Двоичный счетчик

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик 9» ... ф

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 240380 (21) 2896626/18-21 (51) М. КЛ. с присоединением заявки ¹â€” (23) ПриоритетН 03 К 23/16

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621. 374 (088. 8) Опубликовано 070382, Бюллетень № 9

Дата опубликования описания 070382

A.ß. Гаршин, М.Н. Гаршина и A.Â. Грибанов

1 1

Опытно-конструкторское бюро специального физ@ческ4Го. приборостроения при Воронежском политехничес и Воронежский политехнический институт (72) Авторы изобретения (71) Заявители (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 f,2).

Недостаток известного устройстваотносительно невысокое быстродействие, огракиченное постоянной времени, определяемой сосредоточенной индуктивностью и резисторами схемы.

Цель 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 резйсторы 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 туннельных диодов соответственно через четвертый и пятый резисторы под.ключены 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 тун нельных диодов, общей точкой второго и третьего резисторов и выходной шиной.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема двоичного счетчика; на фиг. 2 — вольтамперЗО ная характерис:сика (ВАХ) туннельных

9! !741 диодов двоичного счетчика (по горизонталь ной оси отложено напряжение, по вертикальной — ток); на фиг. 3 — 7

BAX двух последовательно соединенных тики в точках 32-34.

На фиг. 5 — показан режим работы

10 счетчика после переключения первого

I симметричного триггера, причем точ" ка пересечения нагруэочной характе15

255

Р туннельных диодов и опрокинутые BAX 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; r) - напряжение в средней точке третьего симметричного диодного триггера — на выходе двоичного счетчика.

Предлагаемый двоичный счетчик содержит туннельные диоды 1 и 2 в последовательном согласном включении и ре."истор 3, первый вывод которого подключен ко входной шине 4, а второй — к аноду туннельного диода 1, который через резисторы 5 и 6 в последовательном включении соединен с катодом туннельного диода 2, а также четыре туннельных диода и резисторы, причем туннельные диоды 7 и 8, а также туннельные диоды 9 и 10 включены 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 резисторы 13 и 14 — к общей шине 15, к которой через резистор 16 подключен катод туннельного диода 2, общая точка туннельных диодов 7 и 8 через резистор 17 соединена с общей точкой 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 можно выделить первый симметричный диодный триггер на туннельных ди8дах

1 и 2, второй симметричный диодный триггер на туннельных диодах 7 и 8 и третий симметричный диодный триггер на туннельных диодах 9 и 10.

BAX двух туннельных диодов имеют общий восходящий туннельный участок

20 и диффузионные участки 21-1 и 21отличающиеся величиной напряжения.

На фиг. 3 показана ВАХ двух туннельных диодов и опрокинутые нагрузочные характеристики 22-24 первого третьего симметричных триггеров на диодах 1 и 2,7 и 8,9 и 10 соответственно, а также точки ?5-27 пересечения этих нагрузочных характеристик с BAX тjjHHE .льных диодов IlpH входном напряжении 28.

На фиг. 4 показана BAX 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 характерисристики 24 с диффузионным участком

21-2 BAX диода обозначена 35, а токи туннельных диодов 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 пиконому, а на фиг. 7 — режим после переключения третьего триггера.

На фиг. 8 изображены временные диаграммы работы счетчика при воэдействии двух входных импульсов (трапецеидальная форма дана для наглядности работы на фронтах, точки 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 0, 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 BAX (фиг. 3, точка 25 пересечения отрезка 20 с прямой

22). Этот режим обеспечивается подбором номиналов нагрузочных резисторов 3 и 16 и резисторов 5 и б.

Второй симметричный диодный триггер на туннельных диодах 7 и 8 при напряжении на входе U<также имеет только одно устойчивое состояние, при котором рабочие точки диодов 7 и 8 находятся на восходящем туннельном отрезке BAX (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, был несколько меньшим, чем ток, протекающий через диоды 1 и 2 (фиг. 3).

Третий симметричный диодный три гер на туннельных диодах 9 и 10 за

9.1 1 7 4 1 счет подбора номиналов н а гру зочйых реходит на диффузионный участок BAX . резисторов 12 и 14 при напряжении В первый симметричный диодный триг" на входе U> имеет два устойчивых гер записывается информация 0 . состояния, при которых рабочая точка На фиг. 8 этому моменту соответствуодного из диодов находится на вос- ет точка t<. Сотояние двоичного ходящем туннельном отрезке BAX а 5 счетчика, в которое он переходит другого - на диффузионном (фиг. 3, после переключения первого симметричточка 27 пересечения характеристик ного диодного триггера, показано

21-1 с прямой 24) . на фиг. 5.

Как показано на фиг. 3 отрезок - Иэ фиг. 5 видно, что рабочие точ20 соответствует BAX цепочки диодов !О: ки первого симметричного диодного в момент, когда оба диода находятся триггера (нагрузочная прямая 22) и на восходящем туннельном отрезке ВАХ. третьего (нагруэочная прямая 24)

Отрезок 21-1 соответствует ВАХ це- пересекаются с ветвью 21-1 BAX. почки диодов в момент, когда один Второй триггер (нагрузочная прямая из них находится на туннельном, а (g 28) сохраняет устойчивое состояние, другой - на диффузионном восходящем при котором оба туннельных диода 7 отрезке BAX. Отрезок 21-2 соответ- и 8 находятся на туннельной восходяствует BAX цепочки диодов в момент„ щей ветви BAX. Потенциал в средней когда оба диода находятся на восхо- точке первого симметричного диоднодящей диффузионной ветви. участок го триггера ниже, чем в той же точBAX цепочки из двух последователь- ке второго, а у третьего вьме.

20 но соединенных диодов, на которых Номинал резистора 17 выбирается дифференциальное сопротивление отри- меньше, чем резистора 18, за счет цательно, не показаны. Отрезки 20, чего ток диода 7 больше тока диода 8.

21-1,21-2 BAX цепочки из двух тун- На фиг. 5 значения токов диодов 7 нельных диодов построены аналитичес- 25 и 8 показаны точками 36 и 37 соотким способом путем суммирования зна- ветственно. В данном режиме разница чений напряжения в точках ВАХ отдель- токов диодов 7 и 8 выбирается исхоного туннельного диода, изображенной дя иэ величины допустимого разброса на фиг. 2. параметра пикового тока, ка.. уже

Пусть в начальный момент времени 30 описывалось выше для диодов 1 и 2, рабочая точка диода 9 находится на При дальнейшем увеличении входного восходящем туннельном отрезке ВАХ, напряжения диод 7 переходит с тун" а диода 12 — на диффузионном, т.е. нельной ветви ВАХ на диффузионную, на диоде 9 малое падение напряже- и во втором триггере записывается ния, а на диоде 10 большое. Это 35 информация 0 . На фиг. 8 этому сосоответствует единичному состоянию ответствует момент времени третьего симметричного триггера. На фиг. 6 после переключения вто3а счет инвертирующей связи через рого триггера рабочие точки всех резисторы 5 и 6 первого симметрично- триггеров находятся на ветви 21-1, го триггера с третьим и неинверти- 4О т.е. триггеры имеют устойчивое сорующей связи через резистор 17 пер- стояние, при котором напряжение иа вого триггера со вторым ток диода 1- одном из диодов значительно больше, больше тока диода 2 на некоторую чем на другом. Как видно на фиг. 6 величину. токи диодов 9 и 10 близки к пиковоРассмотрим процессы, происходящне 5 му значению тока. При дальнейшем в двоичном счетчике при увеличении увеличении входного напряжения ток входного напряжения. диода 9 превышает значение пикового, На фиг. 4 изображены BAX симметрич- и диод 11. переходит на диффузионную ных диодных триггеров и опрокинутые ветвь BAX Информация в третьем тригBAX нагрузочных резисторов при та- гере стирается. На фиг. 8 этому соком значении входного напряжения 31, . ответствует момент времени tg. Попри котором токи 29 и 30 диодов 1 *ложение опрокинутых BAX симметричных и 2 близки к пиковому. Разница токов диодных триггеров для этого момента

29 и 30 диодов 1 и 2 в укаэанном ре- . времени показано на фиг.7, Иэ фиг.7 и жиме зависит от величины электричес- 8 видно,что после момента времени ty кой связи между симметричными триг- 55 информация в третьем симметричном герами, она выбирается большей, .чем триггере отсутствует(оба диода наховеличина области допустимого разб- дятся в одинаковом состояни .),а в роса параметра пикового тока приме- первом и втором триггерах информация няемых туннельных диодов, ориентиро- является инверсной относительйо первочно составляющая 10%. 60 воначальной в третьем триггере.

Как видно из фиг. 4 при дальней- При понижении входного напряже» шем увеличении входного напряжения ния процессы в двоичном счетчике первым превысит значение пикового протекают таким образом. ток туннельного диода 1. При этом ра- При достижении некоторого значебочая точка туннельного диода 1 пе- 6g ния входного напряжения рабочие точ9 11741 ки обоих диодов 9 и 10 находятся на диффузионной ветви BAX вблизи участка с отрицательным 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 вторым триггерами, текущего через резистор 18, выбирается путем подбора величины резистоРа.большей, чем область допустимого разброса минимального тока, при котором рабочая точка туннельного диода находится на диффузионной ветви

BAX с положительным значением дифференциального 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 t . Положение опрокинутых BAX нагрузочных резисторов для этого состояния показано на фиг. 4. Рабочие точки всех трех симметричных диодных триггеров находятся на Ветви 21-1 BAX симметричного триггера (точки 32-34) . Информация, которая записана в третий симМетричный диодный триггер, соответствует информации в первом и втором триггерах и инверсна относительно первоначлльной 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 6 и соответственно, причем порядок перехода первого и второго триггеров в первоначальное состояние значения не имеет.

Таким образом, после прохождения на входе двоичного счетчика одного импульса состояние счетчика меняется на противоположное, т.е. осуществляется двоичный пересчет. При подаче на вход счетчика второго импульса схема работает аналогичным образрм, 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 BAX. Это позволяет изменять диапазон допустимых значений амплитуд

10 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 и „„ до О, что позволяет значительно расширить функциональные возможности двоично20 го счетчика. Предлагаемое устройство может быть реализовано в интегральном исполнении, что позволит улучшить габаритно-весовые показатели аппаратуры, содержащей сверх25 быстродействующую 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

35 диода, отличающий с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него 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 туннельных диодов соответственно через четвертый и пятый резисторы подключены

45 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 H второго туннельных диодов и через десятый резистор — с общей точкой пятого и шестого туннельных диодов, общей точкой второго и третьего резисторов и выходной шиной.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

О0 1. Вуль В.A., Трайто Б.Г., Яковлев В.В. Логические и запоминающие схемы наносекундного диапазона.

1970, с. 53 °

2. Чжоу В.Ф. Принципы построения

65 схем на туннельных диодах. 1966, с. 350.

911741

Фж 7

1 ф ф

4М/

tz Cp

ВНИИПИ Заказ 1149/51 Тираж 954 Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä, ул.Проектная,4