Электроника?.. Нет ничего проще! - Жан-Поль Эймишен

А теперь я хочу показать тебе еще одно интересное запоминающее устройство, в котором используются туннельные диоды.

Н. — Правда, я довольно плохо знаю эти приборы и совершенно не представляю, как можно их использовать для создания запоминающих устройств.

Л. — Туннельный диод при напряжении, превышающем некоторый уровень (скажем 0,4 в), ведет себя в проводящем направлении как обычный диод. А при напряжении ниже этого уровня при пропускании тока в том же направлении наблюдается совершенно парадоксальная картина — при снижении напряжения ток диода увеличивается. Характеризуя это явление, говорят о наличии зоны отрицательного сопротивления. Некоторому напряжению, именуемому пиковым напряжением, соответствует максимальное значение тока. При дальнейшем уменьшении напряжения ток очень быстро снижается до нуля. На рис. 137 я изобразил кривую, характеризующую изменение тока диода в зависимости от напряжения на его выводах. При питании такого туннельного диода заданным напряжением через соответствующим образом подобранный резистор можно получить систему с двумя устойчивыми состояниями.

Рис. 137. Вольт-амперная характеристика германиевого туннельного диода.

Н. — Но я совершенно не вижу, как можно получить такой результат!

Л. — Посмотри приведенную на рис. 138 схему.

Рис. 138. Схема использования туннельного диода в качестве запоминающего элемента.

На этот раз ты должен признать, что она не столь уж сложная. Попробуем определить ток I диода и напряжение на его выводах U. Иначе говоря, нам нужно найти такую пару значений I и U, которая одновременно устроила бы потребителя (туннельный диод) и поставщика электроэнергии (батарею с электродвижущей силой е и внутренним сопротивлением R). Кривая требований потребителя приведена на рис. 137. Предписанные поставщиком соотношения величин U и I согласно закону Ома характеризуются прямой, которую ты знаешь под названием «нагрузочная прямая» или «нагрузочная характеристика». На рис. 139 я начертил вольтамперную характеристику туннельного диода и провел нагрузочную прямую; как ты видишь, пары значений U и I, соответствующие устойчивому состоянию, графически обозначены точками А и В.

Рис. 139. Три возможных состояния изображенной на рис. 138 схемы. Только точки А и В соответствуют устойчивым состояниям.

Н. — Туннельный диод, действительно, чудесный прибор; для создания схемы с двумя устойчивыми состояниями требуются всего лишь батарея, один резистор и один диод. Но что ты сделаешь с точкой С. Это еще одно возможное состояние?

Л. — Да, возможное, но неустойчивое. В этом месте динамическое сопротивление туннельного диода отрицательно и соответствующее ему состояние не может долго сохраняться. Как ты видишь, на нескольких туннельных диодах можно создать запоминающее устройство. Его преимущество в исключительном быстродействии; запись занимает лишь ничтожную долю микросекунды, а точнее, время здесь измеряется наносекундами, т. е. миллиардными долями секунды. В запоминающих устройствах на ферритовых тороидальных сердечниках в лучших случаях удается достичь микросекунды, так как для перемагничивания феррит требует некоторого времени. На туннельных диодах, если каждый из них питать через два резистора, можно сделать, как на ферритовых тороидах, матрицы для записи по строкам и колонкам. Кроме того, на этих диодах несложно сделать нестираемую при считывании запись.

Н. — Теперь нет никаких сомнений, что, если когда-нибудь мне придется делать цифровую вычислительную машину, ее запоминающее устройство будет, несомненно, на туннельных диодах.

Л. — Идея хорошая, но, к сожалению, на пути ее осуществления имеется одно препятствие, которое в ближайшее время бесспорно уменьшится — туннельные диоды пока еще относительно дороги.

Н. — А как следует поступить, если мне понадобится записать в запоминающем устройстве последовательное число?

Л. — Такое число можно как обычный сигнал записать на магнитной ленте. Для этой цели довольно часто используют также барабан, покрытый магнитным слоем. Барабан очень быстро вращается, а в это время многочисленные головки на большом количестве дорожек записывают нужную информацию. Неудобство этой системы заключается в относительно большом времени до ступа к записанным данным.

Н. — Но прости, пожалуйста, Любознайкин, ты до сих пор не сказал, как можно умножить одно последовательное число на другое.

Л. — Должен признаться, что схемы умножителя для последовательных чисел я не знаю. Но если ты внимательно посмотришь на схему, изображенную на рис. 133, то заметишь, что множимое и множитель записываются на сдвигающих регистрах. А как я тебе объяснил, эти устройства позволяют легко преобразовать последовательное число в параллельное. Если бы мне понадобилось перемножить два последовательных числа, то для начала я, преобразовав эти числа в параллельные, записал их на сдвигающих регистрах СР1 и СР2 в схеме, приведенной на рис. 133.

Я могу сказать, что теперь ты владеешь основными знаниями о системах, производящих сложение, вычитание и умножение, а также познакомился с запоминающими устройствами; ты имеешь представление об устройстве цифровых электронных вычислительных машин, которые позволяют все быстрее и быстрее выполнять очень сложные вычисления.

Н. — В этом я с тобой полностью согласен, но должен тебе сказать, что, прибавляя трудности и умножая различные ловушки, ты полностью отнял у моего мозга серое вещество, и я чувствую, что все мои запоминающие устройства полностью размагнитились. Если ты не возражаешь, я предлагаю продолжить в следующий раз, а еще лучше через несколько дней, чтобы я смог прийти в себя после принятой «цифровой ванны».

Беседа пятнадцатая

СЕРВОМЕХАНИЗМЫ

Незнайкин вот-вот станет инженером-консультантом. Он только что создал небольшую систему для управления антенной и намерен добиться лучших результатов. Любознайкин не хочет упустить представившийся случай познакомить Незнайкина с сервомеханизмом (с присущей ему скрытой опасностью возникновения колебаний всей этой системы) и указать на аналогию между сервомеханизмом и усилителем с отрицательной обратной связью.

Незнайкин — Как я рад видеть тебя, Любознайкин! Возможно ты поможешь мне найти решение проблемы, которая вот уже несколько дней не дает мне покоя.

Любознайкин — Так расскажи яснее о своих затруднениях, я весь — внимание.

Н. — Один из моих приятелей коротковолновик-любитель имеет направленную антенну. Он попросил меня помочь ему сделать для этой антенны систему управления, так как, находясь у еврей рации в комнате, он не может видеть установленную на крыше антенну, а ему нужно всегда знать, в какую сторону она направлена. Для получения информации о направлении антенны я предложил ему воспользоваться потенциометром, так как ты в свое время объяснил мне, что потенциометры можно использовать в качестве преобразователя положения.

Л. — Решение в принципе хорошее, но для твоего приятеля неприемлемое, потому что, как ты знаешь, потенциометр не может работать в пределах полного оборота — у него имеется определенный «мертвый» угол.

Н. — Об этом недостатке я знаю, но для данного случая он не имеет значения, так как рядом с домом моего приятеля находится огромное здание, практически закрывающее для его передач угол около 45°. Поэтому угол вращения его антенны ограничен, и он даже поставил упоры, не дающие поворотному механизму выходить за пределы рабочего пространства (рис. 140). Я нашел для него очень хороший потенциометр с мертвым углом всего лишь в 5° и помог ему сделать для поворачивающего антенну двигателя систему управления на двух транзисторах, чтобы мой приятель мог управлять всем своим сооружением с помощью маленького переключателя. Вольтметр, измеряющий напряжение между движком потенциометра и одним из его выводов, позволяет определить угол поворота антенны.