Часть 11 Приборы с отрицательным сопротивлением (негатроны)

1. Определение и разновидности негатронов

Негатронами называются приборы, имеющие на ВАХ участок отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС).

Негатроны являются активными приборами. Это означает, что, подобно транзисторам, они способны усиливать мощность электрического сигнала. Простейшие негатроны представляют собой двухполюсники с электродами анода и катода, хотя более сложные модификации могут иметь дополнительные управляющие электроды. Для двухполюсного негатрона на участке ОДС

,

где — напряжение анод-катод,— ток через негатрон.

По характеру импеданса могут быть выделены два класса негатронов: статические и динамические. Статические негатроны имеют участок ОДС на статической ВАХ, т.е. на ВАХ, измеренной на постоянном токе. У динамических негатронов отрицательное дифференциальное сопротивление существует только в некотором диапазоне частот , причем.

Статические двухполюсные негатроны могут иметь два вида ВАХ: N-образную (рис. 1.1а) и S-образную (рис. 1.1б).

Рис. 1.1. Два вида ВАХ двухполюсных статических негатронов: а - N-образная; б - S-образная.

Отметим, что статическое сопротивление любого двухполюсника

всегда положительно (в противном случае двухполюсник мог бы служить источником питания). Таким образом, негатрон может работать на участке ОДС только при использовании источника питания, причем участок ОДС (на рис. 1.1) может находиться только в 1-м, либо в 3-м квадрантах ВАХ (должны иметь разные знаки).

2. Общие свойства негатронов

Как видно из рис. 1.1, ВАХ негатрона N-типа неоднозначна по напряжению, а ВАХ негатрона S-типа неоднозначна по току. Поэтому измерение ВАХ негатрона N-типа следует производить при использовании источника э.д.с., а измерение ВАХ негатрона S-типа — при использовании источника тока.

Пусть негатрон N-типа работает от источника тока , который монотонно возрастает от нуля. При(рис. 1.1а) напряжение на негатроне возрастает от нуля до величины, соответствующей началу участка ОДС (точкаa₁). При негатрон переходит в состояние, соответствующее точкеa₂, и напряжение на нем возрастает от до. При снижении токадо значениянегатрон переходит из состояния, соответствующего точкеb₁, в состояние, соответствующее точке b₂, и напряжение на нем снижается от до.

Таким образом, ВАХ негатрона N-типа, измеренная при использовании источника тока, имеет гистерезис (стрелки на рис. 1.1а). Реально изменение напряжения не может происходить мгновенно. Конечная скорость изменения напряжения при переключении из точки a₁ в точку a₂ обусловлена тем, что эквивалентная схема негатрона N-типа всегда содержит емкость С, включенную параллельно элементу N, моделирующему статическую ВАХ негатрона (рис. 2.1а). Наличие этой емкости обусловлено физикой работы негатрона, так же, как в эквивалентной схеме полевого транзистора всегда присутствует емкость затвор-канал, а в эквивалентной схеме биполярного транзистора — диффузионная емкость базы.

Аналогично, если негатрон S-типа работает от источника э.д.с., то при повышении напряжения он переходит из точки a₁ в точку a₂, а при снижении напряжения — из точки b₁ в точку b₂ (рис. 1б). При этом ток через негатрон изменяется от дои отдо, соответственно. Таким образом, ВАХ негатронаS-типа, измеренная при использовании источника э.д.с., имеет гистерезис (стрелки на рис. 1.1б). Реально изменение тока не может происходить мгновенно. Его конечная скорость обусловлена тем, что эквивалентная схема негатрона S-типа всегда содержит индуктивность L, включенную последовательно элементу S, который моделирует статическую ВАХ негатрона (рис. 2.1б). Заметим, что эта индуктивность не предполагает обязательного наличия каких-либо магнитных полей, а лишь отражает на эквивалентной схеме некоторые физические процессы.

Негатроны N- и S-типов являются электрически дуальными элементами. Поэтому для негатронов S-типа вместо понятия отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) часто используют понятие отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП)

.

К источнику питания негатроны подключаются через нагрузочный элемент L, имеющий ВАХ . На рис. 2.2а показана схема подключения негатронаN-типа к источнику э.д.с. E через нагрузочный элемент L.

Электрическое состояние этой системы удобно представлять на вольтамперной диаграмме, где изображаются ВАХ негатрона и линия нагрузки, соответствующая зависимости тока нагрузки от напряжения на негатроне. Ввиду очевидного соотношения уравнение линии нагрузки имеет вид: .

На рис. 2.2б, в представлены вольтамперные диаграммы для случая резистивной нагрузки (). При этом ВАХ нагрузочного элемента имеет вид , а линия нагрузки есть прямая линия

,

пересекающая ось напряжения в точке , а ось тока в точке.

Точки пересечения ВАХ негатрона с линией нагрузки соответствуют равновесным состояниям системы, когда , ток в емкость негатрона, и, следовательно, напряжениеостается постоянным.

Если в равновесном состоянии дифференциальное сопротивление негатрона отрицательно, система может оказаться неустойчивой.

Вольтамперная диаграмма на рис. 2.2б соответствует случаю, когда модуль дифференциального сопротивления негатрона в состоянии равновесия больше сопротивления нагрузки: (линия нагрузки круче ВАХ негатрона). При этом существует единственное состояние равновесия, отмеченное точкой на рис. 2б. Это состояние является устойчивым. Действительно, при флуктуации напряженияV > 0 ток нагрузки уменьшается больше, чем ток негатрона, и флуктуация тока в емкость негатрона , что приводит к уменьшению напряженияи, следовательно, к затуханию флуктуации (то есть происходит разряд емкости и соответствующее уменьшение напряжения).

Вольтамперная диаграмма на рис. 2.2в соответствует случаю, когда модуль дифференциального сопротивления негатрона в состоянии равновесия меньше сопротивления нагрузки: (ВАХ негатрона круче линии нагрузки). При этом существуют три состояния равновесия, отмеченные точками на рис. 2.2в. В состояниях 1 и 2 дифференциальные сопротивления негатрона положительны, и система, безусловно, устойчива. В состоянии 3; это состояние неустойчиво. Действительно, при флуктуации напряженияV > 0 ток нагрузки уменьшается меньше, чем ток негатрона, и флуктуация тока в емкость негатрона , что приводит к повышению напряженияи, следовательно, к нарастанию флуктуации.

Последовательное включение п негатронов N-типа или параллельное включение п негатронов S–типа дает ВАХ с п участками ОДС. Таким способом можно реализовать элементы с (п +1) устойчивым состоянием и п неустойчивыми. На рис. 2.3а, б показаны вольтамперные диаграммы последовательного включения двух негатронов N-типа и параллельного включения двух негатронов S–типа с резистивными нагрузками. Равновесные состояния 1, 3 и 5 являются устойчивыми, а состояния 2 и 4 — неустойчивыми.

Рис. 2.3. Вольтамперные диаграммы двух последовательно включенных негатронов N-типа (а) и двух параллельно включенных негатронов S-типа (б) с резистивной нагрузкой.