PRINCIPLES OF TUNNEL DIODE CIRCUITS WOO F. CHOW Manager, Advanced Circuits Unit UNIVAC, Division of Sperry Rand Corporation Adjunct Professor, Graduate School, E. E. Department, Drexel Institute of Technology JOHN WILEY AND SONS, INC. NEW YORK • LONDON • SYDNEY 1964 В. Ф. Ч Ж О У ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СХЕМ НА ТУННЕЛЬНЫХ ДИОДАХ Перевод с английского Н. 3. ШВАРЦА ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» МОСКВА 1966 0УД К 621.382.2 Книга является первой попыткой систематизации обширного материала по применению туннельных диодов в радиотехнике и вычислительной технике. Она написана видным американским специалистом по полупроводниковым приборам, автором ряда известных книг по транзисторам. В ней рассмотрены физические явления, происходящие в туннельном диоде, подробно изложены вопросы усиления, генерирования и преобразования при помощи туннельных диодов, детально освещено использование туннель- ных диодов в качестве элементов вычислительных и запоминаю- щих устройств. Книга отличается широтой охвата темы, удач- ным построением, а также простотой и физичностью изложения. Книга представляет несомненный интерес для широкого круга ученых и инженеров, работающих в области радиотехники и вычислительной техники, а также для студентов старших кур- сов высших учебных заведений, готовящих инженеров и науч- ных работников в области радиотехники, вычислительной тех- ники и связи. Редакция литературы по вопросам новой техники ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ Открытие в 1958 г. японским ученым Эсаки туннельного дио- да вызвало цепную реакцию исследований как в области физики туннельных диодов, так и в области их применения в радиоэлектронике и вычислительной технике. Общее количество работ, посвященных туннельной тематике, превышает в настоя- щее время тысячу наименований. Это не вызывает удивления, поскольку уникальные свойства туннельного диода — быстро- действие, малые шумы, экономичность и простота—делают его незаменимым прибором для целого ряда применений. Тем не менее практические результаты внедрения туннельных диодов в различные радиотехнические схемы представляются в настоя- щее время более скромными по сравнению с размахом исследо- вательских работ в этом направлении. Такое положение связано с целым рядом обстоятельств, причем одной из основных причин медленного освоения туннельных диодов в схемотехнике яв- ляется недостаточное знакомство широких кругов радиоспециа- листов со специфическими особенностями этих приборов. В ос- новном эти особенности сводятся к тому, что туннельный диод является двухполюсником с двухсторонней проводимостью, активный характер которой сохраняется в исключительно широ- ком диапазоне частот. Автор книги В. Ф. Чжоу, известный американский специалист в области полупроводниковой схемотехники, сравнивает совре- менную ситуацию освоения туннельных диодов с тем положе- нием, которое сложилось через несколько лет после изобретения транзистора. Говоря словами автора, как и в случае с транзи- сторами, для полной реализации преимуществ туннельных дио- дов требуются радикально новые схемные решения. Цель книги также довольно точно сформулирована автором. Он ставил себе задачу написать монографию, которая поможет понять специ- фику туннельных диодов всем, кто заинтересован в плодотвор- ной работе в этой быстроразвивающейся области. По своему характеру предлагаемая читателю книга является учебником, систематически излагающим основные аспекты при- менения туннельных диодов. Книга предназначена в основном Предисловие к русскому изданию для специалистов по радиоэлектронике, впервые знакомящихся с туннельными диодами, однако многие ее страницы будут с интересом прочитаны и инженерами, имеющими опыт работы с такими приборами. Это можно объяснить быстрым развитием техники туннельных диодов и возрастающей специализацией, в результате которой инженер, занимающийся одним из при- менений этого прибора, не в состоянии следить за смежными областями по статьям, публикуемым в периодической литера- туре. Достоинства книги Чжоу определяются широтой охвата темы, удачным построением, простотой и физичностью изложе- ния. В книге впервые систематизирован обширный материал по применению туннельных диодов в радиоэлектронике и вычисли- тельной технике. Основные направления, по которым ведется изложение этого материала, намечены в предисловии автора, и их легко проследить по оглавлению. Отдельные места, которые, по нашему мнению, недостаточно ясны, снабжены примечания- ми в тексте; на некоторых замечаниях методического характера мы остановимся ниже. Так, введение эквивалентной шумовой про- водимости ge как характеристики теплового и дробового шумов создает, по нашему мнению, больше неудобств, чем преиму- ществ. Используемая автором шумовая проводимость ge, припи- сываемая всем шумам диода, удобна при метрике шумов, по- скольку в случае измерений фиксируются обычно обе шумовые составляющие. Однако, анализируя шумовые свойства усилите- лей при таком представлении шумов, приходится оперировать с очень громоздкими выражениями. Автор, как легко видеть, избегает этих трудностей лишь путем пренебрежения паразит- ными параметрами L, и /-s, исключая тем самым из рассмотре- ния тепловые шумы. В этом свете при анализе шумовых эквива- лентных схем удобнее иметь дело с двумя отдельными шумо- выми генераторами, один из которых характеризует дробовые шумы, а другой — тепловые. Поэтому эквивалентную шумовую проводимость ge обычно приписывают лишь дробовым шумам и полагают ее равной 2eI/kT (ge=0,02I ма при стандартной температуре 293° К), а тепловые шумы сопротивления потерь характеризуют отдельным шумовым генератором. При таком подходе анализ шумовых свойств усилителей упрощается, а ко- нечные выражения для коэффициента шума (например, в слу- чае усилителя на отражение с циркулятором [1]) становятся более наглядными. Классификация усилителей, которой придерживается автор, представляется недостаточно удачной. Поэтому усилители, отне- сенные в книге к различным типам, характеризуются в ряде случаев одинаковыми эквивалентными схемами и являются то- ждественными. Их многократное описание воспринимается как Предисловие к русскому изданию повторение. Недостаточно оправдано, по нашему мнению, стре- мление автора проанализировать работу смесителя прямым пу- тем, без использования матричного аппарата. На этом можно было бы закончить предисловие к русскому переводу. Однако нам представляется целесообразным коснуть- ся здесь тех аспектов, которые не получили в книге достаточ- ного освещения, а также привести наиболее важные данные, появившиеся после ее выхода в свет. Как уже говорилось, на- стоящая книга написана в форме учебника, и в ней отсутствуют или почти отсутствуют ссылки на те практические результаты, которые достигнуты или могут быть достигнуты в тех или иных применениях туннельных диодов. Следует отметить также, что со времени написания книги прошло более двух лет. В этой свя- зи нам представляется желательным дополнить ее хотя бы крат- ким обзором достижений последних лет, а также примерами, характеризующими современный уровень этой области техники. При этом из-за ограниченности места остановимся лишь на ра- диотехнических СВЧ применениях туннельных диодов. Уровень радиотехнических разработок определяется в первую очередь уровнем разработок туннельных диодов. В этой области происходит в настоящее время быстрый прогресс. Выпускаемые туннельные диоды перекрывают весь радиочастотный диапазон (до 2—3 см} [2—4]. Остановимся на типовых параметрах этих диодов. К первичным параметрам туннельных диодов относятся, как известно, отрицательное сопротивление —R, емкость пере- хода С, характеристические токи и напряжения в максимуме и минимуме тока !р, /„, Vp, Vv, сопротивление потерь Гз, индук- тивность вывода Ls и емкость корпуса Cir Ко вторичным пара- метрам относятся предельная и резонансная частоты, равные соответственно ^пред== 1/2л/?С//?//-,—1, fo-= l/2n/l/ZC — 1/С2/?2, коэффициент неустойчивости oc=Ls/CR2, коэффициент качества k=Ip/C и шумовая постоянная k = (0,02//?) мин ^ 0,02 (Ip/2)R. Туннельные диоды для приемно-усилительных применений изготовляются в настоящее время на основе германия и анти- монида галлия. Пиковые токи германиевых диодов редко пре- вышают 1,5—2 ма, а отрицательные сопротивления (по абсо- лютной величине) 50—80 ом. р—/г-переходы этих диодов изго- товляются обычно методом вплавления на основе германия р- типа и характеризуются пиковым напряжением 60—90 мв и на- пряжением впадины 300—450 мв. Отношение Ip/Iy у этих диодов составляет 6—12, а сопротивление потерь 1—5 ом, причем боль- шая величина потерь характерна для более высокочастотных диодов. Германиевые диоды, используемые в нижней части сантиметрового и дециметровом диапазонов, имеют емкости перехода до 2—5 пф, в то время как емкость СВЧ диодов, Предисловие к русскому изданию предназначенных для использования в 2—3 см диапазоне, не превышает 0,1—0,3 пф. Индуктивность вывода диодов табле- точной конструкции составляет 0,3—0,1 нгн, а емкость корпуса 0,1—0,35 пф. Предельная частота туннельных диодов, предназначенных для работы в различных частях спектра, составляет от 2 до 50 Ггц. Собственные частоты лучших диодов превышают предельные ча- стоты этих диодов, что значительно облегчает достижение устой- чивой работы этих приборов в реальных устройствах. Коэффи- циент качества германиевых диодов лежит в пределах от 0,5 ма1пф для низкочастотных приборов до 5—15 ма/пф для СВЧ приборов, а коэффициент неустойчивости — соответственно от 0,02 до 0,2. Шумовая постоянная германиевых диодов лежит между 1,5 и 1,3. Туннельные диоды из антимонида галлия выпускаются обыч- но с пиковыми токами 1—2 ма и отрицательным сопротивлени- ем — 60-:-30 ом. Эти диоды вследствие более узкой запрещенной зоны, чем у германия, обладают меньшими значениями харакге- ристических напряжений и более чувствительны к изменениям температуры. Пиковые напряжения таких диодов равны 35—45 мв, а напряжения впадины 200—300 мв. Предельные частоты серийных диодов из антимонида галлия достигают в настоящее время 20—25 Ггц, что позволяет использовать их в диапазоне частот до 3 см включительно. Шумовая постоянная лучших диодов из этого материала составляет 0,8—0,9. Генераторные типы туннельных диодов изготовляются пре- имущественно из арсенида галлия, хотя некоторые типы диодов с большими значениями пиковых токов изготовляются на основе германия. У приборов такого типа, предназначенных для исполь- зования в генераторах дециметрового и сантиметрового диапа- зонов, пиковый ток находится в пределах от 5 до 100 ма, отрицательное сопротивление—от—40 до —2,5ож, емкость пе- рехода—от единиц до 100 пф и сопротивление потерь не пре- вышает 2 ом. Пиковое напряжение и напряжение впадины этих диодов составляют соответственно около 120 и 600 мв, а пре- дельные частоты 2—20 Ггц. Германиевые сильноточные приборы имеют несколько более низкие значения отрицательных сопро- тивлений, а их предельные частоты достигают 15—30 Ггц. Коэффициент качества генераторных диодов достигает 5 и более. Весьма перспективной представляется разработка туннель- ных диодов плоской конструкции, изготовленных на основе планарной технологии [5]. Эти диоды отличаются от обычных туннельных диодов, изготовленных с помощью травления и обла- дающих меза-структурой, своими высокими механическими свой- Предисловие к русскому изданию ствами. Переход к планарной технологии может существенно улучшить эксплуатационную надежность диодов и расширить диапазон их использования. Планарная технология кажется особенно перспективной для туннельных диодов СВЧ диапазона, поскольку переходы, изготовленные методом травления, имеют диаметр мезы (шейки), не превышающий нескольких микронов, что значительно ограничивает их механическую и термическую устойчивость. По данным, приведенным в работе [5], планарные диоды фирмы «Сильвания» способны противостоять температур- ным циклам до 100°С и отличаются более низкими значениями сопротивления потерь, чем диоды с меза-структурой. Работы последних лет по усилителям на туннельных диодах развивались в основном в направлении увеличения их широко- полосности и повышения их устойчивости. При этом основное внимание уделялось усилителям отражающего типа с циркуля- тором. Балансные усилители в силу ряда причин имеют значи- тельно меньшее распространение, а усилители с бегущей волной представляют собой, по крайней мере в настоящее время, лишь теоретический интерес. Методы определения оптимального произведения коэффици- ента усиления на полосу пропускания Yy^f и синтеза много- контурных усилителей рассматривались многими исследовате- лями. Для подобных усилителей, имеющих структуру много- звенных фильтров, возможно значительное увеличение Yy&.f. Из работ последних лет, посвященных этому вопросу, следует отметить работы [6, 7]. В первой из них табулируются пара- метры низкочастотных прототипов фильтров, характеризуемых заданными значениями коэффициента усиления, и его неравно- мерности для двух-, трех- и четырехзвенных согласующих четы- рехполюсников. В работе приведены также пересчетные соотно- шения для преобразования низкочастотных прототипов в поло- совые пропускающие фильтры и обсуждаются ограничения ши- рокополосности, связанные с наклоном частотной характери- стики туннельного диода. В работе [7] фундаментальные ограничения произведения УуЛ^ определяются в соответствии с методом широкополосного согласования произвольных импедансов. В этой работе, так же как и в более ранних, учитывается то обстоятельство, что коэффициент отражения pi от пассивной нагрузки связан с коэффициентом отражения р от активной на- грузки (с тем же модулем) простым соотношением \(>/\=}|p. Используя чебышевскую аппроксимацию низкочастотного филь- тра, авторы получают в виде кривых зависимости между усиле- нием, неравномерностью усиления и полосой пропускания для 10 Предисловие к русскому изданию оптимальных усилителей с различным числом звеньев полосового фильтра. Под оптимальным усилителем при этом понимается усилитель, обладающий наибольшей при данном числе звеньев полосой пропускания. Здесь же показано, что значительное уменьшение неравномерности амплитудной и фазовой характе- ристик оптимального усилителя может быть достигнуто ценой незначительного сужения полосы пропускания. Необходимо отметить, что в обоих указанных исследованиях расчет выпол- нен для согласующих устройств с сосредоточенными параме- трами. В работе [8] низкочастотный прототип после его трансформа- ции в полосовой фильтр преобразуется в систему с распреде- ленными постоянными. Там же представлен прямой метод син- теза двухконтурной системы с распределенными параметрами (минуя этап аппроксимации с помощью низкочастотных прото- типов). Автор описывает два усилителя, один из которых уси- ливает в полосе от 2 до 3 Ггц, а другой — в полосе от 3 до 4 Ггц с коэффициентом усиления 11 дб, разработанных в соответствии с упомянутым выше расчетом. Система, состоявшая из двух таких усилителей, соединенных с помощью циркулятора и филь- тра, пропускающего низкие, частоты, обеспечивала усиление в полосе частот от 2 до 4 Ггц. Стремление обеспечить устойчивую работу усилителей на туннельных диодах в реальных условиях радиотехнических устройств привело к широкому распространению схем стабили- зации. Принцип построения таких схем основан на подавлении активных свойств туннельного диода за пределами рабочего диапазона частот. Вопросы использования в усилителях на тун- нельных диодах стабилизирующих цепей рассматривались во многих работах [8—II]. Следует отметить, что применение в усилителях зарубежных фирм весьма высококачественных диодов, собственная часто- та которых находится выше предельной, облегчает задачу ста- билизации усилителей. Это объясняется тем, что такие диоды не возбуждаются при коротком замыкании на своих клеммах. Последнее обстоятельство делает возможным использование для стабилизации нагруженного на пассивную нагрузку загра- ждающего фильтра, проводимость которого превышает модуль отрицательной проводимости диода, и включение такого фильтра параллельно диоду и источнику сигнала. Пример по- добной стабилизирующей цепи описан в работе [9]. Пассивная нагрузка в этой цепи включена на расстоянии, равном четверти рабочей длины волны от диода, а на расстоянии, равном одной восьмой длины волны от пассивной нагрузки, включен элемент с емкостной проводимостью. При соответствующем выборе ха- Предисловие h русскому изданию 11 рактеристических сопротивлений линии, стабилизирующей цепи и элементов, шунтирующих эти линии, такая цепь обеспечивает крутой спад характеристики фильтра за пределами полосы за- граждения. Отметим попутно, что в этой работе акцентируется неэффек- тивность использования упомянутой схемы в случае исполь- зования диодов, собственная частота которых лежит ниже пре- дельной, и пересчитанные проводимости поэтому в десятки раз превышают модуль отрицательной проводимости туннельного диода. В цитируемой работе используется диод D5061 с предельной частотой 30 Ггц, отрицательным сопротивлением 65 ом, сопро- тивлением потерь rs==7 ом, индуктивностью вывода Ls=0,l нгн и емкостью перехода Ср=0,2пф. Собственная (резонансная) ча- стота этого диода превышает 30 Ггц. В ряде работ описано использование в качестве заграждающих фильтров простых четвертьволновых шлейфов [II]. Улучшение шумовых свойств усилителей было достигнуто путем улучшения параметров германиевых туннельных диодов и в результате разработки диодов из антимонида галлия. Работа [12] посвящена исследованию шумовых свойств дио- дов, изготовленных из материалов различных типов. Измерения проводились в диапазоне температур от 25 до —196°С на дио- дах с различными величинами пиковых токов. Результаты этих измерений, выраженные через шумовой эквивалентный ток /экв, показывают, что при нулевом смещении /экв соответствует шу- мам резистора, обладающего той же проводимостью, что и диод, а при малом прямом смещении находится в близком соответ- ствии с расчетными значениями. Примечательным результатом этих измерений является некоторое превышение (на 10—20%) измеренных значений шумового тока /экв над расчетными в об- ласти отрицательного смещения. С другой стороны, в настоящее время не имеется достаточной ясности в вопросе о том, в какой степени токи, протекающие через р — re-переход, можно считать независимыми и является ли поэтому шумовой ток туннельного диода полным дробовым током (т. е. током насыщенного диода) [13, 14]. Эти два обстоятельства заставляют относиться с осто- рожностью к точным прогнозам величины коэффициента шума усилителя, сделанным на основании вычисления шумовой по- стоянной (0,02 //?)мин туннельного диода. Одной из важных характеристик усилителя на туннельном диоде является мощность насыщения, определяющая его дина- мический диапазон. Мощность насыщения зависит, как извест- но, от полупроводника, из которого изготовлен диод, величины его пикового тока, выбранной рабочей точки и коэффициента 12 Предисловие к русскому изданию усиления. Для усилителей с коэффициентом усиления 15—20 дб на германиевых диодах с пиковым током 1—1,5 ма уменьшение усиления на 1 дб происходит при мощности около Ю-7 вт [15]. При меньшем коэффициенте усиления и применении диодов с большими пиковыми токами мощность насыщения увеличи- вается. Увеличение мощности насыщения и уменьшение нели- нейных искажений может быть достигнуто таким выбором рабо- чей точки, чтобы напряжение смещения на 10—20% превышало напряжение точки перегиба [16]. Диоды из арсенида галлия, обладая большими значениями характеристических напряжений, позволяют при равных пико- вых токах усиливать без насыщения значительно большие мощ- ности, чем германиевые диоды; однако по сравнению с послед- ними они обладают большими шумами. Увеличение мощности насыщения и соответственно расширение динамического диапа- зона могут быть достигнуты путем применения каскадных уси- лителей, каждый каскад которых обладает малым коэффициен- том усиления. Использование во входном усилителе такого устройства диода из антимонида галлия с малым пиковым током, а в последующем усилителе диода из арсенида галлия с боль- шим пиковым током позволило увеличить мощность насы- щения всей системы на 20 дб и довести ее до 10~5 вт при сохра- нении низкого коэффициента шума (3,9 дб), свойственного уси- лителю с диодами из антимонида галлия [15]. Широкий выбор диодов различных типов, перекрывающих дециметровый и сантиметровый диапазоны, позволил ведущим зарубежным фирмам наладить выпуск усилителей на туннель- ных диодах в диапазоне от 1 до 20 Ггц [17]. Усилители отли- чаются друг от друга, помимо диапазона, числом каскадов, кон- струкционным оформлением, полосой пропускания и шумовыми характеристиками. Широкополосные усилители имеют полосы до 10—20% и коэффициент усиления 12—17 дб (на каскад). Коэффициент шума этих усилителей лежит в интервале 3,5—4,5 дб в дециметровом диапазоне и 4—7 дб в сантиметро- вом диапазоне. Температурная стабильность коэффициента уси- ления не превышает обычно 0,03 дб/° С, а мощность выгорания составляет в непрерывном режиме 30—50 мет. Усилители выпускаются, как правило, вместе с циркулято- рами и узлами питания. Наиболее широкое применение усили- тели на туннельных диодах находят в устройствах, где суще- ственную роль играет экономичное питание (например, на искус- ственных спутниках Земли), и в устройствах с большим количе- ством приемных каналов (как, например, в антенных решетках), а также в связи, навигации и радиоастрономии, Предисловие к русскому изданию 13 Большое количество работ, посвященных использованию тун- нельных диодов в качестве преобразователей и смесителей СВЧ, связано с двумя обстоятельствами. Первое из них заключается в том, что усилители на туннельных диодах наиболее часто при- меняются в качестве входных каскадов с последующим преоб- разованием СВЧ энергии в промежуточные или низкие частоты. В этой связи теоретическая возможность использования туннель- ных диодов в качестве преобразователей с низким уровнем входных шумов (близким к уровню шумов усилителей на тун- нельных диодах) привлекла к этой проблеме внимание многих исследователей. Второе обстоятельство, повысившее интерес к смесителям на туннельных диодах, связано, по-видимому, с вы- сказанными в ранних работах оптимистическими оценками относительно возможности достижения в этих устройствах более низких значений коэффициента шума, чем в соответствующих усилителях на туннельных диодах, и с опубликованием неточ- ных (заниженных) экспериментальных данных. В настоящее время неопределенность в отношении оценки шумовых качеств туннельных смесителей устранена и, по-видимому, можно счи- тать установленным, что коэффициент шума смесителя на тун- нельном диоде не может иметь меньшее значение, чем коэффи- циент шума соответствующего усилителя. Последние исследова- ния [18] показывают, что в зависимости от мощности гетеродина возможны два режима работы смесителя с малыми шумами. Один из этих режимов характеризуется очень малой мощ- ностью гетеродина, очень большим коэффициентом преобразо- вания и коэффициентом шума, близким (а в пределе равным) коэффициенту шума усилителя на туннельном диоде. При этом смеситель можно рассматривать как усилитель с последующим преобразованием на том же диоде. Однако смеситель в этом режиме весьма критичен к настройке, имеет ничтожно малый динамический диапазон и представляет, по-видимому, лишь тео- ретический интерес. Во втором режиме требуемая мощность гетеродина много больше, чем в первом, и имеет порядок 1 мет, а рабочая точка также располагается на падающем участке вольтамперной ха- рактеристики. Однако входная проводимость такого смесителя положительна, и он устойчив в работе. Хотя коэффициент пре- образования смесителя в этом режиме может превышать 1, его коэф4)ициент шума хуже, чем коэффициент шума усилителя на том же диоде, и на 1—2 дб выше, чем коэффициент шума «обыч- ных» кристаллических смесителей в нижней части сантиметро- вого диапазона. В этой связи преимущества туннельных смесителей перед «обычными» в части шумовых свойств можно считать весьма 14 Предисловие к русскому изданию сомнительными. Преимущества таких смесителей связаны с воз- можностью получения относительно низких значений коэффи- циента шума при использовании усилителей промежуточной ча- стоты, обладающих относительно высокими шумами. Значи- тельно более перспективны в качестве смесителей, и особенно в качестве смесителей допплеровских систем с низкими значе- ниями промежуточных частот, незаслуженно забытые автором обращенные туннельные диоды [19]. Обращенные диоды также весьма перспективны на высоких и сверхвысоких частотах для использования в качестве квадра- тичных детекторов. Преимущества этих диодов перед обычными точечными детекторами обусловлены высокими значениями чув- ствительности по току, малыми избыточными токами и низкими значениями сопротивления потерь. Различные типы серийно выпускаемых туннельных обращен- ных диодов гарантируют для приемных устройств с полосой ви- деоусилителя 2—3 Мгц тангенциальную чувствительность, рав- ную —45——55 дб мет в диапазоне от 10 Мгц до 20 Ггц. Чув- ствительность обращенных диодов в нижней части спектра мо- жет быть повышена на один-два порядка путем принудитель- ного смещения рабочей точки [17]. Обращенные диоды с весьма малой емкостью перехода (меньше 0,05 пф) позволили недавно улучшить чувствительность приемника в диапазоне 55—115 Ггц на 10—15 дб по сравнению с чувствительностью лучших образ- цов детекторов [20]. Исследования СВЧ генераторов на туннельных диодах раз- вивались в последние годы в направлении повышения выходной мощности, продвижения в область более высоких частот и со- здания широкодиапазонных генераторов с электрической пе- рестройкой. В настоящее время промышленностью выпускают- ся генераторы, перекрывающие диапазон от 1 до 10 Ггц с выходной мощностью до 1 мет в нижней части указанного диапазона и несколько десятых милливатта в его верхней ча- сти [17]. Эти генераторы, использующие туннельные диоды из арсе- нида галлия, могут применяться в качестве маломощных гете- родинов, а также в измерительной технике. Отдельные разра- ботки генераторов на туннельных диодах позволяют получить и значительно большие мощности. Так, создан генератор с вы- ходной мощностью до 30 мет на частоте 1,7 Ггц и с выходной мощностью до 10 мет на частоте 5 Ггц [21]. Расчеты, проделанные для диодов из германия и арсенида галлия, позволяют надеяться на возможность создания генера- торов на туннельных диодах с выходной мощностью 5 мет на частотах до 30 Ггц [22]. Предисловие к русскому изданию 15 Разработка диапазонных генераторов осуществлялась в последние годы в направлении совмещения туннельных диодов с варакторами и резонаторами, перестраиваемыми с помощью ферритов. Лабораторные образцы генераторов перестраиваются от 1,8 до 4 Ггц путем изменения напряжения на варакторе. Вы- ходная мощность при этом изменяется от 1 до 0,2 мет [23]. Изменение магнитного поля, в которое помещен железоит- триевый феррит со структурой граната, позволило изменять ча- стоту генератора от 0,6 до 2,4 Ггц [24]. Работы последних лет, таким образом, убедительно доказы- вают, что удивительное сочетание в туннельном диоде линей- ных, нелинейных и активных свойств предоставляет исследова- телям исключительно широкое поле деятельности для создания различных радиоэлектронных устройств. Динамика развития «туннелестроения» подтверждает нашу уверенность в том, что его значение в современной радиоэлектронике трудно переоце- нить. В связи с этим издание настоящей книги по нашему мне- нию должно содействовать более широкому применению тун- нельных диодов в схемотехнике, и мы надеемся, что эта книга будет с интересом прочитана всеми, кому она адресована. Н. 3. Шварц ЛИТЕРАТУРА 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. N i e I s e n E. G., Proc. IRE. 48, 1903 (1960). Microwave J., 6, № 7, circ. 9 on read. card (1963). Microwave J., 6, № 9, circ. 6 on read. card (1963). Microwave J., 7, № 12, circ. 5 on read. card (1964). Mcirowave !., 8, № 8, 49 (1965). Qetsinger M. J., IEEE Trans., MTT-11, 6, 486 (1963). Scanlan J. 0., Lim J. Т., IEEE Trans., MTT-12, 5, 504 (1964). Lepoff J. H., Wheeler P., IEEE Trans., MTT-12, 1, 21 (1964). L e p о f f J. H., Microwaves, № 1, 38 (1964). G a 1 а с h e r R. D„ Microwave 3., 8, № 2, 62 (1965). Hamasaki J., IEEE Trans., MTT-13, 2, 213 (1965). К i n g В. G., S h a r p e R., IEEE Trans., ED-11, 6, 273 (1964). La Rosa R., Wilhelmsen С. R., Proc. IRE, 48, 11, 1903 (1960). Stachej ko V„ Proc. IEEE, 52, 11, 1369 (1964). Steinhoff R., Sterzer F., RCA Review, 52, 1, 54 (1964). Thompson G. H. В., Skilton R. H., Proc. IEEE, 52, 9, 1069 (1964). Microwaves, № 7, 33 (1965). В arber M. R., IEEE Trans., MTT-13, 5, 663 (Sept. 1965). E n g S. Т., IRE Trans., MTT-9, 5, 419 (1961). Burrus G. A., IEEE Trans., MTT-11, 5, 357 (1963). SchneiderM. V„ Bell Syst. Tech. J., № 11, 2972 (1963). Oguey H. J., IEEE Trans., MTT-11, 5, 412 (Sept. 1963). Fortgang M. N., Hindin H. J., Proc. IEEE, 52, 4, 420 (1964). W r i g h t M. L., Proc. IEEE, 52, 5, 631 (.1964). ПРЕДИСЛОВИЕ В 1953 г., работая в лаборатории электроники фирмы «General Electric», я имел удовольствие участвовать вместе с несколькими моими коллегами в подготовке и написании кни- ги «Principles of Transistor Circuits» («Принципы построения транзисторных схем»). Это была первая книга, целиком посвя- щенная транзисторам—удивительным приборам, появившимся на свет лишь за пять лет до этого. Позже, в 1957 г., была вы- пущена другая наша монография «Transistor Circuit Engine- ering» («Конструирование транзисторных схем»). Обе эти кни- ги давали возможность глубже изучить транзисторы, что дол- жно было содействовать их более широкому практическому использованию. В 1958 г. мы стали свидетелями появления нового полупро- водникового прибора—туннельного диода. Рождение туннель- ного диода было встречено с энтузиазмом ввиду целого ряда достоинств этого прибора с отрицательным сопротивлением, ко- торое обусловлено туннельным эффектом. Вскоре стали оче- видны принципиальные отличия туннельных диодов от транзи- сторов, и инженеры-исследователи, пытавшиеся применять эти приборы, ощутили необходимость понимания механизма их ра- боты. Так же как в свое время с транзисторами, для полного использования возможностей туннельных диодов потребовались радикально новые схемные решения. Цель настоящей книги заключается в том, чтобы облегчить понимание специфики туннельных диодов, а также подготовить студентов и инженеров к дальнейшему изучению этих приборов и плодотворным исследованиям в этой области. Книга предназначена в основном для студентов технических вузов и инженеров, заинтересованных в изучении туннельных диодов. Для того чтобы облегчить понимание принципов работы туннельного диода, основному материалу книги предпосланы некоторые сведения из физики твердого тела. Используемый в книге математический аппарат ограничен минимумом, необхо- димым для того, чтобы достичь ясности изложения и упростить истолкование полученных результатов. Если учесть широту 2 в. чжоу 18 Предисловие области, которой мы здесь касаемся, то эта книга является весьма скромным вкладом; в ней не делается даже попытки осветить все возможные схемы и применения. Единственным намерением автора было написание связного и доступного введения в схе- мотехнику, основанную на применениях туннельных диодов. Несколько слов о построении книги. После введения, в ко- тором сообщаются основные сведения о туннельном эффекте, туннельный диод трактуется как «черный ящик», свойства ко- торого определены его эквивалентной схемой. По сравнению с транзисторами эквивалентная схема туннельного диода вы- глядит много проще, однако параметры туннельных диодов нельзя рассматривать константами, которые не зависят от воз- действий внешней среды, как это предполагалось несколько лет назад. В изложении сделан упор на природу изменений пара- метров и предложены методы создания надежных схем на тун- нельных диодах с учетом таких изменений. Одно из примечательных свойств туннельных диодов заклю- чается в возможности их использования для усиления с малым уровнем шума в диапазоне сверхвысоких частот. Рассмотрение шумовых свойств является поэтому одним из самых важных аспектов изучения туннельных диодов. В главе, посвященной этим вопросам, даны основные сведения о выборе диодов для малошумящих усилителей и о конструкции этих усилителей. В главе, посвященной усилителям, после обсуждения раз- личных типов усилителей на туннельных диодах рассматри- вается коэффициент шума усилителя каждого типа. Выбор та- кого порядка изложения объясняется тем, что действительный коэффициент шума данного усилителя сильно зависит от типа схемы и ее параметров. Нелинейные характеристики туннельных диодов при срав- нительно малых уровнях токов и напряжений определяют по- тенциальную возможность их использования в качестве смеси- телей, преобразователей и детекторов. Этим применениям по- священа следующая глава. В ней рассматриваются различные схемы и вводятся аналитические зависимости. Я надеюсь, что прямой метод изложения материала этой главы будет способ- ствовать качественному и количественному пониманию затро- нутых вопросов. Следующая глава посвящена генераторам на туннельных диодах; отдельно рассматриваются генераторы СВЧ диапазона. Переключательные схемы на туннельных диодах отличаются непревзойденным быстродействием, что является следствием квантовомеханической природы процессов, происходящих в этих приборах. Можно считать, что высокие потенциальные возмож- ности туннельных диодов ограничены лишь воображением и Предисловие 19 изобретательностью конструкторов. Вопросам использования туннельных диодов в вычислительной технике посвящена при- близительно половина книги. Сложность излагаемого материала здесь также нарастает постепенно—за описанием основных ре- жимов работы и переходных процессов следует рассмотрение более сложных схем. Для иллюстрации свойств этих схем про- водится анализ наихудших (предельных) случаев для различ- ных режимов. Не думаю, что расчет предельных режимов яв- ляется лишь расчетным методом. Я намеревался показать таким путем отличия разных переключательных схем и обратить вни- мание на некоторые вопросы их конструирования и используе- мые решения. И здесь изложение материала идет в порядке возрастания его сложности и содержит обсуждение различных аспектов построения наносекундных логических схем и элемен- тов высокоскоростной памяти. В последней главе охарактеризованы специальные примене- ния туннельных диодов. Я надеюсь, что этот материал явится наглядной демонстрацией того, что диапазон использования но- вых приборов и возможность их применения в стандартных схе- мах ограничены лишь изобретательностью конструкторов. В конце книги содержится подробная библиография по туннель- ным диодам. Кроме того, в конце каждой главы дается список литературы, использованной автором. Подобные книги всегда строятся не на одних оригинальных работах. Эта монография не является исключением, так как многое в ней заимствовано из опубликованной литературы и из сообщений моих друзей и коллег. Всем им я хочу выразить мою искреннюю благодарность. В. Ф. Чжоу Блю-Белл, Пенсильвания Май 1964 г. 2* 1 Физика туннельного диода 1. 1. ВВЕДЕНИЕ Первая научная работа по туннельным диодам, принадле- жащая перу доктора Лео Эсаки [1] и появившаяся в журнале «Physical Review», знаменует официальное рождение совер- шенно новой области электроники. Хотя туннельный диод, как это следует из его названия, яв- ляется двухполюсником, он практически во всех отношениях отличается от обычных выпрямительных диодов. Различия за- ключаются не только в форме вольтамперных характеристик, но и в механизме работы этих приборов. Принцип действия туннельного диода основан на туннельном эффекте, от которого произошло название диода и который позволил создать усили- тель, превосходящий по своему быстродействию все известные в настоящее время полупроводниковые усилители. Исключительное быстродействие туннельного диода и отно- сительно низкий уровень потребляемой им мощности в одина- ковой степени возбуждают научную фантазию специалистов, работающих как в области конструирования приборов, так и в области создания схем и систем. Это связано с возможностью построения на туннельных диодах сверхбыстродействующих вы- числительных машин, низкошумящих усилителей СВЧ и генера- торов гармоник. Возможность применения туннельных диодов явилась стимулом для новых разработок в тех областях, где тре- буется малогабаритное оборудование, отличающееся быстро- действием, высокой надежностью и низкой потребляемой мощно- стью. Поскольку конструкция туннельного диода относительно проста и технология его изготовления в принципе несложна, мо- жно полагать, что такой прибор в перспективе будет недорогим, а это позволит создавать весьма экономичное оборудование с перечисленными выше характеристиками. Изложение полной теории квантовой механики выходит за рамки настоящей книги. Здесь изложены лишь некоторые эле- ментарные основы этой теории, необходимые для понимания вну- тренних процессов, происходящих в туннельном диоде, 22 Глава I 12. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ Классическая модель атома, постулированная Бором, пред- ставляет атом в виде миниатюрной солнечной системы с ядром в центре и электронами, обращающимися вокруг ядра по круго- вым или эллиптическим орбитам. Модель дала в руки исследо- вателей мощное средство для понимания физических и химиче- ских свойств жидкостей и газов. Теория Бора, однако, оказалась недостаточной для объяснения поведения электронов в твердых телах. Квантовая или волновая механика явила'сь более общей и математически более тонкой теорией, которая дала методы расчета энергетических уровней электронов в атомах. Эта теория успешно объяснила многочисленные физические явления, в том числе и явления в твердом теле. Квантовомеханическая теория утверждает, что поведение электронов описывается волновым уравнением. Решение этого уравнения определяет квантовые состояния. Так, конкретной атомной системе соответствует некоторое множество возможных квантовых состоянии. Каждое квантовое состояние характери- зуется дискретной величиной энергии и определенным поведе- нием системы, связанным с этим состоянием. В каждый момент времени в данном квантовом состоянии может находиться один и только один электрон. Описание атомной системы является за- конченным, если известны ее квантовые состояния, их свойства и их заселенность электронами. Для стационарного случая уравнение Шредингера в трехмер- ной форме имеет следующий вид: -ф=0, 1_д_ , д2 , д2 \ Wm_{E_^V} [ дх2 \ ду2 г дг2 ) т г h2 где ^—трехмерная волновая функция, m—масса электрона, Е—энергия электрона, V—потенциальная энергия электрона и h—постоянная Планка. Это волновое уравнение имеет решения только при опреде- ленных дискретных значениях энергии электрона Е, и для каж- дого из этих значений Е волновое уравнение дает одно или боль- шее число решений для •Ф. Описание волновой функцией поло- жения электрона является лишь математической абстракцией. Однако, как показал Макс Борн, квадрат модуля волновой функции |'ф|2 представляет собой вероятность нахождения элек- трона в определенной точке пространства в тот момент времени, когда эта волновая функция рассматривается. В случае изолированных атомов, как, например, в газах, где отдельные атомы разделены достаточно большими расстояниями и пренебрежимо мало влияют друг на друга, потенциальная (1.1) Физика туннельного диода 23 энергия V характеризуется простой функциональной зависимо- стью. Для кристаллов, однако, вид этой зависимости значитель- но более сложен. Причина этого заключается в следующем: в то время как для изолированного атома потенциальная энергия V локализована в пространстве и характеризуется относительно простой зависимостью, она становится сложной периодической функцией для твердого тела. Эта функция получается в резуль- тате суперпозиции электрических потенциальных полей, созда- ваемых отдельными атомами кристалла. Близость атомов друг к другу приводит к перекрытию волновых функций и видоизме- нению структуры энергетических уровней по сравнению со случаем изолированного атома. Это изменение зависит от меж- атомных расстояний. Вообще каждый энергетический уровень изолированного атома расщепляется на такое число дискретных уровней, которое соответствует числу перекрывающихся вол- . новых функций. Поскольку в реальном кристалле число атомов с перекрывающимися волновыми функциями весьма велико, расщепление уровней приводит к появлению ограниченной свер- ху и снизу энергетической зоны, содержащей по существу не- прерывное распределение квантовых состояний. Между зонами с разрешенными энергетическими уровнями могут находиться энергетические щели или запрещенные зоны. Свойства кристалла определяются степенью заполнения воз- можных квантовых состояний в каждой зоне. В металле всегда существует по меньшей мере одна зона, возможные квантовые состояния в которой заполнены лишь частично. С другой сто- роны, в изоляторе все зоны должны быть или полностью запол- нены, или полностью свободны. Высшая заполненная зона в изо- ляторе отделена от нижней свободной зоны запрещенной зоной. Если эта запрещенная зона относительно невелика, термически возбужденные электроны могут переходить с верхних уровней в валентной зоне на свободные уровни, расположенные вблизи от дна зоны проводимости. В этом случае кристалл может про- водить электрический ток при сравнительно низких температу- рах и его относят к классу полупроводников. Существует, как известно, несколько способов генерации электронов в полупроводниках, обеспечивающих электропровод- ность при низких температурах. Один из этих способов связан с введением в полупроводник атомов примеси. Атомы многих распространенных полупроводников (к их числу принадлежат германий и кремний) имеют по четыре валентных электрона. Каждый атом образует с соседними четыре парные электронные связи. При введении в собственный полупроводник атомов примеси, имеющих по пять валентных электронов или больше, число их превышает количество электронов, необходимое для Глава 1 образования связей с соседними атомами решетки. Эти примес- ные атомы носят название доноров, так как они отдают свобод- ные электроны. Полупроводники, содержащие такого рода при- меси, называют полупроводниками п-типа. Если, наоборот, атомы примеси имеют по три валентных электрона или меньше, в решетке возникают вакансии, или дырки. Такие примесные атомы называют акцепторами, а полупроводники с такими при- месями — полупроводниками р-типа. 1.3. /?—п-ПЕРЕХОД И ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ р — п-переход р—/г-переход часто выступает в роли основного конструк- ционного элемента полупроводниковых приборов. Так, выпря- мительный прибор, транзистор и четырехслойный диод состоят соответственно из одного, двух и трех р—л-переходов, сформи- рованных с учетом многочисленных физических требований. Тун- нельный диод также представляет собой р—п-переход, ширина которого и содержание примесей в полупроводнике удовлетво- ряют определенным физическим требованиям. Интересующий нас здесь р—«-переход может рассматри- ваться как граница между двумя областями полупроводника с противоположными, т. е. донорными и акцепторными, легирую- щими примесями. В общем случае содержание примесей в этих двух областях таково, что их свойства далеки от свойств соб- ственных полупроводников. Как это показано на фиг. 1.1, р—п- переход может быть представлен как соединение полупроводни- 0,0 О О 0,00,0 ;0[0;© 0_0 ©_©_©© 0,0,0,0 0.0,000 ©;0 © О © О © ® ©Х©Х©1©Х©^© ©;® © © © ©-©-© о о/э^о о о о ;о ©,о © ©_©_©_©_© Обедненный слой Фиг. 1.1, р—га-переход. Физика туннельного диода 25 ков и- и /9-типов. Символы п и р используются для обозначения материалов, содержащих соответственно примесные атомы ак- цепторов и доноров. До соединения полупроводников п- и р-тл- пов каждая из областей электрически нейтральна, поскольку за- ряды ионизованных доноров и акцепторов нейтрализованы соответственно электронами и дырками. Однако после соедине- ния двух таких полупроводников дырки, находящиеся вблизи перехода, диффундируют через переход слева направо в п-об- ласть, в то же время электроны диффундируют справа налево в /7-область. В результате диффузии электрическая нейтраль- ность в обеих областях уже не имеет места. Результатом переме- щения дырок из р-области в «-область является приобретение р-областью избыточного числа электронов. Число последних воз- растает в еще большей степени в результате перехода в эту область свободных электронов из /г-области. Ввиду этого р-об' ласть заряжается отрицательно. Аналогичные явления, происхо- дящие в га-области, приводят к тому, что последняя оказывается заряженной положительно. Тепловая диффузия продолжается до тех пор, пока накопление зарядов в обеих областях не приведет к созданию электрического поля, достаточного для того, чтобы воспрепятствовать дальнейшей диффузии зарядов через переход. Итогом этих процессов является образование тонкого слоя,рас- положенного по обе стороны от перехода, который получил на- звание «обедненный слой», «барьер» или «область пространст- венного заряда». Возникающая разность потенциалов оказывает- ся приложенной к барьеру или обедненному слою. Для сильно легированных ступенчатых переходов эта разность потенциалов определяется выражением (1.2) где рр—концентрация свободных дырок в ^-области, Пп—кон- центрация свободных электронов в п-области и re, — концентра- ция собственных электронов или дырок (пар электрон—дыр- ка). Несмотря на то что между р- и п-областями существует разность потенциалов, напряжение, приложенное к барьеру, не может быть измерено. Однако некоторые качественные наблю- дения могут быть выполнены в том случае, если к барьеру при- ложено положительное напряжение смещения. Это напряжение, положительное в р-области и отрицательное в п-области, на- правлено противоположно первоначальному потенциалу на обедненном слое, созданному в результате тепловой диффузии. Если положительное смещение перехода равно V, а омическое падение напряжения в р- и п-областях пренебрежимо мало, то действительная разность потенциалов, приложенная к барьеру, 444 Библиография VII. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА Beck E. R., Savitt D. A., Whiteside A. E., Tunnel Diode Storage Using Current Sensing, Western Joint Computer Conf., 1961. Berry D. L., F i s с h E. A., High Speed Tunnel Diode Memory, Digest of Techn. Papers, 1961 Intern. Solid-State Circuits Conf., 1961, p. 112. Chaplin О. В. В., Thompson P. M., A Fast-Word Organized Tunnel Diode Memory Using Voltage Mode Selection, Digest of Techn. Papery, 1961 Intern. Solid-State Circuits Conf., 1961, p. 40. Cole A. J., Chaplin G. В. В., Thompson P. M., The Engineering of a Fast Word-Organized Tunnel Diode Store, Digest of Techn. Papers, 1962 Intern. Solid-State Circuits Conf., 1962, p. 40. Harris H. H., Pricer W. D., Electrical Delay Line Memory System Using Tunnel Diodes, Digest of Techn. Papers, 1962 Intern, Solid-State Circuits Conf., 1963, p. 14. 6. KaufmanM. M., A Tunnel Diode Tenth Microsecond Memory, IRE Nat. Convention Record, 8, Part 2, 114 (1960). 7. Kaufmann M. M., A Tunnel Diode Tunnel Rectifier, 15 Nanosecond Memory, Solid State Design, p. 24 (Feb. 1962). 8. M i 11 e г J. С., L i К., L о А. W., The Tunnel Diodes as a Storage Element, Digest of Techn. Papers, 1960 Intern. Solid-State Circuits Conf., 1960, p. 52. 9. P а у t о n J. Y., A Practical Non-Destructive Random Access Tunnel Diode Memory, IRE WESCON Convention Record, 6, Part 4 (1962). 10*.Crawfold D. J., Pricer W. D., Zasio J. J., An Improved Tunnel Diode Memory System, IBM Res. and Development, 7, 3, 199 (1963). ll*.Kaufmann В. A., Hammond J. S., A High-Speed Direct-Coupled Magnetic Memory Sense Amplifier Employing Tunnel Diode Discrimina- tors, Trans. IRE, EC-12, 3, 282 (1963). 12*.Trabold W. G., Tunnel-Diodes Save Parts in Continuous Readout of Magnetic Cores, Electronics, 36, 36, 38 (1963). 13*. Wine С. M., С о s e n t i n о L. S., Experimental Tunnel Diode Electro- magnetic Delay Line Storage Registers, Proc. IEEE, 51, 4, 625 (1963). 14*.Wong Y„ A DRO Tunnel Diode Memory, Solid State Design. 6, 11, 23 (1965). 15*. Иванов А. А., M а талин Л. А., Быстродействующее промежуточное запоминающее устройство, ПТЭ, № 2, 81 (1963). 16*. Кононов Б. H., Орликовский А. А., Применение туннельных дио- дов в быстродействующих устройствах хранения информации, Изв. ву- зов, сер. Радиотехника, 6, 1, 33 (1963). 17*.Тимохин Л. А., Флоренцев С. H., Запоминающее устройство на туннельных диодах, ПТЭ, № 2, 77 (1965). ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие к русскому изданию ............... 5 Предисловие ................ .... 17 1. Физика туннельного диода 1.1. Введение ..................... 21 1.2. Элементарные основы квантовой механики ......... 22 1.3. р —n -переход и туннельный эффект ........... 24 1.4. Статические вольтамперные характеристики ........ 28 1.5. Изменение статических характеристик .......... 38 1.6. Измерение статических характеристик .......... 46 2. Эквивалентные схемы 2.1. Введение ..................... 54 2.2. Низкочастотные свойства диода на малых сигналах ..... 54 2.3. Эквивалентная схема перехода ............. 56 2.4. Эквивалентная схема для паразитных параметров ...... 57 2.5. Эквивалентная схема туннельного диода ......... 60 2.6. Изменение параметров ................. 61 2.7. Измерение параметров ................ 62 S 3. Рассмотрение шумов | 3.1. Введение ................... 72 ',. 3.2. Источники шумов .................. 72 | 3.3. Шумы в туннельных диодах .............. 74 j 3.4. Шумовая эквивалентная схема туннельного диода ...... 79 3.5. Коэффициент шума .................. 81 3.6. Температура шума .................. 82 3.7. Мера шума ..................... 82 3.8. Измерение коэффициента шума ............. 84 4. Усилители 4.1. Введение ..................... 93 4.2. Принцип действия усилителя на отрицательном сопротивлении . 95 4.3. Чувствительность к изменению параметров ......... 97 4.4. Анализ устойчивости ................. 98 4.5. Усилители с прямым включением ............ 106 4.6. Усилители проходного типа ............... 125 446 Оглавление 4.7. Усилители бегущей волны 4.8. Усилители отражающего типа 4.9. Искажения ....... 131 139 148 5. Преобразование и детектирование 5.1. Введение ........... 5.2. Аппроксимация нелинейности . . . . 5.3. Смеситель ........... 5.4. Преобразователи ......... 5.5. Детектирование ......... 5.6. Шумы смесителей и преобразователей 151 151 155 162 168 174 6. Генераторы 6.1. Введение .............. 6.2. Настраиваемые генераторы ........ 6.3. Генераторы с кварцевой стабилизацией . . 6.4. Соображения относительно выходной мощности 6.5. Релаксационные колебания ........ 6.6. Генератор на линии .......... 6.7. Стабильность частоты .......... 177 179 190 194 199 203 206 7. Общие принципы построения цифровых схем 7.1. Введение ..................... 210 7.2. Туннельный диод как элемент переключательных схем .... 210 7.3. Режимы работы ................... 211 7.4. Эквивалентная схема для большого сигнала ........ 216 7.5. Анализ переходного процесса .............. 221 8. Логические схемы на туннельных диодах 8.1. Введение .................... 243 8.2. Основные логические схемы .............. 243 8.3. Аналого-пороговые вентили ............... 247 8.4. Схема согласованной пары туннельных диодов и мажоритарные вентили ...................... 269 8.5. Режим работы с сигналами напряжения .......... 283 8.6. Логические схемы со связью на переменном токе ...... 291 9. Гибридные логические схемы 9.1. Введение ...................... 302 9.2. Гибридные системы с транзисторами, включенными по схеме с об- щей базой ..................... 302 9.3. Гибридные системы с транзисторами, включенными по схеме с об- щим коллектором .................. 308 9.4. Гибридная система с транзистором, включенным по схеме с об- щим эмиттером .................... 315 9.5. Гибридная схема с использованием диода с накоплением заряда 318 Оглавление 44? 10. Последовательностные схемы 10.1 Введение ........ 10.2. Динамический триггер . . . 10.3. Статический триггер . . . . 10.4. Счетчики и делители частоты 10.5. Сдвиговые регистры . . . . 337 337 342 356 365 11. Применение туннельных диодов в запоминающих устройствах 11.1. Введение ..................... 372 11.2. Запоминающий элемент на одном туннельном диоде .... 372 11.3. Запоминающий элемент на туннельном и выпрямительном диодах ?85 11.4. Запоминающая ячейка на двух туннельных диодах ..... 289 11.5. Запоминающее устройство на элементах с линиями задержки . 396 12. Специальные применения 12.1. Введение ............... 12.2. Детектор прохождения сигнала через нуль . . 12.3. Преобразователь аналог-цифра ...... 12.4. Преобразование постоянного тока в переменный 12.5. Функциональный преобразователь . . . . . Библиография .............. 400 400 403 409 414 419 В. Ф.ЧЖОУ Принципы построения схем на туннельных диодах Редактор М. Б. Беликове кий Художник Г. А. Щетинин Технический редактор В. П. Сизов Корректор М. М. Колотилина Сдано в производство 6/IV 1966 г. Подписано к печати 20/VIII 1966 г. Бумага бОХОСГ/.е^^^З бум. л. 28,25 печ. л., в т/ч 1 вкл. Уч.-изд. л. 25,42. Изд. № 20/3415 Цена 2 р. 01 к. Зак. 150. ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» Москва, 1-й Рижский пер., 2 ОПЕЧАТКИ Страница Формула Напечатано Следует читать 83 108 150 (3.33) (4.42)В знаменателе (4.154), (4.155) (71=^——1)<3?2 (N=l, 2, .... п) 3?3 4 4 Зл;. 150. Ленинградская типография № 2 имени Евгении Соколовой Главполиграфпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР. Измайловский проспект, 29