Лекции / Старосельский.2005 / ЭКТ4 / 11 / 1-4

165

Часть 11 Приборы с отрицательным сопротивлением (негатроны)

1. Общие свойства негатронов

Негатрон — прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС). Возможны два вида ВАХ негатрона:

На участке ab

.

Статическое сопротив-ление всегда, если в составе негатро-на нет источника энергии.

Участок ab всегда находится в 1-м или (и) 3-м квадрантах ВАХ.

ВАХ негатрона N – типа неоднозначна по напряжению. При переходах между состояниями a₁ - a₂ (или b₁ - b₂) напряжения V_a (или V_b) не могут изменяться мгновенно. Поэтому в эквивалентной схеме негатрона N – типа всегда имеется емкость, которая включена параллельно с элементом, воспроизводящим ВАХ.

ВАХ негатрона S – типа неоднозначна по току. При переходах между состояниями a₁ - a₂ (или b₁ - b₂) токи I_a (или I_b) не могут изменяться мгновенно. Поэтому в эквивалентной схеме негатрона S – типа всегда имеется индуктивность, которая включена последовательно с элементом, воспроизводящим ВАХ.

Вольт-амперная диаграмма негатрона с нагрузкой

VI – диаграмма имеет гистерезис.

В состояниях равно-весия

.

При переключении

.

В зависимости от режима работы возможны 1 или 3 состояния равновесия.

Состояния 1 и 2 устойчивы, состо-яние 3 на участке ОДС неустойчиво.

Флуктуация V > 0 в момент вызывает флуктуацию I_C > 0. Эта флуктуация вызывает рост напряжения .

Если состояние 3 на участке ОДС единственное, то оно устойчиво.

Флуктуация V > 0 в момент вызывает флуктуацию I_C < 0. Эта флуктуация снижает напряжения , уничтожая исходную флуктуацию..

Состояние 3 на участке ОДС устойчиво (единственное) при и неустойчиво при .

Участок ОДС на ВАХ негатрона N-типа можно измерить от источника э.д.с. (или от источника с внутренним сопротивлением ) и нельзя измерить от источника тока (или от источника с внутренним сопротивлением ).

Для негатронов S-типа ситуация дуально противоположная:

участок ОДС можно измерить от источника тока (или от источника с внутренним сопротивлением ) и нельзя измерить от источника э.д.с. (или от источника с внутренним сопротивлением ).

Последовательное включение п негатронов N-типа или параллельное включение п негатронов S –типа дает ВАХ с п участками ОДС. На таких приборах можно реализовать элемент с п +1 устойчивым состоянием и п неустойчивыми.

2. Устойчивость систем с ОДС

Условия устойчивости негатронов, полученные в разделе 1, справедливы только для приведенных выше простейших моделей. Практически эквивалентные схемы негатронов более сложны и содержат более одного реактивного элемента, а иногда имеют распределенный характер. Общий метод анализа устойчивости приборов с ОДС состоит в определении корней комплексного импеданса цепи с негатроном.

Включение негатрона (а)

и эквивалентная схема

для малого сигнала (б)

, — импедансы негатрона и нагрузки.

Система неустойчива, если в ней развиваются собственные колебания без источника сигнала.

Для этого необходимо, чтобы на частоте колебаний выполнялось условие

. (2.1)

Уравнение (1) имеет корни

.

Собственные колебания тока с малой комплексной амплитудой имеют вид: .

Гармонические колебания Затухание или нарастание

Колебания нарастают, если (2.2)

(2.2) — критерий неустойчивости:

Система неустойчива, если хотя бы один корень импеданса _k лежит в нижней полуплоскости комплексной частоты.

Неустойчивость развивается на частотах _k.

Для простейшей эквивалентной схемы негатрона N-типа с активной нагрузкой:

;

.

Уравнение имеет единственный чисто мнимый корень .

Система неустойчива, на нулевой частоте, если .

Для простейшей эквивалентной схемы негатрона S-типа с активной нагрузкой: .

3. Применения негатронов

Негатрон, включенный в резонатор, может выполнять функции генератора гармонических колебаний:

Здесь состояние равновесия единственное, но при достаточной величине оно неустойчиво (это можно показать с помощью методики раздела 2).

Амплитуда колебаний на резонансной частоте контура нарастает до тех пор, пока на пиках напряжение на негатроне не выйдет за пределы области ОДС.

В устойчивом режиме негатрон может выполнять функции усилителя:

Система устойчива при .

;

, где , .

при .

Негатрон N-типа можно использовать в логиче-ских вентилях на ПТШ или ГПТ для снижения мощности, потребляемой в состоянии 0.

4. Разновидности негатронов

ОДС можно получить за счет положительной обратной связи.

Искуственный негатрон на биполярных или полевых транзисторах бистабильный триггер:

Без R₁:

При V = 0 Т₂ закрыт, ток базы Т₁ , и Т₁ открыт.

С ростом входного напря-жения Т₂ открывается и перехватывает ток базы Т_1.

Ток коллектора Т₁ снижается — снижается входной ток негатрона. При дальнейшем увеличении входного напряжения входной ток возрастает за счет тока базы Т₂.

Сопротивление R₁ триггера играет роль нагрузочного сопротивления негатрона. В результате – два устойчивых состояния и одно неустойчивое.

Специальные приборы с ОДС:

Близкие к идеальным ВАХ имеют Халькагенидные переключатели (ХП) и сверхпроводящие Элементы Джозефсона (ЭД):

ХП не удается сделать с достаточно воспроизводимыми характеристиками.

ЭД работают только при гелиевой температуре (4 К).

Существуют негатроны, у которых неустойчивость проявляется на ненулевой частоте — Лавинно-пролетные диоды и Диоды Ганна. На постоянном токе ОДС нет.