Двухполюсный элемент с отрицательным сопротивлением

 

Использование: в генераторах затухания в линиях связи, усилителях, пороговых устройствах. Сущность изобретения: устройство содержит четыре транзистора, источник тока и резистор. Первый и второй транзисторы выполнены с противоположными структурами. Структура третьего транзистора аналогична структуре второго, а структура четвертого транзистора аналогична структуре первого. Базы первого и третьего, второго и четвертого транзисторов соответственно соединены. Эмиттер первого и коллектор третьего транзисторов соединены и подключены к первому выводу двухполюсного элемента. Эмиттер второго и коллектор четвертого транзисторов соединены и подключены к второму выводу двухполюсного элемента. Между точками соединения коллектора первого и эмиттера четвертого транзисторов и коллектора второго и эмиттера третьего транзисторов соответственно включен резистор. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования в генераторах электрических колебаний, активных фильтрах, компенсаторах затухания в линиях связи, усилителях, пороговых устройствах.

Известно устройство с отрицательным сопротивлением (авт. св. СССР N 1325664, кл. Н 03 Н 11/44, 1987), содержащее первый и второй транзисторы противоположной структуры, первый и второй резисторы, включенные между коллектором одного и базой другого соответствующих транзисторов, третий резистор, включенный между базами транзисторов, четвертый и пятый резисторы, включенные между эмиттером одного и коллектором другого транзистора соответственно, источник тока, включенный между коллекторами транзисторов, причем выходные клеммы подключены к эмиттерам транзисторов.

Известно также устройство с отрицательным сопротивлением (Арефьев А.А., Баскаков Е.Н., Степанова Л.П. "Радиотехнические устройства на транзисторных эквивалентах p-n-p-n-cтруктуры. М.: Радио и связь, 1982, с. 13, табл. 1.2, рис. 7), содержащее первый и второй транзисторы противоположной структуры, первый и второй резисторы, включенные между базой и эмиттером каждого транзистора, третий резистор, включенный между базой первого и базой второго транзисторов, причем коллектор первого транзистора соединен с базой второго транзистора, а коллектор второго - с базой первого транзистора, эмиттеры транзисторов являются выходами устройства.

Недостатком известных устройств является их повышенная сложность. Число внешних выводов, включая выводы подключения источников питания, превышает число выводов, между которыми наблюдается отрицательное сопротивление. Помимо этого в указанных устройствах, кроме резисторов, непосредственно конвертируемых в отрицательное сопротивление, необходимы дополнительные резисторы, предназначенные для задания режима схемы по постоянному току. Наличие в составе известных устройств большого числа резисторов затрудняет их реализацию в виде полупроводниковых микросхем.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является двухполюсный элемент с отрицательным сопротивлением (авт. св. СССР N 1325664, кл. Н 03 Н 11/44, 1987), содержащий первый и второй транзисторы противоположной структуры, эмиттеры которых соединены соответственно с первым и вторым выводами двухполюсного элемента, источник тока и резистор.

Недостаток этого устройства - наличие в его составе большого числа резисторов, а также дополнительных внешних выводов, кроме тех, между которыми наблюдается отрицательное сопротивление, что усложняет изготовление данного устройства в интегральном виде.

Цель изобретения - упрощение устройства при интегральном изготовлении.

Поставленная цель достигается тем, что в двухполюсный элемент с отрицательным сопротивлением, содержащий первый и второй транзисторы противоположной структуры, эмиттеры которых соединены соответственно с первым и вторым выводами двухполюсного элемента, источник тока, резистор, введены третий и четвертый транзисторы, причем база третьего транзистора, по структуре аналогичного второму, соединена с базой первого транзистора, эмиттер третьего транзистора соединен с первым выводом резистора и коллектором второго транзистора, коллектор третьего транзистора соединен с эмиттером первого транзистора и первым выводом источника тока, база четвертого транзистора, по структуре аналогичного первому, соединена с базой второго транзистора, эмиттер четвертого транзистора соединен с вторым выводом резистора и коллектором первого транзистора, коллектор четвертого транзистора соединен с эмиттером второго транзистора и вторым выводом источника тока.

Сопоставительный анализ прототипа и предложенного технического решения показывает, что последнее отвечает критериям "новизна" и "существенные отличия".

Положительный эффект достигается за счет введения дополнительных транзисторов и видоизменения связей между элементами устройства, что позволяет уменьшить число резисторов в схеме устройства до одного, а число внешних выводов - до двух.

На чертеже приведена электрическая принципиальная схема двухполюсного элемента с отрицательным сопротивлением.

Он содержит первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4 транзисторы, резистор 5, источник тока 6.

Работу предлагаемого устройства будем рассматривать, полагая, что на схему устройства подан ток источника 6 и все транзисторы находятся в активном режиме. Также будем считать, что транзисторы работают на частотах много меньших f - граничной частоты коэффициента передачи транзисторов по току в схеме с общей базой α, токи базы транзисторов пренебрежимо малы по сравнению с их коллекторными токами.

Так как ток базы транзистора 1 равен току базы транзистора 3, а ток базы транзистора 4 равен току базы транзистора 2, то коллекторные токи этих транзисторов связаны следующими соотношениями: = ; = , (1) где I₁, I₂, I₃, I₄ - коллекторные токи транзисторов 1-4 соответственно; β₁, β₂, β₃, β₄, - коэффициенты усиления по току в схеме с общим эмиттером транзисторов 1-4 соответственно.

Сумма коллекторных токов транзисторов 1 и 3, а также транзисторов 2 и 4 равна току I источника тока 6: I₁+I₃=I₂+I₄=I. (2) Совместное решение уравнений (1) и (2) позволяет определить коллекторные токи транзисторов: I₁= I ; I₃= I ; (3) I₂= I ; I₄= I .

Направление тока в резисторе 5 зависит от соотношения коллекторных токов транзисторов 1 и 4 и транзисторов 2 и 3. Если I₁>I₄ и I₂>I₃, то ток I_R в резисторе протекает в направлении от коллектора транзистора 1 к коллектору транзистора 2, и равен I_R=I₁-I₄=I₂-I₃= . (4) Напряжение между точками а и б равно
U_аб=U+U-I_RR+U+U, (5) где R - сопротивление резистора 5;
U, U, U, U - базоэмиттерные сопротивления транзисторов 1-4 соответственно.

Зададим некоторое приращение тока ΔI от дополнительного источника тока между точками а и б. При этом напряжение U_аб также получит некоторое приращение ΔU, равное сумме приращений базоэмиттерных напряжений транзисторов и приращения напряжения на резисторе
ΔU= -ΔII+ΔU+ΔU+ΔU+ΔU, (6) где ΔU, ΔU, ΔU, ΔU - приращения базоэмиттерных напряжений соответственно первого, второго, третьего и четвертого транзисторов.

Динамическое сопротивление предложенного устройства между точками а и б равно отношению приращений тока и напряжения в этих точках
Z_э= =-R + . (7)
При условии, что крутизна транзисторов достаточно велика, чтобы можно было считать динамические сопротивления эмиттера транзисторов (второе слагаемое в выражении (7)) пренебрежимо малыми по сравнению с сопротивлением резистора R, а также при β₁ >> β₃ , β₂ >> β₄, (8) эквивалентное динамическое сопротивление предложенного устройства будет приближенно равно Z_э ≈ -R. (9)
Таким образом, предлагаемый элемент с отрицательным сопротивлением выгодно отличается от известного тем, что, при прочих равных условиях (диапазон рабочих частот, величина отрицательного сопротивления, потребляемая мощность, элементная база) проще его по построению и имеет лишь два внешних вывода и только один резистор в схеме, непосредственно конвертируемый в отрицательное сопротивление, что упрощает его изготовление в интегральном виде.

Формула изобретения

ДВУХПОЛЮСНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ, содержащий первый и второй транзисторы противоположной структуры, эмиттеры которых соединены соответственно с первым и вторым выводами двухполюсного элемента, источник тока, резистор, отличающийся тем, что, с целью упрощения устройства при интегральном изготовлении, введены третий и четвертый транзисторы, причем база третьего транзистора по структуре аналогично второму, соединена с базой первого транзистора, эмиттер третьего транзистора соединен с первым выводом резистора и коллектором второго транзистора, коллектор третьего транзистора соединен с эмиттером первого транзистора и первым выводом источника тока, база четвертого транзистора, по структуре аналогичного первому, соединена с базой второго транзистора, эмиттер четвертого транзистора соединен с вторым выводом резистора и коллектором первого транзистора, коллектор четвертого транзистора соединен с эмиттером второго транзистора и вторым выводом источника тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1