Устройство с отрицательным сопротивлением

 

Использование: активные элементы в генераторах, активных фильтрах, усилителях, преобразователях физических величин, устройствах импульсной техники. Сущность изобретения: расширение диапазона регулирования и повышение температуры стабильности отрицательного сопротивления, а также повышение экономичности достигается тем, что в устройстве с отрицательным сопротивлением, содержащем транзисторы 1 - 6, резистор 7 и генераторы тока 8 и 9, как максимальное значение отрицательного сопротивления, так и вольтамперная характеристика в целом не зависят от параметров транзисторов, что также позволяет реализовать режим минимальных токов смещения. 3 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 [1] содержащее транзистор, эмиттер которого через конвертируемую в отрицательное сопротивление нагрузку соединен с общей шиной, коллектор соединен с входом первого токового зеркала, выход которого соединен с входом второго токового зеркала, выход которого подключен к входу устройства и базе транзистора.

Также известно устройство с отрицательным сопротивлением [2] содержащее транзистор, эмиттер которого соединен через резистор с общей шиной, коллектор соединен с входом токового зеркала, выход которого подключен к базе транзистора и входу устройства.

Общим недостатком указанных устройств с отрицательным сопротивлением является пониженная температурная стабильность отрицательного сопротивления и ограниченный диапазон его регулирования, а также повышенная потребляемая мощность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство с отрицательным сопротивлением [3] cодержащее первый и второй транзисторы, имеющие одну структуру, базы которых соединены с коллектором второго транзистора и выходом первого генератора тока, вывод питания которого соединен с первой шиной питания, третий и четвертый транзисторы, имеющие другую структуру, базы которых соединены с коллектором четвертого транзистора и выходом второго генератора тока, вывод питания которого соединен с второй шиной питания, а также резистор, при этом эмиттеры первого и третьего транзисторов соединены и являются первым выводом устройства.

Недостатком данного устройства с отрицательным сопротивлением является зависимость отрицательного сопротивления от эмиттерных сопротивлений транзисторов, что снижает его температурную стабильность, а также ограничивает диапазон перестройки отрицательного сопротивления и обусловливает повышенную потребляемую мощность, так как уменьшение влияния эмиттерных сопротивлений транзисторов требует увеличения токов смещения транзисторов.

Цель изобретения расширение диапазона регулирования и повышение температурной стабильности отрицательного сопротивления, а также повышение экономичности устройства с отрицательным сопротивлением.

Для этого в устройство с отрицательным сопротивлением, содержащее первый и второй транзисторы, имеющие одну структуру, базы которых соединены с коллектором второго транзистора и выходом первого генератора тока, выход питания которого соединен с первой шиной питания, третий и четвертый транзисторы, имеющие другую структуру, базы которых соединены с коллектором четвертого транзистора и выходом второго генератора тока, вывод питания которого соединен с второй шиной питания, а также резистор, при этом эмиттеры первого и третьего транзисторов соединены и являются первым выводом устройства, введены пятый и шестой транзисторы, имеющие структуру первого транзистора, эмиттеры которых соединены с общей шиной, базы соединены с эмиттерами соответственно первого и второго транзисторов, коллектор пятого транзистора подключен к базе первого транзистора, коллектор которого является вторым выводом устройства, соединен с коллектором шестого транзистора и через резистор с первой шиной питания, при этом коллектор третьего транзистора подключен к второй шине питания.

На фиг. 1 приведена электрическая принципиальная схема предлагаемого устройства с отрицательным сопротивлением; на фиг.2 распределение токов в устройстве при его работе; на фиг.3 вольт-амперная характеристика и зависимость эквивалентного отрицательного сопротивления от тока, протекающего между выводами устройства.

Устройство с отрицательным сопротивлением содержит первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4, пятый 5 и шестой 6 транзисторы, резистор 7, первый 8 и второй 9 генераторы тока.

Работу предложенного устройства рассмотрим в рамках следующих допущений: транзисторы одинаковой структуры идентичны, токи базы транзисторов пренебрежимо малы по сравнению с их коллекторными токами, транзисторы работают на частотах много меньших f_α граничной частоты коэффициента передачи транзисторов по току в схеме с общей базой α Первоначально подаются напряжения на шины питания и токи генераторов тока такой величины, чтобы вывести все транзисторы в активный режим. При этом коллекторные токи транзисторов 1-4 устанавливаются равными току I₀₁ генератора тока 9, а коллекторные токи транзисторов 5 и 6, равными I₀₂-I₀₁, где I₀₂ ток генератора тока 8.

Пусть между выводами а-б устройства протекает ток i_аб. На выводе "а" ток i_аб делится на ток i₁, втекающий в эмиттер транзистора 1 и поступающий далее в точку "б", и ток i₂, втекающий в эмиттер транзистора 3 i_аб=i₁+i_2. (1) Протекание указанных токов приводит к появлению тока i₃, протекающего в цепи транзистора 6. В результате протекания тока i_абнапряжение между точками а-б получит некоторое приращение Δ U_аб, равное разности приращений напряжений Δ U_а в точке "а" и Δ U_б в точке "б": Δ U_аб= Δ U_а- Δ U_б. (2) Так как переменный ток в цепи транзистора 5 равен нулю, то Δ U_а=0. Δ U_б= R i_R, где i_R переменный ток, протекающий в цепи резистора 7. В соответствии с первым законом Кирхгофа i_R=i₁+i₃-i_аб, откуда Δ U_аб=-R(i₁+i₃-i_аб). (3) Просуммируем напряжения вдоль замкнутого контура, образованного базоэмиттерными p n-переходами транзисторов 1-4, а также вдоль замкнутого контура, образованного базоэмиттерными p- n-переходами транзисторов 5, 1, 2 и 6 U_бэ1+U_бэ3=U_бэ2+U_бэ4; (4) U_бэ1+U_бэ5= U_бэ2+U_бэ6, (5) где U_бэi базоэмиттерное напряжение i-го транзистора.

Представив базоэмиттерные напряжения транзисторов с помощью уравнения Эберса-Молла с точностью до значения обратного тока p n-перехода I_s, преобразуем (4) и (5) к следующему виду
ϕ_тln +ϕ_тln ϕ_тln +ϕ_тln (6)
ϕ_тln +ϕ_тln ϕ_тln +ϕ_тln (7) где ϕ_т температурный потенциал, I_s1 обратный ток эмиттерного p n-перехода транзисторов 1, 2, 5, 6, I_s2 обратный ток эмиттерного p n-перехода транзисторов 3 и 4.

Из (6) и (7) имеем
1- 1+ 1; (8)
i₃= -1i₁. (9)
Cовместное решение уравнений (1) и (8) позволяет выразить ток i₁через i_аб:
i₁= I +1- . (10)
Подставив значения i₁ и i_{3 в} (3), получим уравнение, описывающее вольтамперную характеристику предлагаемого устройства
ΔU_аб= -Ri -1+I1- . (11)
Эквивалентное отрицательное сопротивление, наблюдающееся между точками а-б, равно
Z^-= -R 1- (12)
При этом его малосигнальное значение (при i_аб __→ 0) равно
Z^-_o Z ₀= -R 1 (13)
Таким образом, в предлагаемом устройстве как малосигнальное значение отрицательного сопротивления, так и вольтамперная характеристика в целом не зависят от параметров транзисторов. Это обусловливает повышенную стабильность отрицательного сопротивления, а также позволяет реализовать в предлагаемом устройстве режим минимальных токов смещения транзисторов, т.е. минимизировать потребляемую устройством мощность. Так как величина отрицательного сопротивления зависит только от отношения токов I₀₂ и I₀₁ генераторов тока 8 и 9 и не зависит от абсолютных значений этих токов, в предлагаемом устройстве обеспечивается больший диапазон регулирования отрицательного сопротивления по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ, содержащее первый и второй транзисторы, имеющие одну структуру, базы которых соединены с коллектором второго транзистора и выходом первого генератора тока, вывод питания которого соединен с первой шиной питания, третий и четвертый транзисторы, имеющие другую структуру, базы которых соединены с коллектором четвертого транзистора и выходом второго генератора тока, вывод питания которого соединен с второй шиной питания, а также резистр, при этом эмиттеры первого и третьего транзисторов соединены и являются первым выводом устройства, отличающееся тем, что введены пятый и шестой транзисторы, имеющие структуру первого транзистора, эмиттеры которых соединены с общей шиной, базы соединены с эмиттерами соответственно первого и второго транзисторов, коллектор пятого транзистора подключен к базе первого транзистора, коллектор которого является вторым выводом устройства, соединен с коллектором шестого транзистора и через резистор с первой шиной питания, при этом коллектор третьего транзистора подключен к второй шине питания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3