Магнітні логічні елементи з розгалуженим магнiтопроводом

Прилади з розгалуженим магнiтопроводом відомі давно, однак сучасний розвиток вони отримали лише з появою матеріалів, що мають прямокутну петлю гістерезису (ППГ).

Розглянемо два типи логічних елементів, основним вузлом яких є розгалужений магнітопровід.

Логічні елементи на трансфлюксорах. Як відомо, робота трансфлюксора – перерозподілювача потоку – заснована на автономії окремих магнітних контурів у складному магнітопроводі з матеріалу з ППГ; згідно з законом Кірхгофа і Ома у застосуванні до магнітних кіл при подачі до відповідних обмоток сигналів, що детермінувалися за величиною і в часі, відбувається зміна напрямку намагніченості (перерозподіл магнітного потоку) різноманітних ділянок розгалуженого магнітопроводу, що являє собою феритове осердя (матеріал з ППГ) з двома або більше отворами. При певному напрямку намагніченості кожної з ділянок сигнал опитування призводить до реверсування магнітного потоку, що пронизує вихідну обмотку, і на затискачах останньої з’являється «1«.

На рис. 2.3.1,а наведена схема двоотвірного трансфлюксора. В осерді з фериту з ППГ є два отвори різних діаметрів, причому площа поперечного перерізу перемички 1 більша або рівна сумі площ, рівних за площею поперечного перерізу перемичок 2 і 3 (рис. 2.3.1, в). Припустимо, що будь-який контур осердя має ідеально прямокутну петлю перемагнічування.

До обмотки Скидання і Вхід подаються однополярні, а до обмотки Опитування – різнополярні імпульси струму синусоїдальної або прямокутної форми. Якщо вважати, що до будь-якої обмотки подаються імпульси прямокутної форми, то їхні амплітуди повинні задовольняти умовам (рис. 2.3.1, б).

image002.

При такому виборі величин імпульсів та ідеально прямокутній петлі сигнал Скидання достатньої тривалості перемагнічує на 2Bs все осердя, сигнал Вхід – тільки зону D і сигнал Опитування – тільки зону d.

Припустимо, що під дією сигналу Скидання осердя намагнічується до насичення так, як показано на рис. 2.3.1,г. Завдяки ідеальній прямокутності петлі цей стан намагніченості зберігається і по закінченні імпульсу Скидання (осердя «запам’ятовує» досягнуту намагніченість).

Якщо за сигналом Скидання не надходить імпульс сигналу Вхід, тобто останній рівний нулю, то подача сигналу Опитування не може викликати зміни магнітного потоку в кільцевій зоні d навколо малого отвору: в один півперіод сигналу Опитування в зоні створюється напруженість Нc, що діє у напрямку намагніченості насичення перемички 3, внаслідок чого останній потік змінитися не може, а значить, згідно з принципом неперервності магнітних силових ліній, він не зможе змінитися і у перемичці 2; у наступному півперіоді сигналу Опитування в зоні d створюється напруженість Нс у напрямку проти годинникової стрілки, що не може викликати зміни потоку через насичення в цьому напрямку перемички 2. Тобто, ЕРС у вихідній обмотці відсутня. Розглянутий стан трансфлюксора (рис. 2.3.1,е) називається заблокованим (замкнутим, станом «0»).

Оскільки петля перемагнічування реального осердя відрізняється від ідеально прямокутної, то в обмотці Виходу замкненого трансфлюксора сигнал Опитування наводить невелику ЕРС завади, що ототожнюється з «0».

Якщо після сигналу Скидання подати на вхід імпульс Iвх вказаної вище величини, певної тривалості і полярності (рис. 2.3.1,а), то зона D намагнітиться до насичення проти годинникової стрілки навколо великого отвору (рис. 2.3.1, д). Завдяки ППГ цей стан залишається, запам’ятовується і після закінчення вхідного сигналу. Тепер трансфлюксор відімкнутий (розблокований, знаходиться в стані 1), оскільки перемички 2 і 3 зони d насичені в одному напрямку – за годинниковою стрілкою – навколо малого отвору, і подача різнополярних імпульсів Опитування призводить до

image004

Рис. 2.3.1. Двоотвірний трансфлюксор

перемикання потоку в зоні d, а отже, до появи високого рівня ЕРС, «одиниці» на виході. (Справді, якщо у відімкнутому трансфлюксорі напруженість сигналу Іопит діє в напрямку проти годинникової стрілки навколо малого отвору, тоді одержуємо картину рис. 2.3.1,е; у наступному півперіоді, коли знак імпульсу Опитування зміниться на протилежний, – картину рис. 2.3.1,д і т.д., тобто індукція в зоні d в одному півперіоді сигналу Опитування змінюється від r до -Вr, у другому – від r до +Br і т.д.).

image006

Рис. 2.3.2. Реалізація логічних функцій на трансфлюксорах

Таким чином, в трансфлюксорі зчитування інформації відбувається без її руйнування (вона руйнується тільки після впливу сигналу Скидання).

Схема, приведена рис. 2.3.1,а, є «повторювачем» або «динамічним тригером».

Розглянемо приклади елементів на трансфлюксорах, які реалізують різноманітні елементарні логічні функції. Зазначимо, що на всіх наведених нижче рисунках напрямок насичення окремих ділянок магнітопроводу після впливу сигналу Скидання вказано стрілками, а зона дії будь-якого іншого сигналу обмежена лише тими перемичками, що примикають до вікна відповідної обмотки.

На рис.2.3.2,а приведена схема тривхідного кон’юнктора, яка виконана на осерді з п’ятьма отворами і рівними по площі поперечного перерізу перемичками. Вхідні сигнали a, b і с певної полярності намагнічують зони навколо отворів II, III і IV у напрямку проти годинникової стрілки, після чого зона навколо центрального отвору виявляється намагніченою за годинниковою стрілкою, і подача сигналів в обмотку опитування призводить до появи «1″ на виході. Вплив на осердя будь-якого вхідного сигналу не порушує орієнтації потоків насичення навколо інших подовжених отворів, тому для отримання «1″ вхідні сигнали можуть подаватися як одночасно, так і в будь-якій послідовності.

На рис. 2.3,2,б зображена схема двовхідного диз’юнктора, виконана на осерді з чотирма отворами. Площі поперечного перерізу перемичок 2 і 3 рівні, а площа перемички 1, принаймні, у два рази більша їхньої суми. Подача сигналу на вхід а або b або на обидва входи викликає намагнічування в напрямку проти годинникової стрілки зони, що прилягає до периметра осердя, і зона навколо отвору III виявляється намагніченою в напрямку проти годинникової стрілки.

На рис. 2.3.2,в приведений інгібітор на чотиривіконному трансфлюксорі з рівними по площі поперечного перерізу перемичками. Тільки після а=1 і b=0 зона навколо центрального отвору виявляється намагніченою в одному напрямку (за годинниковою стрілкою) – трансфлюксор відмикається.

Логічні елементи східчастого типу – леддіки. Іншою конструктивною формою розгалуженого магнітопроводу є багатоотвірне осердя у вигляді «сходів». За допомогою таких осердь фірма Bell (США) створила ряд логічних і лічильних схем, використовуючи при цьому принципи підсумовування потоків і заборони потоків.

Нижче розглянуті засоби реалізації деяких елементарних логічних функцій на леддіках. На рис. 2.3.3,а,б показані схеми елементів, що працюють за принципом підсумовування потоків в шестисхідчастих сходах і реалізують тримісні кон’юнкцію і диз’юнкцію, заборону, інверсію і повторення. Площі поперечного перерізу Sr і Sb горизонтальних і вертикальних гілок магнітопроводу пов’язані співвідношенням Sr³3Sb. МРС будь-якої вхідної обмотки повинна бути достатньою для створення напруженості насичення в крайній правій вертикальній гілці осердя. Три вертикальні гілки, розташовані ліворуч від центрального отвору магнітопроводу, назвемо вхідними гілками, а ті, що знаходяться праворуч, – вихідними, причому нумерацію тих та інших будемо вести зліва направо.

image008

Рис. 2.3.3. Логічні елементи східчастого типу

Картина намагніченості магнітопроводу після впливу однополярного імпульсу Скидання показана на рис. 2.3.3,а пунктирними лініями. Кожний з однополярних вхідних сигналів a, b, c створює напруженість, що намагається перемкнути «донизу» потік у відповідній вхідній гілці, тобто змінити його від r до r. Згідно з принципом неперервності магнітних силових ліній, дане перемикання повинно супроводжуватися перемиканням «доверху» потоку в якійсь іншій вертикальній гілці
магнітопроводу. Оскільки після скидання всі вхідні гілки вже насичені «доверху», то перемикання потоку у будь-якій вхідній гілці під дією відповідного вхідного сигналу можливе тільки через одну з вихідних гілок по найкоротшому шляху: подача будь-якого одного вхідного сигналу викликає перемикання потоку першої вихідної гілки, двох синхронних вхідних сигналів – першої і другої вихідних гілок, трьох синхронних вхідних сигналів – трьох вихідних гілок. Отже, одиничний сигнал на затискачах обмотки першої вихідної гілки з’являється або при подачі будь-якого одного з трьох можливих вхідних сигналів, або при впливі на осердя двох або трьох вхідних сигналів, а на зажимах обмотки третьої вихідної гілки – лише при синхронному впливі всіх трьох вхідних сигналів. Якщо диз’юнктор може працювати і при почерговому надходженні вхідних сигналів в інтервалі між двома черговими імпульсами Скидання, то синхронність надходження сигналів на входи кон’юнктора обов’язкова, тому що вплив першого за часом вступного сигналу призвів би до перемикання потоку в одній вхідній і першій вихідній гілках, після чого перемикання потоку у будь-якій іншій вхідній гілці стало б можливим через щойно перемагнічену на r вхідну гілку.

На рис. 2.3.3,б наведена схема інгібітора: при відсутності обох вхідних сигналів виходу немає; напруженість, створювана сигналом b, при відсутності сигналу а перемагнічує тільки першу вихідну гілку, на якій немає обмотки виходу; подача сигналу a при відсутності b призводить до перемагнічування першої і другої вихідних гілок – на виході з¢являється «1″; при синхронному надходженні сигналів а і b перемагнічуються всі вихідні гілки, але завдяки зустрічному включенню обох половин вихідної обмотки на виході «0». Ця ж схема є повторювачем, якщо b=const=0, оскільки image010, і інвертором, якщо а=соnst=1, оскільки image012. Отже, будь-яка логічна схема може бути побудована тільки з елементів рис. 2.3.3,б, бо системи image014 і image016 є функціонально повними.

На рис. 2.3.3,в показана схема антиеквівалентора, що працює за принципом підсумовування потоків в чотириступеневих сходах: при відсутності обох вхідних сигналів на виході «0», оскільки немає перемикання потоків в жодній з вихідних гілок; подача будь-якого вхідного сигналу призводить до перемикання потоку тільки у першій вихідній гілці, а отже, і до появи «1» на виході; синхронне надходження обох вхідних сигналів перемикає потоки в обох вихідних гілках, але на виході «0», оскільки половини вихідних обмоток включені зустрічно.

Дію тривхідного кон’юнктора, що працює за принципом заборони потоку, може пояснити рис. 2.3.3,г. У даному випадку площі поперечного перерізу Sr і Sb горизонтальних і вертикальних перемичок пов’язані співвідношенням Sr=Sb (а для збільшення вихідного сигналу рекомендується Sr=2Sb). Після дії сигналу Скидання вертикальні гілки насичуються у напрямку стрілок.

Вхідні сигнали a, b, с підтверджують цю намагніченість в 2, 4 і 6‑й вертикальних гілках, а тактовий імпульс ТІ намагається перемкнути потік в першій вертикальній гілці через одну з парних гілок по найкоротшому шляху. Тільки при синхронному впливі на осердя тактового і трьох вхідних імпульсів 1 і 8‑а гілки перемагнічуються на r і, отже, на виході з’являється «1». (На рис. 2.3.3,а вказано image018, хоча більш точною була б формула image020).

В схемах рис. 2.3.3 вихідний імпульс наявний як протягом тривалості вхідних імпульсів, так і під час дії імпульсу Скидання, тобто «одиничній» інформації відповідає послідовність двох різнополярних імпульсів на затискачах вихідної обмотки.

Для побудови логічних схем леддіки, що реалізують елементарні функції, можна з’єднувати згідно з суперпозицією функцій в законі функціонування. Якщо використати для зчитування імпульси скидання, то схеми будуть двотактними, причому для розв’язки елементів сусідніх рядів потрібні діоди, а також деяке перекриття за часом вхідних сигналів імпульсами скидання. При зчитуванні вхідними сигналами отримаємо однотактні схеми, що містять діоди для запобігання зворотній передачі інформації і підсилювально-формувальні ланки для запобігання затуханню сигналу запису від ряду до ряду елементів і зміни часу його переднього фронту. Крім того, при використанні леддіків – особливо тих, що працюють за принципом заборони потоку, – інверсію бажано реалізувати на феритовому осерді з трьома обмотками і діодом у вихідному ланцюзі.

З метою спрощення ланцюгів зв’язку між леддіками сусідніх рядів, зменшення кількості східців, діодів і підвищення надійності і технологічності логічних схем з леддіків доцільніше намагатися реалізувати на кожних сходах не елементарні, а більш складні логічні функції, і вже шляхом певного з’єднання останніх досягати реалізації необхідного закону функціонування. З одним з можливих формалізованих методів синтезу логічних схем на леддіках згідно з таким підходом можна ознайомитися в працях О.А.Неживова.

Перспективність елементів з розгалуженою формою магнітопроводу визначається такими їхніми принциповими якостями, як можливість побудови бездіодних або малодіодних логічних схем, компактність, економічність, висока межа за частотою (до сотень кГц), довговічність, можливість реалізації на одному магнітопроводі складної логічної функції або декількох елементарних, відносно висока вихідна потужність (від сотень міліват до одного вата), можливість зчитування інформації без її руйнування та ін. Однак широке використання цих елементів для побудови логічних схем стримується в наш час такими факторами: відсутністю достатніх точних методів розрахунку магнітопроводів складної конфігурації, нечіткою роботою в широкому діапазоні температур, необхідністю в спеціальному джерелі живлення, досить складною технологією виготовлення, відсутністю набору логічних елементів, що серійно випускаються промисловістю та ін. Тому, незважаючи на перспективність приладів з розгалуженим магнітопроводом, їхнє застосування обмежене найпростішими конструкціями, які не дозволяють у повній мірі реалізувати потенційні можливості елементів даного типу.

Біакси. Елемент біакс (в прикладі означає “двоосьовий”) є магнітопроводом складної форми з двома наскрізними отворами, осі яких розміщенні взаємно перпендикулярно (рис. 2.3.4, а). Через отвори пропущені обмотки (провідники): запису wзап, вихідна wвих та квадратурного поля wk, яка використовується як при запису, так і при зчитуванні інформації.

image022

Рис. 2.3.4. Елемент біакс

а) конструкція; б) напрямок магнітних потоків у перемичці;

в) векторна діаграма магнітних потоків

Робота елемента визначається магнітним станом перемички між отворами (рис. 2.3.4, б). Процеси запису та зчитування в біаксі можна подати таким чином. Для запису “1” або “0” в обмотки (wзап та wвих) подаються імпульси струму величиною, яка достатня для намагнічування матеріалу до насичення. При цьому, в обмотку wк подається завжди імпульс одного знаку, а в обмотку wзап – різних знаків в залежності від “0” чи “1”.

На рис. 2.3.4, а напрямки магнітосилових ліній поля показані відповідними колами, а на рис. 2.3.4, б напрямки магнітних потоків Фзап1 та Фк на ділянці перемички – стрілками. В результаті додавання потоків Фзап1 та Фк створюється потік Фр. Напрямки потоків, які показані на рис. 2.3.4, відповідають запису “1”.

У випадку запису “0” напрямок потоку, який створюється імпульсом струму в обмотці Фзап, зміниться на зворотний (Фзап = -Фзап1), що викличе зміну у напрямку Фр. Ці процеси ілюструються векторною діаграмою на рис. 2.3.4, в. Для зчитування інформації в обмотку ωк подають зчитувальний імпульс того ж напрямку, що і при запису. Під дією цього імпульсу потік в нижній частині біакса збільшується на DФзч. В результаті цього повинен змінитися і сумарний потік Фр. Але він не може зрости за своїм значенням, тому що матеріал доведений до насичення. Тому відбувається поворот потоку Фр на кут g та його зміна у верхній частині біакса на DФзч, за рахунок чого в обмотці wвих виникає ЕРС. При зчитуванні “1” або “0“ ця ЕРС буде різна за напрямком. Після закінчення дії імпульсу зчитування магнітний стан осердя повертається до вихідного, тобто зчитування відбувається без руйнування інформації. Біакс може бути використаний не тільки в ЗП, але також в логічних схемах. Основними перевагами біаксів є висока швидкодія, малі розміри (наприклад, габаритні розміри біакса БН – 8, що випускається серійно, складають 2,1х1,4х1,2 мм), можливість використання матеріалів з невисокою прямокутністю петлі гістерезису, невелика вартість.

Васюра А.С. – книга “Електромагнітні елементи цифрової техніки”

Оставьте комментарий к статье