сверхвысокочастотный триггер (варианты)

Формула изобретения

1. Сверхвысокочастотный триггер, содержащий первый и второй двухвходовые логические элементы, выходы которых соединены соответственно с входами третьего и четвертого логических элементов, выходы которых подключены к первым входам соответственно второго и первого двухвходовых логических элементов и первому и второму выходам триггера, первый и второй входы которого соединены с вторыми входами соответственно первого и второго двухвходовых логических элементов, отличающийся тем, что соединение между логическими элементами выполнены в виде волноведущих линий передач, в которых распространяются сигналы с двумя топологиями полей, соответствующими логическим "0" и "1", третий и четвертый элементы выполнены на первом и втором топологических ключах на полуволновых резонаторах, в которых расположены волновые преобразователи, два первых выхода первого из которых, соответствующие логической "1", соединены с двумя вторыми входами второго топологического ключа, соответствующими логическому "0", два первых входа которого, соответствующие логической "1", подключены к двум вторым входам первого топологического ключа, соответствующим логическому "0", первый и второй элементы выполнены на третьем, четвертом и пятом топологических ключах на полуволновых резонаторах, в которых расположены волновые преобразователи, первый выход третьего топологического ключа, соответствующий логическому "0", непосредственно соединен с первым входом пятого топологического ключа, соответствующим логическому "0", и через последовательно соединенные вторичное плечо первого направленного ответвителя и первый вентиль с первым выходом четвертого топологического ключа, соответствующим логическому "0", второй выход которого, соответствующий логическому "0", непосредственно соединен с вторым входом пятого топологического ключа, соответствующим логическому "0", и через последовательно соединенные вторичное плечо второго направленного ответвителя и второй вентиль с вторым выходом третьего топологического ключа, соответствующим логическому "0", третий выход которого соответствует логической "1", соединен с третьими входом и выходом, соответственно пятого и четвертого топологического ключа, соответствующими логическим "1", четвертый выход четвертого топологического ключа, соответствующий логической "1", через последовательно соединенные третий и четвертый вентили соединен с четвертым выходом третьего топологического ключа, соответствующим логической "1", точка соединена третьего и четвертого вентилей через последовательно соединенные прямые плечи первого и второго направленных ответвителей подключена к четвертому входу пятого топологического ключа, соответствующему логической "1".

2. Сверхвысокочастотный триггер, содержащий первый и второй двухвходовые логические элементы, выходы которых соединены соответственно с входами третьего и четвертого логических элементов, выходы которых подключены к первым входам соответственно второго и первого двухвходовых логических элементов и первому и второму выходам триггера, первый и второй входы которого соединены с вторыми входами соответственно первого и второго двухвходовых логических элементов, отличающийся тем, что соединения между логическими элементами выполнены в виде волноведущих линий передач, в которых распространяются сигналы с двумя топологиями полей, соответствующими логическим "0" и "1", третий и четвертый элементы выполнены на первом и втором топологических ключах на полупроводниковых резонаторах, в которых расположены волновые преобразователи, два первых выхода первого из которых, соответствующие логической "1", соединены с двумя вторыми входами второго топологического ключа, соответствующими логическому "0", два первых входа которого, соответствующие логической "1", подключены к двум вторым выходам первого топологического ключа, соответствующим логическому "0", первый и второй двухвходовые логические элементы выполнены на третьем, четвертом и пятом топологических ключах на полупроводниковых резонаторах, в которых расположены волновые преобразователи, первый выход третьего топологического ключа, соответствующий логическому "0", соединен с первым входом и первым выходом соответственно пятого и четвертого топологических ключей, соответствующими логическому "0", второй вход и второй выход которых, соответствующие логической "1", подключены к второму выходу третьего топологического ключа, соответствующему логической "1", третий выход которого, соответствующий логическому "0", через последовательно соединенные первый и второй вентили соединен с третьим выходом четвертого топологического ключа, соответствующим логическому "0", точка соединения первого и второго вентилей через вторичное плечо направленного ответвителя подключена к третьему входу пятого топологического ключа, соответствующему логическому "0", четвертый выход третьего топологического ключа, соответствующий логической "1", через последовательно соединенные третий и четвертый вентили соединен с четвертым выходом четвертого топологического ключа, соответствующим логической "1", точка соединения третьего и четвертого вентилей через прямое плечо направленного ответвителя подключена к четвертому входу пятого топологического ключа, соответствующему логической "1".

3. Триггер по п.1 или 2, отличающийся тем, что волновые преобразователи выполнены в виде петли.

4. Триггер по п.1 или 2, отличающийся тем, что топологический ключ выполнен в виде пары отрезков полосковых линий передачи, которые расположены внутри замкнутого металлического экрана с щелью, которая вырезана перпендикулярно полосковым отрезкам, один конец которых является волноведущим входом, а другой - выходом для логической "1", а выходом для логического "0" является отрезок микрополосковой линии, которая включена в щель.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в устройствах цифровой обработки сигнала, а именно в вычислительной технике.

Известны триггеры [1] выполненные на основе механических переключателей (ключей).

Их недостатком является низкая скорость обработки информационного сигнала.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности к достигаемому результату является триггер [2] содержащий два двухвходовых логических элемента И, каждый выход которых соединен коммутирующим элементом с входами двух логических элементов НЕ, выходы которых подключены через коммутирующие элементы к одному из входов каждого логического элемента И.

Триггер, выполненный на транзисторной элементной базе, имеет фундаментальный предел по быстродействию (тактовая частота не более 1 ГГц). При внешних воздействиях (радиационное и электромагнитное излучения) снижается надежность работы триггера, что является также существенным недостатком.

Цель изобретения повышение быстродействия и надежности работы триггера.

Цель достигается тем, что в сверхвысокочастотном (СВЧ) триггере, содержащем два двухвходовых логических элемента И, каждый вход которых соединен коммутирующим элементом с входами двух логических элементов НЕ, выходы подключены через коммутирующие элементы к одному из входов каждого логического элемента И, коммутирующие элементы выполнены в виде волноведущих линий передачи, в которых распространяются сигналы с двумя различными топологиями полей, соответствующих логическим "0" и "1", логический элемент НЕ состоит из двух топологических ключей, выполненных на полуволновых резонаторах, внутри которых расположены волновые преобразователи на емкостных штырях, образующие по две пары выходов, соответствующих логическим "0" и "1", при этом выходы, соответствующие "0" и "1" одного топологического ключа, соединены последовательно с выходами, соответствующими "1" и "0" другого топологического ключа, а логический элемент И состоит из трех топологических ключей, в каждой паре выходов которых по одному выходу соединены непосредственно между собой, другие выходы двух топологических ключей, соответствующих логическому состоянию "1", соединены с третьим топологическим ключом последовательно через вентили и прямые плечи двух направленных ответвителей,

а соответствующие логическому состоянию "0" соединены через вентили и вторичные плечи направленных ответвителей, кроме того, в триггере, содержащем два двухвходовых логических элемента ИЛИ и НЕ, логический элемент ИЛИ состоит из трех топологических ключей, в каждой паре выходов которых по одному выходу соединены непосредственно между собой, другие выходы двух топологических ключей, соответствующие одному логическому состоянию, соединены последовательно через вентили и прямое плечо направленного ответвителя, а другому логическому состоянию через вентили и вторичное плечо направленного ответвителя, причем волновые преобразователи выполнены в виде петли, а топологический ключ выполнен в виде пары отрезков полосковых линий передачи, расположенных внутри замкнутого металлического экрана с щелью, вырезанной перпендикулярно полосковым линиям передачи, один конец которых является волноведущим входом, а другой выходом для логической "1", а выходом для логического "0" является отрезок микрополосковой линии, включенной в щель.

Существенным отличием СВЧ-триггера является введение топологических ключей для выделения волн с различными структурами полей, на основе которых осуществляется устойчивое кодирование сигнала логическими "0" и "1" в достаточно узких полосах рабочих частот, что позволяет увеличить быстродействие на несколько порядков и снизить требования к надежности работы триггера, поскольку отсутствуют неустойчивые к внешним воздействиям полупроводниковые элементы.

На фиг. 1 представлена общая схема триггера; на фиг.2 структурная схема логического элемента НЕ; на фиг.3 структурная схема логического элемента И; на фиг. 4 структурная схема логического элемента ИЛИ; на фиг.5 показана в аксонометрии конструкция топологического ключа.

СВЧ-триггер (фиг.1) содержит два двухвходовых логических элемента И 1 и 2, каждый вход которых соединен коммутирующим элементом 3 с входами двух логических элементов НЕ 4 и 5, выходы которых подключены через коммутирующие элементы 3 с одним из входов каждого логического элемента И 1 и 2. Коммутирующие элементы 3 выполнены в виде волноведущих линий передачи, в которых распространяются сигналы с двумя различными топологиями полей, соответствующих логическим "0" и "1".

Логический элемент НЕ (фиг.2) состоит из двух топологических ключей 6 и 7, выполненных на полуволновых резонаторах 8 и 9, внутри которых расположены волновые преобразователи 10 и 11, образующие по две пары выходов, соответствующих "0" и "1", при этом выходы, соответствующие "0" и "1" одного топологического ключа 6, соединены последовательно волноведущими линиями 3 передачи с выходами, соответствующими "1" и "0" другого топологического ключа 7.

Логический элемент И (фиг.3) состоит из трех топологических ключей 12,13 и 14, в каждой паре выходов которых по одному выходу соединены непосредственно между собой, другие выходы двух топологических ключей 12 и 13, соответствующие логическому состоянию "1", соединены с третьим топологическим ключом 14 последовательно через вентили 15 и 16 и прямые плечи двух направленных ответвителей 17 и 18, а соответствующие логическому состоянию "0" соединены через вентили 19 и 20 и вторичные плечи направленных ответвителей 17 и 18.

Логический элемент ИЛИ (фиг. 4) состоит из трех топологических ключей 21,22 и 23, в каждой паре выходов которых по одному выходу соединены непосредственно между собой, другие выходы двух топологических ключей 21 и 22, соответствующие одному логическому состоянию, соединены последовательно через вентили 24 и 25 и прямое плечо направленного ответвителя 26, а другому логическому состоянию через вентили 27 и 28 и вторичное плечо направленного ответвителя 26.

Топологический ключ (фиг.5) выполнен в виде пары отрезков полосковых линий 29 передачи, расположенных внутри замкнутого металлического экрана 30 с щелью 31, вырезанной перпендикулярно полосковым линиям 29 передачи, один конец которых является волноведущим входом 34, а другой выходом 32 для логической "1", а выходом 33 для логического "0" является отрезок микрополосковой линии 36, включенной в щель 31.

СВЧ-триггер работает следующим образом.

СВЧ-сигналы, подаваемые из генераторов Г_~ преобразуются в модуляторах М₁ и М₂ на две различные структуры (топологические схемы) электромагнитного поля, соответствующие логическим состояниям "0" и "1" (фиг.1). Далее преобразованные структуры поля поступают на входы триггера. Считывание информации с триггера происходит в зависимости от предыдущего состояния выходов и сигналов, поступающих на входы. В целом работа триггера определяется структурной схемой с элементами И и НЕ либо ИЛИ и НЕ.

Все составные элементы содержат топологический ключ. Принцип работы резонансного топологического ключа 6,7,12,13,14 и 21,22,23 (фиг.2-4) основан на свойстве выделения полей с помощью волновых преобразователей на емкостных штырях либо индуктивных петель из структуры стоячей волны в полуволновом отрезке волноведущей линии. Широкополосный топологический ключ (фиг.5) основан на преобразовании из поля, поступающего на вход 34, волны нечетного типа, распространяющейся вдоль пары полосковых линий 29, имеющих противоположные направления токов, и волны четного типа, когда на паре полосковых линий направление токов совпадает. В этом случае возбуждается щель 31, которая согласованно соединена с отрезком микрополосковой линии 36, являющейся выходом 33. Выходом 32 нечетной волны являются концы пары отрезков полосковых линий 29 передачи.

Элемент НЕ выполняет функции инверсии топологии поля. Пусть на вход (входы и выходы на фиг.2-5 показаны волнистыми линиями) поступает электромагнитное поле с его топологией, соответствующей логическому "0". Это поле на преобразователях 10, помеченных "0", возбуждает электрический ток. На преобразователях 11, помеченных "1", возбужденный ток близок к нулю. Преобразователи 10 и 11 скоммутированы так, что преобразователь 10 ("0") соединен с преобразователями 11 ("1") ключа 7, а преобразователи 10 ("1") соединены с преобразователями 11 ("0") ключа 13. Таким образом, приход поля, например, соответствующего логическому "0", на вход ключа 6 возбуждает в ключе 7 электромагнитное поле с топологией, соответствующей "1", и наоборот. Тем самым реализуется логическая операция НЕ.

Элемент И производит логическое умножение сигналов. Пусть на входы топологических ключей 12 и 13 поступают электромагнитные поля с топологией, соответствующей логической "1". Эти поля возбуждают токи в элементах преобразователей, помеченных на фиг.3 "1". Через вентили 15 и 16 и направленный ответвитель 17 сигнал поступает на волновые преобразователи, помеченные "1", которые и возбуждают в топологическом ключе 14 сигнал с топологией электромагнитного поля, соответствующей "1", который и снимается с выхода.

Пусть на входы топологических ключей 12 и 13 поступают электромагнитные поля с топологиями, соответствующими логическим "0". В этом случае электрические токи идут от волновых преобразователей, помеченных "0", топологических ключей 12 и 13 через вентили 19,20, направленные ответвители 17,18 к преобразователям поля, помеченным "0", топологического ключа 14. Часть СВЧ-мощности, разделенная направленными ответвителями 17,18, поглощается в вентилях 15 и 16. Тем самым устраняется возможный паразитный эффект максимальной интерференции. На выходе топологического ключа 14 имеют электромагнитное поле, топология которого соответствует логическому "0".

Пусть на вход топологического ключа 12 подается логический "0", а на вход топологического ключа 13 поступает логическая "1". В этом случае в направленный ответвитель 18 поступает сигнал от волновых преобразователей, помеченных "0", топологического ключа 12. Часть его мощности ответвляется и складывается в противофазе с сигналом, поступающим из плеча ответвителя 17, пришедшего в него от волновых преобразователей "1" топологического ключа 13 через вентиль 16. Параметры направленных ответвителей и уровни мощности P_o и P₁ сигналов "0" и "1" выбраны так, что происходит компенсация тока, поступающего от волновых преобразователей "1" топологического ключа 13 (P_o > P₁).

Следовательно, в выходном топологическом ключе 14 возбуждается электромагнитное поле с топологией, соответствующей логическому "0". Элемент И работает аналогично, если на вход топологического ключа 12 поступает логическая "1", а на вход топологического ключа 13 приходит логический "0".

Элемент ИЛИ реализует логическое сложение сигналов. Пусть на входы топологических ключей 21 и 22 поступают сигналы, электромагнитные поля которых соответствуют логическим "1". Электрические токи, возбужденные в волновых преобразователях, помеченных "1", от обоих топологических ключей 21 и 22 через вентили 27 и 28 складываются в общей точке и через линию передачи поступают на направленный ответвитель 26 и далее на элементы волнового преобразователя, помеченные "1", в топологическом ключе 23, на выходе которого сформировано электромагнитное поле, топология которого соответствует логической "1". Часть мощности ответвления, направленная ответвителем 26, гасится на вентилях 24 и 25. Этим гарантируется отсутствие межсимвольной интерференции.

Пусть на входы топологических ключей 21 и 22 поступают сигналы, электромагнитные поля которых соответствуют логическим "0". Электрические токи, возбужденные в волновых преобразователях, помеченных "0", от обоих топологических ключей 21,22 через вентили 27 и 28 складываются в общей точке и через прямое плечо направленного ответвителя 26 поступают на элементы волнового преобразователя, отмеченные "0", топологического ключа 23. На его выходе сформировано электромагнитное поле, топология которого соответствует логическому "0".

Пусть на входы топологических ключей 21 и 22 поступают логические "0" и "1" соответственно. В этом случае электрический ток, наведенный в элементах волнового преобразователя, помеченных "0", в топологическом ключе 21 поступает через вентиль 24 на вход направленного ответвителя 26. Сюда же поступает часть мощности сигнала, пришедшего от элементов волнового преобразователя, помеченных "1", топологического ключа 22. Из-за суммирования сигналов в противофазе и подбора уровней и мощности сигналов (P₁ > P_o) параметрами направленного ответвителя 26 уровни мощности и сигналов, поступающих на элементы волнового преобразователя, помеченные "1" и "0", топологического ключа 23 имеют следующие значения: P₁ >> 0 и P_o 0. На выходе топологического ключа 23 формируется электромагнитное поле, топология которого соответствует логической "1".

Оценим быстродействие триггера, основой которого является топологический ключ (рис. 5). Конструкция топологического ключа не содержит резонансных элементов, так что даже на сравнительно низких частотах в СВЧ-диапазоне размеры могут быть малы. В случае полного согласования элементов триггера время переключения определяется лишь временем прохождения волнового пакета поля через топологический ключ. Скорость переключения топологического ключа можно оценить из следующей формулы для _p времени, в течение которого уровень запасенной энергии убывает в е раз:

_p= , где Q_н нагруженная добротность топологического ключа; _о его резонансная частота при закороченных входе и выходах.

Из формулы следует, что уменьшение _p связано с ростом _о и низкими значениями Q_н 2 .

Таким образом, в данном случае устраняется физическое ограничение скорости переключения ключа, как это имеет место в транзисторных элементах, связанного со сравнительно низкой скоростью движения зарядов через кристаллическую решетку полупроводника, которая не превышает 1 нс предельного значения для современной технологии. Оценки показывают, что пикосекундное быстродействие достигается при выполнении топологического ключа с характерными размерами не более десятых долей миллиметра и компоновкой триггера в виде объемной интегральной схемы с пленочными подложками.