В прошлый раз я рассказал о феррит-диодных ячейках и построенных на них логических ячейках. Эти ячейки были сложнее чисто полупроводниковых, и менее технологичны в изготовлении. Зачем же они были нужны?
Причин несколько. Первая, безусловно, экономия полупроводниковых компонентов, которые в то время были дорогими и выпускались в недостаточном количестве. Вторая причина менее очевидна - экономичность. Феррит-диодная ячейка потребляет ток только в момент переключения. В отличии от потенциальной логики, которая потребляет ток постоянно. Поэтому логические (цифровые) схемы на таких ячейках при низкой частоте следования тактовых импульсов гораздо экономичнее. Да, в вычислительных машинах это не имело большого значения, так как таковая частота была максимально высокой. Но в устройствах автоматики это считалось важным.
Феррит-диодные ячейки были пассивными, в них нет активных элементов. Это снижает стоимость, но создает несколько принципиальных проблем.
Во первых, разброс параметров сердечников приводит в разбросу наведенной ЭДС на выходных обмотках и, соответственно, создаваемому этой ЭДС току во входных обмотках последующих ячеек. При последовательном соединении ячеек. И это не считая того, что сердечник последующей ячейки мог требовать большего тока для перемагничивания в состояние "1". В результате, в сердечник последующей ячейки могла записаться "неполноценная единица". Это официально используемый в то время термин, не я его придумал.
Такая "неполноценная единица" соответствовала остаточной намагниченности ниже Br. И считывание такой единицы давало меньшую амплитуду импульса наведенной ЭДС и, как следствие, тока. В результате, в длинной цепочке последовательно соединенных ячеек могло наблюдаться явление "затухания единиц".
Во вторых, если выход одной ячейки нужно было соединить с несколькими входами других ячеек (параллельное включение). Ток создаваемый выходной обмоткой мог обеспечить перемагничивание 1-2 последующих параллельно включенных ячеек. А если их было больше?
Можно построить ячейку-размножитель, с выходной обмоткой имеющей большее количество витков, что позволит включить входные обмотки последующих ячеек последовательно (сами ячейки при этом окажутся включенными параллельно!). Но и это имеет свои пределы.
Решением всех этих проблем является добавление в базовую ячейку активного элемента - транзистора. Это повышает стоимость ячейки, но существенно улучшает ее характеристики, включая быстродействие. При этом сохраняется экономичность ячеек по питанию.
Если с феррит-диодными ячейками я знаком больше теоретически, и лабораторно, то с феррит-транзисторными довелось поработать и на практике. Правда немного, но довелось.
Как и всегда, статья написана по памяти. А поскольку дело это давнее, возможны неточности, и даже ошибки. Человеческая память не самая надежная штука...
Прежде, чем мы перейдем к рассмотрению феррит-транзисторных ячеек, настоятельно советую прочитать предыдущую статью
"Феррит-диодные ячейки. Старая импульсная логика. История цифровой техники."
если вы ее не читали. Так как я не буду повторять написанное. И сегодняшний рассказ будет гораздо более коротким, так как феррит-транзисторные ячейки являются дальнейшим развитием, улучшенным вариантом, феррит-диодных. Сам принцип работы ячеек остался тем же самым.
Базовая феррит-транзисторная ячейка
Сначала необходимо отметить, в те времена основным типом транзисторов были германиевые структуры PNP. И я буду на иллюстрациях показывать именно такие транзисторы. Для сохранения "духа эпохи". Так же, важно отметить, что коэффициент усиления β (это не привычный сегодня h21э) для использования транзисторов в таких ячейках не имеет большого значения.
Не трудно заметить, что основным отличием от феррит-диодной ячейки является замена диода на транзистор. И нагрузка теперь включается в коллекторную цепь транзистора. Насколько эти изменения позволяют решить проблемы феррит-диодных ячеек?
Теперь у нас импульс наведенной в выходной обмотке ЭДС создает не ток намагничивания следующей ячейки, а открывает транзистор создавая ток базы. И уже ток коллектора транзистора протекая через нагрузку является выходным сигналом.
Это, во первых, снижает нагрузку на сердечник, так как ток базы меньше необходимого для перемагничивания сердечника следующей ячейки тока. Во вторых, теперь и "неполноценная "1" не является проблемой, так как достаточно обеспечить насыщенное состояние транзистора, а это просто. В третьих, мы можем легко обеспечить достаточно большой ток для параллельно включенных входных обмоток последующих ячеек. Или для последовательно включенных входных обмоток, если Uк будет достаточно большим.
Снижение нагрузки на сердечник облегчает его тепловой режим, что благоприятно сказывается на стабильности и надежности работы ячейки. Разброс параметров сердечников теперь не столь критичен. Это не отменяет необходимости их сортировки на группы с близкими параметрами, но жесткость подбора снижает ощутимо. Ну и решена проблема "коэффициента разветвления по выходу".
Так что феррит-транзисторные ячейки действительно обладают лучшими характеристиками и более универсальны. Они и получили большее распространение.
Но мы можем еще немного улучшить характеристики ячеек! Давайте добавим положительную обратную связь
Что над дает положительная обратная связь? Магнитное поле обмотки обратной связи перемагничивает сердечник в том же направлении, что и тактовая обмотка. А это снижает нагрузку на генератор тактовых импульсов. Кроме того, ПОС увеличивает и быстродействие ячейки, так как процесс переключения становится лавинообразным.
На иллюстрациях я показал, что один вывод выходной обмотки заземлен. Это действительно допустимо для кремниевых транзисторов. Но давайте вспомним, что в те времена транзисторы были германиевыми. Поэтому вывод обмотки не заземлялся, а подключался к источнику напряжения смещения, которое поддерживало транзистор в закрытом состоянии при отсутствии импульса на выходной обмотке. Я не буду это показывать на иллюстрациях, просто имейте это ввиду.
Так же отмечу, что в цепи коллектора устанавливались дополнительные токоограничивающие резисторы. Я не буду показывать их на иллюстрациях. Равно как не буду далее показывать резистор в цепи эмиттера. Что бы не загромождать иллюстрации второстепенными деталями. Просто учитывайте это.
Последовательное и параллельное включение ячеек. Многофазная синхронизация
Последовательное соединение феррит-транзисторных ячеек мало отличается от такового для феррит-диодых. Я покажу варианты без ПОС, и с ПОС
Это последняя иллюстрация, на которой я показываю ячейку с ПОС. Введение ПОС влияет на детали работы ячейки, но не влияет на сам принцип работы ячейки. И с этой точки зрения работа ячеек обоих типов идентична.
Я специально не стал показывать иллюстрации сигналы фаз и тактов. Все сказанное о феррит-диодных ячейках применимо и к феррит-транзисторным. Поэтому однофазная схема тактирования, как для феррит-диодных ячеек, применяется редко. Наиболее распространены двух и трехфазные схемы тактирования.
Однако, все таки есть небольшое отличие. И касается оно обратной передачи информации. В феррит-транзисторных ячейках эта проблема практически не проявляется. Так как импульс напряжения на коллекторе транзистора, при тактовом импульсе на второй ячейке, оказывает гораздо меньшее влияние на ток базы, чем обратный ток диода в феррит-диодной ячейке.
А это пример подключения нескольких ячеек (сердечники показаны красным цветом) к выходу предыдущей. В данном случае я показал вариант с последовательным включением первичных обмоток. При этом суммарное падение напряжения на обмотках будет больше, что требует и повышенного напряжения питания, в данном случае это источник Uк1. Использование транзистора позволяет решить этот вопрос. При этом наводимая на выходной обмотке первой ячейки ЭДС остается неизменной.
Обратите внимание, что с точки зрения прохождения сигнала три ячейки включены параллельно, не смотря на последовательное включение первичных обмоток.
Другой вариант - параллельно подключения ячеек к выходу предыдущей ячейки.
В данном случае нам не требуется повышенное напряжение питания, но требуется повышенный допустимый ток коллектора от транзистора первой ячейки, транзистор должен быть более мощный. В данном варианте резисторы в цепях входных обмоток параллельно подключаемых ячеек принципиально необходимы.
Кстати, при этом, что бы не увеличивать нагрузку на сердечник, требуется больший коэффициент усиления (да, это старый термин, современный h21э) от транзистора первой ячейки. Для этого можно использовать составной транзистор.
Как видим, действительно основные проблемы феррит-диодных ячеек исправлены. При этом нет необходимости использовать только феррит-транзисторные ячейки. В устройстве можно использовать оба типа ячеек, для уменьшения его стоимости. И я сейчас покажу это.
Реализация функции запрета, пример гибридной ячейки
О важности ячейки реализующей функцию запрета я рассказал в предыдущей статье. Я же не зря советовал ее прочитать. Там же были показаны два варианта реализации: с дополнительной обмоткой (запрет записи), с дополнительным сердечником (запрет формирования выходного сигнала).
В феррит-транзисторных ячейках применимы оба варианта. Но более распространенным является вариант с двумя сердечниками. И в качестве иллюстрации я выберу я гибридный вариант, использование ячеек разных типов
В данном случае ячейка для собственно сигнала (а) феррит-транзисторная. А для сигнала запрета (b) феррит-диодная, так как от нее не требуется ничего особенного, нагрузка лишь базовая цепь транзистора.
Я не буду еще раз говорить о вопросе синхронизации между сигналами a и b, здесь все аналогично феррит-диодным ячейкам. И точно так же вопрос решается двухфазным тактированием и дополнительным каскадом синхронизации.
Реализация функций ИЛИ, И, НЕ
Здесь все полностью аналогично феррит-диодным ячейкам. Что, впрочем, совершенно не удивительно. Поэтому я не буду приводить дополнительных иллюстраций. Реализация функции И может строиться по гибридной схеме, так же, как я показал для функции запрета.
Реализация сложных функций и последовательностных схем
Может показаться, что сложные функции, например, счетный триггер, можно собрать только из рассмотренных ранее (и в этой, и в предыдущей статьях) "элементарных кубиков-ячеек". Да, это безусловно возможно, но такие ячейки стоили и в виде совершенно отдельных, довольно специфических схемотехнических решений.
Так счетный триггер содержал два сердечника, но на них было несколько дополнительных обмоток, в том числе, обмоток обратных связей. И на каждом сердечнике была собрана комбинированная ячейка, выполняющая сразу несколько функций. К сожалению, я не помню точную схему такого счетного триггера. Попытался и нарисовать по памяти, и синтезировать с нуля. Да, синтезировать получается, но в два сердечника не вписывается...
Так что прошу простить меня, но схемы не будет. Все таки дело было очень давно... Да, в конечном итоге я смогу составить рабочий вариант, но это потребует времени и усилий. Будем считать, что мне лень :)
Заключение
Феррит-транзисторные ячейки не являются каким то отдельным типом ячеек. Это усовершенствованный вариант феррит-диодных ячеек. И лежащие в основе их работы принципы идентичны.
Изначально, оба типа ячеек были разработаны для экспериментальной троичной вычислительной машины Сетунь, единственной, в своем роде. Феррит-диодные ячейки особого применения в других устройствах не нашли. А вот феррит-транзисторные некоторое распространение получили. И выпускались даже в виде готовых модулей
Использовались такие ячейки в устройствах автоматики, например, в станках с ЧПУ.
На динамических логических феррит-диодных и феррит-транзисторных ячейках достаточно легко строятся схемы последовательной обработки цифровых сигналов. Причем потребляют мощность от источника питания эти ячейки только в момент переключения. Не смотря на слово "динамические", частота переключения ячеек может быть очень низкой, вплоть до пары тактовых импульсов с сутки. Текущее состояние ячейки хранит сердечник с прямоугольной петлей гистерезиса. И даже отключение питания не приводит к искажению состояния. Такая вот энергонезависимая логика.
Но это все "дела давно минувших дней"....
