Устройство с отрицательным сопротивлением

 

Использование: в автогенераторах, активных фильтрах, усилителях, устройствах импульсной техники в качестве активного элемента. Сущность изобретения: повышение температурной стабильности отрицательного сопротивления и экономичности устройства с отрицательным сопротивлением достигается тем, что в устройство с отрицательным сопротивлением, содержащее транзисторы 1 - 5, резистор 6, источники тока 7, 8, введено токовое зеркало 9 и изменены связи элементов, что устраняет зависимость отрицательного сопротивления от параметров транзисторов во всем диапазоне изменения входного тока. 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве активного элемента в автогенераторах, активных фильтрах, усилителях, устройствах импульсной техники.

Известно устройство с отрицательным сопротивлением, содержащее два параллельно включенных токовых инвертора, входы которых соединены с первым выходом устройства, а выходы соединены через резистор, конвертируемый в отрицательное сопротивление, с вторым выходом устройства, при этом цепь внутренней положительной обратной связи замкнута с помощью двух транзисторов в диодном включении [1] Известно также устройство с отрицательным сопротивлением, содержащее два транзистора противоположной структуры, эмиттеры которых являются выходами устройства, пять резисторов, обеспечивающих стабилизацию режима транзисторов по постоянному току, и источник тока [2] Общим недостатком данных устройств является зависимость отрицательного сопротивления от эмиттерных сопротивлений транзисторов, что снижает его температурную стабильность, а также обусловливает повышенную потребляемую мощность, так как уменьшение влияния эмиттерных сопротивлений транзисторов требует увеличения токов смещения транзисторов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство с отрицательным сопротивлением, содержащее первый, второй и третий транзисторы, структура которых противоположна структуре четвертого и пятого транзисторов, резистор и источник тока, причем база первого транзистора соединена с базой и коллектором второго транзистора и коллектором третьего транзистора, эмиттер первого транзистора соединен с эмиттером четвертого транзистора и первым выходом устройства, эмиттер второго транзистора соединен с эмиттером пятого транзистора, база и коллектор которого соединены с базой четвертого транзистора и первым выводом источника тока, второй вывод которого соединен с коллектором четвертого транзистора и шиной питания [3] Недостатком этого устройства является зависимость эквивалентного отрицательного сопротивления от эмиттерных сопротивлений первого и четвертого транзисторов, что обусловливает его зависимость от температуры, а также приводит к повышению потребляемой мощности, так как для уменьшения влияния эмиттерных сопротивлений необходимо увеличить токи смещения транзисторов.

Цель изобретения повышение температурной стабильности отрицательного сопротивления и экономичности устройства с отрицательным сопротивлением.

Это достигается тем, что в устройство с отрицательным сопротивлением, содержащее первый, второй и третий транзисторы, структура которых противоположна структуре четвертого и пятого транзисторов, резистор и источник тока, причем база первого транзистора соединена с базой и коллектором второго транзистора и коллектором третьего транзистора, эмиттер первого транзистора соединен с эмиттером четвертого транзистора и первым выходом устройства, эмиттер второго транзистора соединен с эмиттером пятого транзистора, база и коллектор которого соединены с базой четвертого транзистора и первым выводом источника тока, второй вывод которого соединен с коллектором четвертого транзистора и шиной питания, дополнительно введены второй источник тока и токовое зеркало, общая точка которого соединена с второй шиной питания, вход соединен с коллектором первого транзистора и первым выводом второго источника тока, а выход соединен с коллектором и базой третьего транзистора, эмиттер которого соединен с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, которая является вторым выходом устройства, при этом второй вывод второго источника тока соединен с первой шиной питания.

Существенным новым признаком предложенного устройства по сравнению с прототипом является введение последовательно с вторым выходом устройства третьего транзистора в диодном включении, на который с помощью токового зеркала подан ток, протекающий в цепи первого транзистора.

Положительный эффект достигается за счет того, что на третьем транзисторе в диодном включении формируется напряжение, компенсирующее падение напряжений во входной цепи устройства, образованной первым и четвертым транзисторами.

На фиг. 1 приведена электрическая принципиальная схема, предложенного устройства; на фиг.2 показано распределение токов в предложенном устройстве при его работе; на фиг.3 представлены вольт-амперная характеристика (а) и зависимость отрицательного сопротивления от тока между выходами устройства (б).

Устройство с отрицательным сопротивлением содержит (см. фиг.1) первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4 и пятый 5 транзисторы, резистор 6, первый 7 и второй 8 источники тока, токовое зеркало 9.

При рассмотрении работы предложенного устройства будем полагать токи базы транзисторов пренебрежимо малыми по сравнению с их коллекторными токами, транзисторы одинаковой структуры идентичными и работающими на частотах много меньших f_α- граничной частоты коэффициента передачи транзисторов по току в схеме с общей базой.

Первоначально подаются напряжения на шины питания и токи источников тока такой величины, чтобы вывести все транзисторы в активный режим. При равенстве токов источников тока 7 и 8 коллекторные токи всех транзисторов устанавливаются равными току I_o этих источников тока.

Пусть теперь между выходами а-б предложенного устройства протекает некоторый ток i_аб. Этот ток делится на ток i₁, втекающий в эмиттер транзистора 1 и поступающий далее на вход токового зеркала, и ток i₂, втекающий в эмиттер транзистора 2: i_аб i₁ + i₂ (1) С выхода токового зеркала проинвертированный ток i₁ поступает в цепь, образованную транзистором 3 в диодном включении и резистором, так как в силу принятых допущений эквивалентное сопротивление остальной части схемы в точке подключения выхода токового зеркала равно бесконечности.

В результате протекания тока i_аб напряжение между токами а-б получает приращение Δ U_аб, которое равно (см. фиг.2) Δ U_аб Δ U_бэ1 + Δ U_бэ3 i_1R, (2) где R сопротивление резистора 6; Δ U_бэ1 и Δ U_бэ3 приращение базо-эмиттерных напряжений транзисторов 1 и 3.

Так как транзисторы 1 и 3 идентичны и через них протекают равные токи, то Δ U_бэ1U_бэ3, откуда в соответствии с выражением (2) имеем Δ U_аб i₁R. (3) Для определения соотношения между токами i₁ и i_аб просуммируем напряжения вдоль замкнутого контура, образованного базо-эмиттерными р-n-переходами транзисторов 1, 2, 5, 4:
U_бэ1 + U_бэ4 U_бэ2 + U_бэ5 (4) где U_бэi базо-эмиттерное напряжение i-го транзистора.

Используя уравнение Эберса-Молла, запишем уравнение (4) в следующем виде:
ϕ_тln +ϕ_гln ϕ_тln +ϕ_т
(5) где ϕ_т температурный потенциал;
I_s1 обратный ток базо-эмиттерного перехода транзисторов 1,2,3;
I_s4 обратный ток базо-эмиттерного перехода транзисторов 4 и 5.

Преобразовав выражение (5), получим
i i + 1 (6)
Решив систему уравнений (1), (6), найдем зависимость тока i₁ от тока i_аб:
i₁= I1+ - (7)
Подставка выражения (7) в выражение (3) дает уравнение динамической вольт-амперной характеристики предложенного устройства с отрицательным сопротивлением:
ΔU_аб= RI1+ - (8)
Отрицательное сопротивление равно
Z^- 1 (9)
Из уравнений 93), (7) (9) следует, что отрицательное сопротивление в предложенном устройстве не зависит от параметров транзисторов во всем диапазоне изменения входного тока i_аб. Это обусловливает его повышенную температурную стабильность, а также позволяет выбирать минимальные значения тока смещения транзисторов I_о, уменьшая потребляемую устройством мощность.

Формула изобретения

Устройство с отрицательным сопротивлением, содержащее первый, второй и третий транзисторы, имеющие одну структуру, четвертый и пятый транзисторы, имеющие другую структуру, причем база первого транзистора соединена с базой и коллектором второго транзистора и коллектором третьего транзистора, эмиттер первого транзистора подключен к эмиттеру четвертого транзистора и является первым выходом устройства, вторым выходом которого является первый вывод резистора, соединенный с общей шиной, эмиттер второго транзистора подключен к эмиттеру пятого транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом первого источника тока и базой четвертого транзистора, коллектор которого и выводы питания первого и второго источников тока соединены с первой шиной питания, отличающееся тем, что в него введено токовое зеркало, вывод питания которого подключен к второй шине питания, вход к коллектору первого транзистора и выходу второго источника тока, а выход к коллектору и базе третьего транзистора, эмиттер которого соединен с вторым выводом резистора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3