Устройство с отрицательным сопротивлением

 

Устройство с отрицательным сопротивлением относится к радиотехнике и может быть использовано в автогенераторах, активных фильтрах, усилительных, импульсных, сенсорных устройствах. Снижение нелинейности вольт-амперной характеристики и повышение коэффициента полезного действия достигается тем, что в устройство с отрицательным сопротивлением, содержащее транзисторы 1, 2, усилительный элемент 5, базовый делитель напряжения 7, введены транзисторы 3, 4 и двухполюсный элемент с полным внутренним сопротивлением 6, а также изменено построение базового делителя напряжения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Предполагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в автогенераторах, активных фильтрах, усилительных, импульсных, сенсорных устройствах.

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 зависимость отрицательного сопротивления от эмиттерных сопротивлений первого и второго транзисторов, что обусловливает нелинейность вольт-амперной характеристики устройства, в особенности при малых значениях эмиттерных токов покоя транзисторов. Последнее обстоятельство ограничивает коэффициент полезного действия этого устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство с отрицательным сопротивлением (Пат. Российской Федерации N 2059335, 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, базы соединены соответственно с первым и вторым отводами базового делителя напряжения, коллекторы соединены соответственно с первой и второй шинами питания.

Недостатками этого устройства являются существенная нелинейность вольт-амперной характеристики и зависимость величины отрицательного сопротивления от значений эмиттерных токов покоя транзисторов, что снижает его коэффициент полезного действия.

Целью изобретения является снижение нелинейности вольт-амперной характеристики и повышение коэффициента полезного действия устройства с отрицательным сопротивлением.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее первый и второй транзисторы, эмиттеры которых являются первым выводом устройства с отрицательным сопротивлением и соединены с инвертирующим входом усилительного элемента, базы соединены соответственно с первым и вторым отводами базового делителя напряжения, коллекторы соединены соответственно с первой и второй шинами питания, вводятся третий и четвертый транзисторы, базы которых соединены соответственно с первым и вторым отводами базового делителя напряжения, коллекторы соединены соответственно с первой и второй шинами питания, эмиттеры соединены с первым выводом введенного двухполюсного элемента с полным внутренним сопротивлением и неинвертирующим входом усилительного элемента, выход которого соединен с третьим отводом базового делителя напряжения, второй вывод элемента с полным внутренним сопротивлением соединен с общей шиной, которая является вторым выводом устройства с отрицательным сопротивлением.

Другим недостатком прототипа является протекание токов базы первого и второго транзисторов в цепи базового делителя напряжения, что обусловливает дополнительную нелинейность вольт-амперной характеристики в области повышенных значений входного тока.

С целью устранения этого недостатка базовый делитель напряжения выполняется на пятом и шестом транзисторах, эмиттеры которых соединены и являются третьим отводом базового делителя напряжения, базы соединены с эмиттерами соответственно седьмого и восьмого транзисторов и являются соответственно первым и вторым отводами базового делителя напряжения, коллектор пятого транзистора соединен с базой седьмого транзистора и выходом первого генератора тока, коллектор шестого транзистора соединен с базой восьмого транзистора и выходом второго генератора тока.

Устройство с отрицательным сопротивлением поясняется фиг. 1, на которой приведена его схема электрическая принципиальная и показано распределение токов при его работе.

Устройство с отрицательным сопротивлением содержит первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4 транзисторы, усилительный элемент 5, двухполюсный элемент с полным внутренним сопротивлением 6, базовый делитель напряжения 7, а также входящие в состав базового делителя напряжения пятый 8, шестой 9, седьмой 10, восьмой 11 транзисторы, первый 12 и второй 13 генераторы тока.

Работу предложенного устройства рассмотрим при следующих допущениях: все транзисторы, имеющие одинаковую структуру, идентичны, транзисторы работают на частотах, много меньших граничной частоты их коэффициента передачи по току в схеме с общей базой, входные сопротивления усилительного элемента по обоим входам бесконечно велики, а его выходное сопротивление много меньше внутренних сопротивлений генераторов тока, выходные токи которых одинаковы.

Первоначально подаются напряжения питания такой величины, чтобы вывести все транзисторы в активный режим. При этом эмиттерные токи транзисторов 1, 2, 3, 4, 5 и 6 устанавливаются равными выходному току генераторов тока I₀, а эмиттерные токи транзисторов 7 и 8 - равными соответственно сумме базовых токов транзисторов 1, 3, 5 и 2, 4, 6.

Усилительный элемент охвачен отрицательной обратной связью с помощью транзисторов 1, 2 и положительной обратной связью с помощью транзисторов 3, 4. Глубина отрицательной обратной связи в данном устройстве всегда больше глубины положительной, так как где K_пос - коэффициент передачи по напряжению с выхода усилителя на его неинвертирующий вход, K_оос - коэффициент передачи по напряжению с выхода усилителя на его инвертирующий вход (K_оос ≈ 1), Z - сопротивление двухполюсного элемента с полным внутренним сопротивлением 6, r_э3 и r_э4 - эмиттерные сопротивления транзисторов 3 и 4 соответственно.

Вследствие преобладания отрицательной обратной связи напряжение на эмиттерах транзисторов 1 и 3 поддерживается одинаковым. Поэтому при протекании между выводами устройства переменного тока i_аб, который делится на токи i₁ и i₂, протекающие в цепях соответственно транзисторов 1 и 2, в цепях транзисторов 3 и 4 протекают равные им токи (i₁ в цепи транзистора 3 и i₂ в цепи транзистора 4). Вследствие этого через элемент 6 протекает ток, равный току i_аб.

Возникающее при протекании тока напряжение между выводами устройства равно U_аб = U_бэ3 - U_бэ1 - Z_iаб, где U_бэi - базо-эмиттерное напряжение i-го транзистора.

Так как через эмиттерные переходы транзисторов 1 и 3 протекают одинаковые токи (постоянный I₀ и переменный i₁), то U_бэ3 = U_бэ1. Поэтому U_аб = Z_iаб, то есть участок вольт-амперной характеристики заявленного устройства, на котором наблюдается отрицательное сопротивление, является линейным.

Переменные токи базы транзисторов 1, 3 (i_б1, i_б3) и 2, 4 (i_б2, i_б4) протекают в цепях транзисторов 7 и 8 соответственно, вследствие чего практически не влияют на работу данного устройства.

Таким образом, предложенное устройство с отрицательным сопротивлением выгодно отличается от прототипа повышенной линейностью отрицательного сопротивления, а также независимостью его значения от величины токов покоя транзисторов, что позволяет повысить его коэффициент полезного действия за счет уменьшения данных токов.

Формула изобретения

1. 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, базы соединены соответственно с первым и вторым отводами базового делителя напряжения, коллекторы соединены соответственно с первой и второй шинами питания, отличающееся тем, что в него введены третий и четвертый транзисторы, базы которых соединены соответственно с первым и вторым отводами базового делителя напряжения, коллекторы соединены соответственно с первой и второй шинами питания, эмиттеры с первым выводом введенного двухполюсного элемента с полным внутренним сопротивлением и неинвертирующим входом усилительного элемента, выход которого соединен с третьим отводом базового делителя напряжения, второй вывод двухполюсного элемента с полным внутренним сопротивлением соединен с общей шиной, которая является вторым выводом устройства с отрицательным сопротивлением.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что базовый делитель напряжения выполнен на пятом и шестом транзисторах, эмиттеры которых соединены и являются третьим отводом базового делителя напряжения, базы соединены с эмиттерами соответственно седьмого и восьмого транзисторов и являются соответственно первым и вторым отводами базового делителя напряжения, коллектор пятого транзистора соединен с базой седьмого транзистора и выходом первого генератора тока, коллектор шестого транзистора с базой восьмого транзистора и выходом второго генератора тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1