источником постоянного тока (не показан), ограничивающий резистор и усилитель, выделяющий выходной преобразованный сигнал. На фиг.2 изображен в плане на подложке 5 двухвходовой пленочный криотрон, управляющие шины 1 и 2 (электроды) которого отделены от вентильного элемента 3 изолирующими пленками 4. На фиг.3 этот криотрон показан в разрезе. На фиг.4 изображены временные зависимости входного тока после выпрямителя (а), суммарного тока обеих шин (в) и падения напряжения на вентильном элементе в зависимости от величины и направления управляющего тока (с).

Криотронный преобразователь импульсов реализован следующим образом. На керамическую подложку MgO (10×10×2 мм) последовательно наносились: медный электрод 1 (4×10 мм × 2 мкм); изолирующий слой 4 - MgO толщиной 2 мкм; вентильный электрод из высокотемпературного сверхпроводника Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ 10×2 мм; 2 мкм изолирующий слой 4 и медный электрод 2 (4×6 мм × 2 мкм). Устройство помещалось в криостат с жидким азотом. Криотрон (в силу своей симметричности переключался) включали в цепь (фиг.1) входного, выходного каскадов и цепь управления. На вход подавали синусоидальный сигнал сетевой частоты (Т=0,02 с; I=10 мА). Критический ток управляющих шин для перехода данного вентиля в нормальное состояние составил I_кр=5 мА. Допустим, необходимы импульсы скважностью 2. Из выражения (4) следует найти ток управления:

Ток управления имеет отрицательную величину, следовательно, он направлен встречно направлению преобразуемого тока.

Таким образом, предложенный криоэлектронный преобразователь импульсов обладает большей простотой, технологичностью (нет транзисторных элементов) и возможностью регулировки.

Источники информации

1. Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства, М.: Радио и связь, 1984. - 400 с.

2. Интегральные схемы и микроэлектронные устройства на сверхпроводниках, В.Н.Алфеев и др. - М.: Радио и связь, 1985. - 232 с.

1. Криоэлектронный преобразователь импульсов, содержащий пороговый и регулирующий элементы, отличающийся тем, что пороговый элемент представляет собой двухвходовый криотрон, который содержит пленочный вентильный элемент, на первую управляющую шину которого подают преобразуемые импульсы, а регулируют параметрами выходных импульсов, регулируя величину и направление тока через вторую шину.

2. Криоэлектронный преобразователь импульсов по п.1, отличающийся тем, что пленочный вентильный элемент криотрона расположен между двумя симметричными проводниковыми пленочными управляющими шинами, отделенными от него изолирующими пленками.

3. Криоэлектронный преобразователь импульсов по п.1, отличающийся тем, что в случае гармонического входного сигнала скважность выходных импульсов S задают с помощью соотношения:

I_у=I_кр-I₁₀cosπ/S,

где I_y - ток шины управления; (возможный знак «-» показывает, что необходимо изменить направление тока);

I₁₀ - амплитуда преобразуемого тока;

I_кр - суммарный ток управляющих шин, переключающий вентиль (характеристика криотрона).