Устройство с отрицательным сопротивлением

 

Использование: в радиотехнике, в качестве активного элемента в автогенераторах, активных фильтрах, усилителях, нелинейных корректирующих устройствах, устройствах импульсной техники. Сущность изобретения: в устройство с отрицательным сопротивлением, содержащее транзисторы 1-8 и генераторы тока 15-18, введены двухполюсный элемент 9 с полным внутренним сопротивлением, усилительный элемент 10, диодные двухполюсники 11-14 и генератор тока 19, что позволяет устранить зависимость отрицательного сопротивления от эмиттерных сопротивлений транзисторов 1, 3, а также обеспечить дополнительную возможность регулирования величины отрицательного сопротивления за счет изменения числа диодов в составе диодных двухполюсников 11-14. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое 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 (заявка Великобритании N 2089159, кл. H 03H 11/52), содержащее два параллельно включенных токовых инвертора, входы которых соединены с первым выводом устройства, выходы соединены через резистор с вторым выводом устройства, при этом цепь внутренней положительной обратной связи замкнута с помощью транзисторов в диодном включении.

Недостатками данного устройства являются зависимость отрицательного сопротивления от эмиттерных сопротивлений транзисторов, что снижает его температурную стабильность, а также невозможность электронного регулирования параметров отрицательного сопротивления.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство с отрицательным сопротивлением (патент СССР N 1822509, кл. H 03H 11/52), содержащее базовый делитель напряжения, в состав которого входят первый и второй диодные двухполюсники, полюсы которых являются отводами делителя, первый транзистор, база которого подключена к первому полюсу первого диодного двухполюсника, второй транзистор, база которого подключена к выходу первого генератора тока и второму полюсу второго диодного двухполюсника, третий и четвертый двухэмиттерные транзисторы, первые эмиттеры которых подключены к выходу второго генератора тока, вторые эмиттеры подключены к выходу третьего генератора тока, пятый транзистор, база которого подключена к базе третьего транзистора и является первым выводом устройства, эмиттер подключен к выходу четвертого генератора тока и эмиттеру шестого транзистора, база которого подключена к базе четвертого транзистора, второму полюсу первого диодного двухполюсника и первому полюсу второго диодного двухполюсника, коллектор третьего транзистора подключен к коллектору шестого транзистора, коллектор четвертого транзистора подключен к коллектору пятого транзистора, вторым выводом устройства является общая шина, структура второго транзистора противоположна структуре первого, третьего, четвертого, пятого и шестого транзисторов.

Недостатками данного устройства являются зависимость отрицательного сопротивления от эмиттерных сопротивлений первого и второго транзисторов, что обусловливает его температурную нестабильность, а также ограниченный диапазон регулирования отрицательного сопротивления.

Цель изобретения повышение температурной стабильности отрицательного сопротивления и расширение диапазона его регулирования.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство с отрицательным сопротивлением, содержащее базовый делитель напряжения, в состав которого входят первый и второй диодные двухполюсники, полюсы которых являются отводами делителя, первый транзистор, база которого подключена к первому полюсу первого диодного двухполюсника, второй транзистор, база которого подключена к выходу первого генератора тока и второму полюсу второго диодного двухполюсника, третий и четвертый двухэмиттерные транзисторы, первые эмиттеры которых подключены к выходу второго генератора тока, вторые эмиттеры подключены к выходу третьего генератора тока, пятый транзистор, база которого подключена к базе третьего транзистора и является первым выводом устройства, эмиттер подключен к выходу четвертого генератора тока и эмиттеру шестого транзистора, база которого подключена к базе четвертого транзистора, второму полюсу первого диодного двухполюсника и первому полюсу второго диодного двухполюсника, коллектор третьего транзистора подключен к коллектору шестого транзистора, коллектор четвертого транзистора подключен к коллектору пятого транзистора, вторым выводом устройства является общая шина, структура второго транзистора противоположна структуре первого, третьего, четвертого, пятого и шестого транзисторов, введены пятый генератор тока, выход которого подключен к базе первого транзистора, двухполюсный элемент с полным внутренним сопротивлением, включенный между коллектором четвертого транзистора и общей шиной, усилительный элемент, неинвертирующий вход которого подключен к коллектору четвертого транзистора, инвертирующий вход подключен к базе третьего транзистора, причем первый и второй диодные двухполюсники состоят из N транзисторов в диодном включении (N целое положительное число), точки соединения которых также являются отводами базового делителя напряжения, эмиттеры первого и второго транзисторов подключены к базе третьего транзистора при N 1 непосредственно, а при N > 1 через соответствующие третий и четвертый диодные двухполюсники, состоящие из N-1 транзисторов в диодном включении, выход усилительного элемента подключен к одному из отводов базового делителя напряжения, коллекторы первого и третьего транзисторов через соответствующие первую и вторую цепи нагрузки подключены к общей шине, коллектор второго транзистора через третью цепь нагрузки подключен к шине питания.

В качестве усилительного элемента может быть использован единственный транзистор, идентичный по структуре второму транзистору, причем неинвертирующим входом усилительного элемента в этом случае является эмиттер транзистора, инвертирующим входом база транзистора, выходом коллектор транзистора.

Устройство с отрицательным сопротивлением поясняется фиг.1, на которой приведена его электрическая схема и показано распределение переменных токов при его работе, а также фиг.2, на которой изображены вольт-амперные характеристики устройства при различных значениях его параметров.

Устройство с отрицательным сопротивлением содержит первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4, пятый 5 и шестой 6 транзисторы, первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 диодные двухполюсники, первый 11, второй 12, третий 13, четвертый 14 и пятый 15 генераторы тока, двухполюсный элемент с полным внутренним сопротивлением 16, первую 17, вторую 18 и третью 19 цепи нагрузки.

При рассмотрении работы устройства будем полагать, что структура транзисторов, входящих в состав первого и третьего диодных двухполюсников, идентична структуре первого транзистора, структура транзисторов, входящих в состав второго и четвертого диодных двухполюсников, идентична структуре второго транзистора, все транзисторы идентичны, за исключением двухэмиттерных транзисторов 3 и 4, отличающихся площадями эмиттеров, причем площади первого и второго эмиттеров транзистора 3 равны соответственно площадям второго и первого эмиттеров транзистора 4, токи базы и обратные токи p n-переходов транзисторов пренебрежимо малы по сравнению с их коллекторными токами, частота входного сигнала много меньше граничной частоты коэффициента передачи транзисторов по току в схеме с общей базой, внутренние сопротивления генератора тока бесконечно велики, выходной ток генератора тока 12 равен выходному току генератора тока 13.

Первоначально подаются напряжение питания и токи генераторов тока такой величины, чтобы ввести все транзисторы в активный режим. При этом коллекторные токи транзисторов 1, 2 и токи в цепях диодных двухполюсников устанавливаются равными выходному току I₀₁ генератора тока 15, коллекторные токи транзисторов 5 и 6 устанавливаются равными половине выходного тока I₀₂ генератора тока 14. Величины эмиттерных токов транзисторов 3 и 4 определяются значениями выходных токов генераторов тока 12, 13, а также соотношением площадей эмиттеров данных транзисторов: где I₀₃ значение эмиттерных токов, протекающих в цепях первого эмиттера транзистора 3 и второго эмиттера транзистора 4; I₀₄ значение эмиттерных токов, протекающих в цепях второго эмиттера транзистора 3 и первого эмиттера транзистора 4; S_э1 значение площадей первого эмиттера транзистора 3 и второго эмиттера транзистора 4; S_э2 значение площадей второго эмиттера транзистора 3 и первого эмиттера транзистора 4; I₀ значение выходных токов генераторов тока 12, 13.

Соотношение между переменными токами в схеме устройства определяется законами Кирхгофа для узла, в котором происходит разделение входного тока на токи i₁ и i₂: i_вх=i₁+i₂, (2) и для замкнутых контуров, образованных p n-переходами транзисторов 1, 2 и диодных двухполюсников 11, 12, 13, 14:
транзисторов 3, 4 и 1, 2 и диодных двухполюсников 7, 8:

транзисторов 5, 6 и 1, 2 и диодных двухполюсников 7, 8:

где i₁ переменный ток, протекающий в цепи транзистора 1 и диодного двухполюсника 9;
i₂ переменный ток, протекающий в цепи транзистора 2 и диодного двухполюсника 10;
i₅ переменный ток, протекающий в эмиттерной цепи транзисторов 5 и 6;
i₃ переменный ток, протекающий в цепи первых эмиттеров транзисторов 3 и 4;
i₄ переменный ток, протекающий в цепи вторых эмиттеров транзисторов 3 и 4;
I_s1 обратный ток базо-эмиттерных p n-переходов транзисторов 1, 3, 4, 5, 6 и диодных двухполюсников 7, 9;
I_s2 обратный ток базо-эмиттерных p n-переходов транзистора 2 и диодных двухполюсников 8, 10;
ϕ_т температурный потенциал.

Преобразовав выражения (3)-(5), получим систему нелинейных алгебраических уравнений, связывающую значения токов i₁, i₂, i₃, i₄, i₅ с величиной входного тока:

Возникающее под действием входного тока переменное напряжение на выводах а-б устройства равно переменному напряжению на двухполюсном элементе с полным внутренним сопротивлением 16:
U_вх=Z(i₃+i₄-i₅), (7)
где Z сопротивление элемента 16.

Решение системы (6) дает следующие значения токов i₅ и i₃+i₄:

Подставляя (8) в (7), получим выражение вольт-амперной характеристики устройства с отрицательным сопротивлением:

где

Отсюда отрицательное сопротивление в точках а-б равно

а его малосигнальное значение Z_вхо (Z_вх=Z_вхо при i_вх_→ 0) определяется следующим выражением:

Как видно из выражений (9)-(11), вольт-амперная характеристика и отрицательное сопротивление предложенного устройства не зависят от параметров транзисторов. Причем в отличие от прототипа, где условием температурной независимости вольт-амперной характеристики является значительное превышение сопротивления резистора, конвертируемого в отрицательное сопротивление, над эмиттерными сопротивлениями первого и второго транзисторов, в предложенном устройстве температурная независимость отрицательного сопротивления сохраняется при любых значениях сопротивления элемента 16, в том числе существенно меньших эмиттерных сопротивлений транзисторов 1 и 2. Это позволяет значительно расширить диапазон перестройки отрицательного сопротивления в сторону уменьшения. Введение диодных двухполюсников позволяет расширить диапазон реализуемых номиналов отрицательного сопротивления в сторону увеличения.

Формула изобретения

1. Устройство с отрицательным сопротивлением, содержащее базовый делитель напряжения, в состав которого входят первый и второй диодные двухполюсники, выводы которых являются отводами базового делителя напряжения, первый транзистор, база которого подключена к первому выводу первого диодного двухполюсника, второй транзистор, база которого подключена к выходу первого генератора тока и второму выводу второго диодного двухполюсника, третий и четвертый двухэмиттерные транзисторы, первые эмиттеры которых подключены к выходу второго генератора тока, вторые эмиттеры подключены к выходу третьего генератора тока, пятый транзистор, база которого подключена к базе третьего транзистора, эмиттер подключен к выходу четвертого генератора тока и эмиттеру шестого транзистора, база которого подключена к базе четвертого транзистора, второму выводу первого диодного двухполюсника и первому выводу второго диодного двухполюсника, коллектор третьего транзистора подключен к коллектору шестого транзистора, коллектор четвертого транзистора подключен к коллектору пятого транзистора, эмиттеры первого и второго транзисторов соединены с базой третьего транзистора, являющейся первым выводом устройства с отрицательным сопротивлением, вторым выводом устройства является общая шина, структура второго транзистора противоположна структуре первого, третьего, четвертого, пятого и шестого транзисторов, отличающееся тем, что в него введены пятый генератор тока, выход которого подключен к базе первого транзистора, двухполюсный элемент с полным внутренним сопротивлением, включенный между коллектором четвертого транзистора и общей шиной, усилительный элемент, неинвертирующий вход которого подключен к коллектору четвертого транзистора, инвертирующий вход подключен к базе третьего транзистора, выход подключен к одному из отводов базового делителя напряжения, коллекторы первого и третьего транзисторов через соответствующие первую и вторую цепи нагрузки подключены к общей шине, коллектор второго транзистора через третью цепь нагрузки подключен к шине питания.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве усилительного элемента используется транзистор идентичный по структуре второму транзистору, эмиттер и база транзистора являются соответственно неинвертирующим и инвертирующим входами усилительного элемента, коллектор выходом усилительного элемента, причем эмиттеры первого и второго транзисторов соединены с базой третьего транзистора непосредственно.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что эмиттеры первого и второго транзисторов соединены с базой третьего транзистора через введенные, соответственно, третий и четвертый диодные двухполюсники, выполненные на N-1 транзисторах в диодном включении первый и второй диодные двухполюсники, выполненные на N транзисторах в диодном включении, точки соединения которых также являются отводами базового делителя напряжения, причем N > 1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2