Устройство с отрицательным сопротивлением

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве активного элемента в автогенераторах, активных фильтрах, усилителях, преобразователях физических величин, устройствах импульсной техники. Технический результат заключается в обеспечении возможности регулирования параметров вольт-амперной характеристики устройства. Устройство с отрицательным сопротивлением содержит четырнадцать транзисторов, усилительный элемент, двухполюсный элемент с полным внутренним сопротивлением и восемь генераторов тока. 2 ил.

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

Известно устройство с отрицательным сопротивлением (Пат. Великобритании N 2089159, кл. H 03 H 11/52), содержащее первый и второй транзисторы, эмиттеры которых соединены с первым выводом устройства, базы соединены соответственно с первым и вторым отводами базового делителя напряжения, коллекторы соединены с входами соответствующих первого и второго токовых отражателей, выходы которых соединены с третьим отводом базового делителя напряжения и первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, которая является вторым выводом устройства с отрицательным сопротивлением.

Недостатком этого устройства является невозможность электронного регулирования параметров вольт-амперной характеристики.

Также известно устройство с отрицательным сопротивлением (Пат. РФ N 2060582, кл. H 03 H 11/52), содержащее первый и второй транзисторы, эмиттеры которых соединены с первым выводом устройства, коллектор первого транзистора соединен с выходом первого генератора тока и входом токового отражателя, выход которого соединен с базой первого транзистора, базой и коллектором третьего транзистора и базой и коллектором четвертого транзистора, эмиттер которого соединен с эмиттером пятого транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом второго генератора тока, эмиттер третьего транзистора соединен с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, являющейся вторым выводом устройства с отрицательным сопротивлением.

Недостатком это устройства является то, что оно не позволяет получить симметричную вольт-амперную характеристику с регулируемой нелинейностью.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство с отрицательным сопротивлением (Пат. РФ N 2105408, кл. H 03 H 11/52), содержащее первый и второй транзисторы, эмиттеры которых являются первым выводом устройства с отрицательным сопротивлением и соединены с инвертирующим входом усилительного элемента, третий и четвертый транзисторы, коллекторы которых соединены соответственно с первой и второй шинами питания, эмиттеры соединены с первым выводом двухполюсного элемента с полным внутренним сопротивлением и неинвертирующим входом усилительного элемента, выход которого соединен с эмиттерами пятого и шестого транзисторов, база первого транзистора соединена с базой пятого транзистора и эмиттером седьмого транзистора, база которого соединена с выходом первого генератора тока и коллектором пятого транзистора, база второго транзистора соединена с базой шестого транзистора и эмиттером восьмого транзистора, база которого соединена с выходом второго генератора тока и коллектором шестого транзистора, второй вывод двухполюсного элемента с полным внутренним сопротивлением соединен с общей шиной, которая является вторым выводом устройства с отрицательным сопротивлением.

Недостатком этого устройства является невозможность электронного управления параметрами вольт-амперной характеристики.

Цель изобретения - обеспечение возможности электронного управления параметрами вольт-амперной характеристики устройства с отрицательным сопротивлением.

Цель изобретения достигается тем, что в устройство с отрицательным сопротивлением, содержащее первый и второй транзисторы, эмиттеры которых являются первым выводом устройства с отрицательным сопротивлением и соединены с инвертирующим входом усилительного элемента, третий и четвертый транзисторы, коллекторы которых соединены соответственно с первой и второй шинами питания, эмиттеры соединены с первым выводом двухполюсного элемента с полным внутренним сопротивлением и неинвертирующим входом усилительного элемента, выход которого соединен с эмиттерами пятого и шестого транзисторов, база первого транзистора соединена с базой пятого транзистора и эмиттером седьмого транзистора, база которого соединена с выходом первого генератора тока и коллектором пятого транзистора, база второго транзистора соединена с базой шестого транзистора и эмиттером восьмого транзистора, база которого соединена с выходом второго генератора тока и коллектором шестого транзистора, второй вывод двухполюсного элемента с полным внутренним сопротивлением соединен с общей шиной, которая является вторым выводом устройства с отрицательным сопротивлением, введены девятый и десятый транзисторы, коллекторы которых соединены соответственно с первой и второй шинами питания, коллектор первого транзистора соединен с выходом третьего генератора тока, базой третьего транзистора и эмиттером девятого транзистора, база которого соединена с базой одиннадцатого транзистора и эмиттером двенадцатого транзистора, база которого соединена с выходом четвертого генератора тока и коллектором одиннадцатого транзистора, эмиттер которого соединен с базой первого транзистора и выходом пятого генератора тока, коллектор второго транзистора соединен с выходом шестого генератора тока, базой четвертого транзистора и эмиттером десятого транзистора, база которого соединена с базой тринадцатого транзистора и эмиттером четырнадцатого транзистора, база которого соединена с выходом седьмого генератора тока и коллектором тринадцатого транзистора, эмиттер которого соединен с базой второго транзистора и выходом восьмого генератора тока, коллекторы седьмого и двенадцатого транзисторов соединены с первой шиной питания, коллекторы восьмого и четырнадцатого транзисторов соединены со второй шиной питания.

Устройство с отрицательным сопротивлением поясняется фиг. 1, на которой приведена его электрическая принципиальная схема и показано распределение токов при его работе, а также фиг. 2, на которой изображена нормированная вольт-амперная характеристика этого устройства.

Устройство с отрицательным сопротивлением содержит первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4, пятый 5, шестой 6, седьмой 7, восьмой 8, девятый 9, десятый 10, одиннадцатый 11, двенадцатый 12, тринадцатый 13 и четырнадцатый 14 транзисторы, усилительный элемент 15, двухполюсный элемент с полным внутренним сопротивлением 16, первый 17, второй 18, третий 19, четвертый 20, пятый 21, шестой 22, седьмой 23 и восьмой 24 генераторы тока.

Работу устройства с отрицательным сопротивлением рассмотрим при следующих допущениях: третий, пятый, седьмой, девятый, одиннадцатый и двенадцатый транзисторы идентичны первому транзистору, четвертый, шестой, восьмой, десятый, тринадцатый и четырнадцатый транзисторы идентичны второму транзистору, транзисторы работают на частотах, много меньших граничной частоты их коэффициента передачи по току в схеме с общей базой, базовые токи транзисторов пренебрежимо малы по сравнению с их коллекторными токами, внутреннее сопротивление источников напряжения питания пренебрежимо мало, входное сопротивление усилительного элемента по обоим входам бесконечно велико, а его выходное сопротивление много меньше внутреннего сопротивления генераторов тока.

Первоначально подаются напряжения питания и токи генераторов тока такой величины, чтобы вывести все транзисторы в активный режим. При этом эмиттерные токи первого, второго, пятого и шестого транзисторов устанавливаются равными выходному току I₁ первого и второго генераторов тока, эмиттерные токи одиннадцатого и тринадцатого транзисторов - равными выходному току I₂ четвертого и седьмого генераторов тока, эмиттерные токи девятого и десятого транзисторов - равными I₁ + I₃, где I₃ - значение выходных токов третьего и шестого генераторов тока, эмиттерные токи седьмого и восьмого транзисторов устанавливаются равными I₅ - I₂, где I₅ - выходной ток пятого и восьмого генераторов тока.

Чтобы найти значения эмиттерных токов третьего и четвертого транзистора, заметим (см. фиг. 1), что: U_бэ9 + U_бэ3 + U_бэ4 + U_бэ10 = U_бэ11 + U_бэ5 + U_бэ6 + U_бэ13, (1) где U_бэi - базо-эмиттерное напряжение i-го транзистора.

Представим в (1) базо-эмиттерные напряжения уравнением Эберса-Молла с точностью до значения обратного тока эмиттерного p-n-перехода: где Φ_T- - температурный потенциал; I₄ - эмиттерный ток третьего и четвертого транзисторов; I_S1 - обратный ток эмиттерных p-n-переходов транзисторов 1, 3, 5, 9, 11; I_S2 - обратный ток эмиттерных p-n-переходов транзисторов 2, 4, 6, 10, 13.

Из (2) следует, что: Таким образом, в статическом режиме эмиттерные токи транзисторов 3 и 4 равны В динамическом режиме на выводы устройства с отрицательным сопротивлением подается переменный ток i_аб, который делится на ток i₁, втекающий в эмиттер транзистора 1 и далее поступающий в эмиттер транзистора 9, и ток i₂, втекающий в эмиттер транзистора 2 и далее поступающий в эмиттер транзистора 10: i_аб = i₁ + i₂ (4) При этом в цепи транзисторов 3 и 4 возникают соответствующие переменные токи i₃ и i₄, протекающие через двухполюсный элемент с полным внутренним сопротивлением 16.

Усилительный элемент охвачен отрицательной обратной связью с помощью первого и второго транзисторов и положительной обратной связью с помощью третьего и четвертого транзисторов. Глубина отрицательной обратной связи в данном устройстве всегда больше глубины положительной, так как:

где K_ПОС - коэффициент передачи по напряжению с выхода усилительного элемента на его неинвертирующий вход; K_ООС - коэффициент передачи по напряжению с выхода усилительного элемента на его инвертирующий вход (K_ООС ≈ 1); Z - сопротивление двухполюсного элемента с полным внутренним сопротивлением; r_э3 и r_э4 - эмиттерные сопротивления третьего и четвертого транзисторов соответственно.

Вследствие преобладания отрицательной обратной связи напряжение на эмиттерах первого и третьего транзисторов поддерживается одинаковым. Поэтому напряжение u_аб, возникающее на выводах устройства с отрицательным сопротивлением под действием тока i_аб, равно падению напряжений на элементе 16:
u_аб = -Z(i₃ + i₄) (6)
Чтобы найти значения токов i₃ и i₄, запишем уравнения Кирхгофа для замкнутого контура, образованного базо-эмиттерными p-n-переходами транзисторов 1, 2, 5 и 6:
U_бэ1 + U_бэ2 = U_бэ5 + U_бэ6, (7)
а также учтем, что вследствие равенства напряжений на входах усилительного элемента:

Представим в (7) и (8) базо-эмиттерные напряжения с помощью уравнения Эберса-Молла с точностью до значения обратного тока эмиттерного p-n-перехода:

и упростим полученные уравнения:

Система уравнений (4), (10) определяет следующую зависимость суммы токов i₃ и i₄ от тока i_аб:

Подставив (11) в (6), получим уравнение вольт-амперной характеристики устройства с отрицательным сопротивлением:

Малосигнальное значение эквивалентного отрицательного сопротивления равно:

Из выражений (12), (13) и фиг. 2 видно, что, изменяя токи I₁, I₂ и I₃, можно в широких пределах варьировать параметры вольт-амперной характеристики, так как степень ее нелинейности зависит от соотношения токов I₁ и I₃, малосигнальное значение отрицательного сопротивления пропорционально отношению тока I₂ к току I₁, а предельное отклонение напряжения u_аб от нуля пропорционально току I₂.

Таким образом, заявленное устройство с отрицательным сопротивлением выгодно отличается от аналогов и прототипа тем, что допускает электронное управление основными параметрами вольт-амперной характеристики - степенью ее нелинейности, малосигнальным значением отрицательного сопротивления и пределом максимального изменения напряжения на выводах устройства.

Формула изобретения

Устройство с отрицательным сопротивлением, содержащее первый и второй транзисторы, эмиттеры которых являются первым выводом устройства с отрицательным сопротивлением и соединены с инвертирующим входом усилительного элемента, третий и четвертый транзисторы, коллекторы которых соединены соответственно с первой и второй шинами питания, эмиттеры соединены с первым выводом двухполюсного элемента с полным внутренним сопротивлением и неивертирующим входом усилительного элемента, выход которого соединен с эмиттерами пятого и шестого транзисторов, база первого транзистора соединена с базой пятого транзистора и эмиттером седьмого транзистора, база которого соединена с выходом первого генератора тока и коллектором пятого транзистора, база второго транзистора соединена с базой шестого транзистора и эмиттером восьмого транзистора, база которого соединена с выходом второго генератора тока и коллектором шестого транзистора, коллекторы седьмого и восьмого транзисторов соединены соответственно с первой и второй шинами питания, второй вывод двухполюсного элемента с полным внутренним сопротивлением соединен с общей шиной, которая является вторым выводом устройства с отрицательным сопротивлением, отличающееся тем, что в него введены с девятого по четырнадцатый транзисторы и с третьего по восьмой генераторы тока, коллекторы девятого и десятого транзисторов соединены соответственно с первой и второй шинами питания, коллектор первого транзистора соединен с выходом третьего генератора тока, базой третьего транзистора и эмиттером девятого транзистора, база которого соединена с базой одиннадцатого транзистора и эмиттером двенадцатого транзистора, база которого соединена с выходом четвертого генератора тока и коллектором одиннадцатого транзистора, эмиттер которого соединен с базой первого транзистора и выходом пятого генератора тока, коллектор второго транзистора соединен с выходом шестого генератора тока, базой четвертого транзистора и эмиттером десятого транзистора, база которого соединена с базой тринадцатого транзистора и эмиттером четырнадцатого транзистора, база которого соединена с выходом седьмого генератора тока и коллектором тринадцатого транзистора, эмиттер которого соединен с базой второго транзистора и выходом восьмого генератора тока, коллекторы двенадцатого и четырнадцатого транзисторов соединены соответственно с первой и второй шинами питания, причем генераторы тока включены таким образом, что эмиттерные токи первого, второго, пятого и шестого транзисторов равны выходному току I₁ первого и второго генераторов тока, эмиттерные токи одиннадцатого и тринадцатого транзисторов равны выходному току I₂ четвертого и седьмого генераторов тока, эмиттерные токи девятого и десятого транзисторов равны I₁ + I₃, где I₃ - значение выходных токов третьего и шестого генераторов тока, эмиттерные токи седьмого и восьмого транзисторов равны I₅ - I₂, где I₅ - выходной ток пятого и восьмого генераторов тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2