Конвектор від’ємного опору

Реферат: UA 71151 U UA 71151 U 5 10 15 20 25 Корисна модель належить до галузі електроніки і може бути використана в електронних пристроях, коли треба компенсувати якийсь опір, наприклад опір лінії зв'язку при передачі електричного сигналу на великі відстані, або компенсувати активний опір електричного коливального LC-контуру. Відомі конвектори від'ємного опору (див. наприклад П. Хоровиц, У. Хилл, Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1984. - 598 с. ил., стор. 252), що складається з операційного підсилювача, охопленого негативним зворотнім зв'язком через подільник напруги Z-R і позитивним зворотнім зв'язком через резистор R. Недоліком таких конвекторів від'ємного опору є порівняно низький частотний діапазон функціонування - до десятків кГц, що обумовлено впливом паразитних ємностей операційного підсилювача. Найбільш близьким аналогом за принципом дії, як прототип, прийнятий конвектор від'ємного опору (див. В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Высш. шк., 2005, - 622 с. - С. 408-410), що містить операційний підсилювач, охоплений негативним зворотнім зв'язком через подільник R-R2 і позитивним зворотнім зв'язком через подільник R1-R. Недоліком даного пристрою є неможливість його роботи при частотах більших десятків кГц, внаслідок фазових зміщень вхідної напруги та впливу паразитних ємностей операційного підсилювача. Заявлена корисна модель направлена на значне збільшення частотного діапазону функціонування до сотень МГц конвектора від'ємного опору. Загальними ознаками відомого конвектора від'ємного опору, найбільш близького до заявлюваного, є використання підсилювача з негативним і позитивним зворотніми зв'язками, завдяки яким забезпечується від'ємний вхідний опір конвектору опору. Корисна модель пояснюється кресленням на фіг. 1 - фіг. 6. На фіг. 1 зображено структурну схему конвектора від'ємного опору, де U1 - вхідна напруга пристрою, 1 - неінвертуючий підсилювач напруги, U 2 - вихідна напруга неінвертуючого підсилювача, 2 - погоджуючий підсилювач, U 3 - вихідна напруга погоджуючого підсилювача, 3 30 резистор, U 4 - напруга на резисторі, iR - струм резистора, iвх - вхідний струм конвектора, i1 вхідний струм неінвертуючого підсилювача. На фіг. 2 зображено часові діаграми напруг на елементах пристрою, де 1 - форма якої-небудь вхідної напруги U1 (наприклад синусоїди); 2 - форма вихідної напруги неінвертуючого підсилювача U 2 , 3 - форма вихідної напруги погоджуючого підсилювача U 3 ; 35 40 45 50 55 4 - форма напруги на резисторі U 4 . На фіг. 3 і фіг. 4 зображені схеми електричні принципові конвекторів від'ємного опору відповідно на біполярних і польових транзисторах, де U1 - вхідна напруга, 1 - неінвертуючий високочастотний підсилювач з спільною базою або з спільним затвором, 2 - неінвертуючий високочастотний погоджуючий підсилювач з спільним колектором або з спільним стоком, 3 - резистор. На фіг. 5 і фіг. 6 зображені моделі - еквівалентні схеми конвекторів від'ємного опору в динамічному режимі (зі змінним струмом) відповідно на біполярних і польових транзисторах. Запропонований конвектор від'ємного опору містить високочастотний транзисторний неінвертуючий підсилювач напруги 1, вихід якого з'єднаний із входом високочастотного транзисторного погоджуючого підсилювача 2, вихід якого через резистор 3 з'єднаний із входами конвектора від'ємного опору і високочастотного транзисторного неінвертуючого підсилювача напруги. Конвектор від'ємного опору працює наступним чином. При подачі якої-небудь вхідної напруги U1 на вхід неінвертуючтго підсилювача 1, на його виході отримується підсилена напруга тої ж полярності U 2 , що подається на вхід погоджуючого підсилювача 2, з виходу якого напруга тої ж полярності і коефіцієнтом передачі трохи меншим одиниці U 3 подається через резистор 3 на входи конвектора від'ємного опору і неінвертуючого підсилювача 1. Резистор 3 підключений в ланцюзі внутрішнього зворотного негативного зв'язку погоджуючого підсилювача 2 і одночасно - в ланцюзі міжкаскадного позитивного зворотного зв'язку. В результаті напруга на резисторі 3 U4  U3  U1 та струм через резистор 3 iR  iвх  i1 , і при позитивній напрузі U1 вхідний струм конвектора від'ємного опору буде протікати справа наліво. При негативній вхідній напрузі U1 струми iR , iвх , i1 - змінять свої напрямки на протилежні. 1 UA 71151 U 5 10 Як неінвертуючий підсилювач може бути підсилювач з спільною базою на біполярному транзисторі, або підсилювач з спільним затвором на польовому транзисторі, які не інвертують фазу і дають підсилення вхідної напруги. Як погоджуючий підсилювач може бути підсилювач з спільним колектором на біполярному транзисторі, або підсилювач з спільним стоком на польовому транзисторі. Поставлена задача значного збільшення частотного діапазону вирішується тим, що в конвекторі від'ємного опору як підсилювачі використовують високочастотні транзистори, граничні частоти яких можуть досягати ГГц, замість операційного підсилювача. Підтвердження можливості реалізації Покажемо, що вхідний опір Rвх конвектора від'ємного опору на біполярних транзисторах (фіг. 3) буде від'ємним, то є Rвх  0 . Матриця провідності моделі (фіг. 5) має вигляд: 1 G2  1 1 h 21э h11э G 2 3 15  h 22э h11э  h 22э  Y2 2 G1   3 h 22э h  21э h11э G 2 1  h 22 э h11э 1 h11э  h 21э h11э  G2  1 1 h11э , (1)  h 22э  h11э h 21э h11э де G1  1/ R1 G2  1/ R2, h11 , h21 , h22э - параметри біполярних транзисторів Т1, Т2. , э э Перепишемо матрицю (1), враховуючи нерівності: h 21э 1   h 22э h11э h11э 1 G2  1 2 h 22э h 21э h11э 3 G 2 Y2 h 21э h11э G1  3 G 2  1 h11э h 21э h11э  1 h11э G2  , (2) h 21э h11э Вхідна провідність конвектора від'ємного опору на біполярних транзисторах має вигляд: Yвх  20 h 1    G 2  21э R вх  11 h11э h  h2 h2  h 22 э   21э  G 2  21э   G 2   21э  G 2 h 2  h2 h11э   11э   11э   h 21э  G 2  G1   G 2   h11э  h11э    1   G1   h11э      , (3) Враховуючи, що на практиці має місце такий порядок первинних параметрів: h21э  10  100, 1  10 3 См, h 22 э  10  4  10 5 См, G1  10 3 См, G 2  10 2 См h11э приходимо до висновку: Yвх  1 0, R вх де Rвх - вхідний опір конвектора від'ємного опору. 25 Покажемо, що вхідний опір Rвх конвектора від'ємного опору на польових транзисторах буде від'ємним, то є Rвх  0 . Матриця провідності моделі (фіг. 6) має вигляд: 2 UA 71151 U 1 1 2 3 Y2 G2  Gi1  S1 G i1 G 2 Gi1  S1 G1  Gi1 G 2 S2 , (3) G2  Gi2  S 2 де G1  1/ R1 G2  1/ R2, S, Gi - параметри польових транзисторів Т1, Т2. , Враховуючи нерівності, перепишемо матрицю (3): 5 Gi1  S1, Gi2  S 2 1 2 3 1 G2  S1 G i1 G 2 Y2 S1 G1  Gi1 3 G 2 S2 , (4) G2  S 2 Вхідна провідність конвектора від'ємного опору на польових транзисторах має вигляд: Yвх    G 2  S1   G i1   12  G 2   13 1    11  R вх  11  11  G 21  S1  G i1  S  G 2  S 2   G 2  S1  S 2  G 2  G1  G i1  G1  Gi1   G 2  S 2  , (4) Враховуючи, що на практиці має місце такий порядок первинних параметрів : G1  10 3 См, G 2  10 2 См, S1  S 2  S  Gi 10 приходимо до висновку: Yвх  1 0, R вх де Rвх - вхідний опір конвектора від'ємного опору. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 1. Конвектор від'ємного опору, який містить підсилювач напруги, охоплений негативним і позитивним зворотніми зв'язками, який відрізняється тим, що як підсилювач використані два неінвертуючих високочастотних транзисторних підсилювача, причому вихід першого підсилювача з'єднаний із входом другого підсилювача, вихід якого через резистор з'єднаний із входом першого підсилювача. 2. Конвектор від'ємного опору згідно з п. 1, який відрізняється тим, що як перший підсилювач використовують підсилювач з спільною базою, або підсилювач з спільним затвором, а як другий підсилювач використовують підсилювач з спільним колектором або підсилювач з спільним стоком. 3 UA 71151 U 4 UA 71151 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5