DE2513653A1 - Zweipol mit negativer widerstandscharakteristik - Google Patents

Zweipol mit negativer widerstandscharakteristik

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DE2513653A1
DE2513653A1 DE19752513653 DE2513653A DE2513653A1 DE 2513653 A1 DE2513653 A1 DE 2513653A1 DE 19752513653 DE19752513653 DE 19752513653 DE 2513653 A DE2513653 A DE 2513653A DE 2513653 A1 DE2513653 A1 DE 2513653A1
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Alois Dr Marek
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BBC Brown Boveri France SA
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H11/00Networks using active elements
    • H03H11/46One-port networks
    • H03H11/52One-port networks simulating negative resistances
    • H03H11/525Simulating frequency dependent negative resistance [FDNR]
    • HELECTRICITY
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    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
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    • H03H11/52One-port networks simulating negative resistances

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Description

  • Zweipol mit negativer Widerstandcharakteristik Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweipol mit negativer Widerstandscharakteristik mit mindestens zwei Transistoren und einer Speisequelle, Zweipole mit negativer Widerstandscharakteristik werden häug in Oszillatorschaltungen, insbesondere Relaxationsoszillatoren, einZesetzt. Sie sind entweder konzentrierte Bauelemente, z,B. Tunnel-Dioden, oder synthetische Schaltungen, die zwischen zwei Klemmen eine derartige Charakteristik aufweisen. Ein Zweipol der letztgenannten Art ist z.B. aus der ClI-PS 512 858 = US-PS 3,723,775 bekannt. Diese bekannte Schaltung weist zwei Transistoren entgegengestzten Leitfähigkeitstyps und eine Spannungsquelle auf. Zusammen mit weiteren aktiven und passiven Komponenten erlaubt sie eine Vielfalt unterschiedlicher iderstandscharakteristiken, Zur Oszillatoranwendungen wäre nun ein Zweipol mit einer Widerstandscharakteristik wünschenswert, die einen Wendepunkt, noch günstiger eine punktsymmetrische Charakteristik, .aufweist. Mit einem derartigen Zweipol liessen sich hochstabile Oszillatorens insbesondere filr die Nachri.chten- und Messtechnik realisieren.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Zweipol mit negativer Widerstandscharakteristik zu schaffen, welcher eine Kennlinie mit Wendepunkt bzw. punktsymmetrischer Kennlinie aufweist, und bei dem der wirksame negative Widerstand sich bequem verändern lässt.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Zweipol der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Transistorren gleichen Leitfähigkeitstyps sind, dass eine Konstantstromquelle zur Speisung beider Emitter der Transistoren vorgesehen ist, dass der Kollektor des ersten Transistors mit der Basis des zweiten Transistors, der Kollektor des zweiten Transistors mit der Basis des ersten Transistors und der anderen Klemme der Stromquelle verbunden ist, welche Verbindung die eine Klemme des Zweipois, wShrend die Verbindung der Basis des zweiten mit dem Kollektor des ersten Transistors die andere Klemme des Zweipols bildet.
  • Der Zweipol eluat eine Widerstandseharakteristik bzw. Strom/ Spannungskennlinie, deren Wendepunkt auf der Stromachse liegt und punktsymmetrisch in bezug auf diesen Wendepunkt ist. Der negative Widerstand ist frequenzunabhängig bis hin zu Frequenzen in der Grössenordnung von fBeta der Transistoren.
  • Will man den negativen Widerstand frequenzabhängig machen, so ist in die Verbindungsleitung zwischen den beiden Emittern der Transistoren ein frequenzabhNngige Tmpedanz, z.B.
  • ein Kondensator, eine Induktivität oder eine Kombination aus beiden, einzuschalten. Bei nichtgleichstromleitenden Impedanzen muss dann die Speisung der Emitter über Teilstromquellen erfolgen.
  • Zur Linearisierung der Strom/Spannungskennlinie kann in die genannte Verbindungsleitung ein ohmscher Widerstand oder eine Kombination aus ohmschen Widerstand und parallelgeschalteten entgegengesetzt gepolten Dioden eingefügt werden.
  • Der von der Stromquelle gelieferte Konstantstrom bestimmt den Extremwert des negativen Wi.derstandes des Zweipols. Dieser ist von der Temperatur abhängig. Völlige Temperaturabhffngigkeit des negativen Widerstandes erreicht man dadurch, dass die Stromquelle einen zur absoluten Temperatur proportionalen Strom liefert, was sich in bekannter Weise realisieren lässt.
  • Zum Schutz der Transistoren gegen Ueberspannungen zwischen den Klemmen des Zweipols sind vorteilhaft in Serie mit den Basisanschlüssen ohmsche Widerstände geschaltet. Diese haben praktisch keinen Einfluss auf die Widerstandcharakteristik.
  • Zur Verschiebung der Strom/Spannungskennlinie des Zweipols in Richtung der Stromachse ist eine Hilfsstromquelle parallel zu den Klemmen des Zweipols vorgesehen. Wird dieser Hilfsstrom so $gemessen, dass er die Hälfte des von der Stromquelle gelieferten Stromes beträgt, so fällt der Wendepunkt der Strom/Spannungskennlinie mit ihrem Ursprung zusammen.
  • Zur Veränderung des Arbeitsbereiches des- Zweipols werden in Serie mit den Basis- und/oder Kollektoranschlüssen der Transistoren in Durchlassrichtung gepolte Dioden geschaltet.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • In der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Zweipols mit negativer Widerstandscharakteristik, Fig. 2 die Strom/Spannungskennlin-ie der Schaltungsanordnung gemäss Fig.l, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Zweipols, bei dem zur Erzielung eines frequenzabhängigen negativen Widerstandes frequenzabhängige Impedanzen in die Verbindungsleitung zwischen den beiden Emittern der Transistoren eingeschaltet sind, Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeipsiel eines Zweipols mit Mitteln zur Linearisierung seiner Strom/Spannungskennlinie, Fig. 5 ein weiteres AusfUhrungsbeispiel eines Zweipols, bei dem die Transistoren gegen zwischen den Zweipolklemmen auftretende Ueberspannungen geschützt sind, Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel eines Zweipols,'bei dem Massnahmen zur Verschiebung der Strom/Spannungskennlinie in Richtung der Stromachse und zur Veränderung des Arbeitsbereiches des Zweipols, insbesondere hin zu höheren Spannungen, getroffen sid.
  • In Fig. 1 sind die Emitter 31, 41 zweier pnp-Transistoren 3 und 4 mit der einen Klemme einer Stromquelle 2 verbunden.
  • Die Stromquelle 2 kann in ilblicherweise aus einer Spannungsquelle 21 mit einem hochohmigen Serienwiderstand 22 bestehen, wie es in Fig.l beispielsweise angedeutet ist. Der Basisanschluss 32 des Transistors 3 und der Kollektoranschluss 43 des Transistors 4 sind mit der anderen Klemme der Stromquelle 2 verbunden. Diese Verbindung bildet die eine Klemme 0 des Zweipols. Der Kollektoranschluss 33 des Transistors 3 ist mit dem Basisanschluss 42 des Transistors 4 verbunden. Diese Verbindung stellt die andere Klemme 1 des Zweipols dar. Die Kennlinie (Strom/Spannungscharakteristik) di.eser Schaltungsanordnung ist in Fig.2 beispielsweise dargestellt.
  • Die negative Widerstands charakteristik der beschriebenen Schaltungsanordnung ergibt sich wie folgt: Unter gut zutreffender Vereinfachung der Transistoreigenschaften: worin i der Emitterstrom, i der Kollektorstrom, UEB. die e c Spannung zwischen Emitter und Basis ist lässt sich die Strom/Spannungfikennlinie des Zweipols zwischen den Klemmen O und 1 wie folgt berechnen: worin 10 der Strom der Konstantstromquelle 2 ist. Aus der Beziehung (2) folgt, dass der Wendepunkt die Koordinaten u = O, i = -Io/2 hat. Der Extremwert des negativen Widerstandes ist wenn der Reststrom io gegenüber 10 vernachlässigt wird. Weil theoretisch für Siliziumtransistoren a = q/2kT (l) worin q die Flementarladung, k die Boltzmannkonstante und T die absolute Temperatur in Grad Kelvin ist, ist R bei konstanter Temperatur nur vom Strom 10 der Konstantstromquelle 2 abhängig.
  • Nach Gleichung (2) wäre lim R = -oo für U-># . In der Praxis erreicht die Kennlinie jedoch bei endlicher Spannung u bereits diesen Wert - die Kennlinie verläuft parallel zur u-Achse - und weist bei grösseren Werten von u (etwa ab t 0,5V) eine positive Steigung auf, d.h. der differentielle Widerstand des Zweipols ist dann positiv. Dies hat seine Ursache darin, dass die zwei antiparallel (bezüglich des Stromes i) angeordneten Diodenstrecken - Kollektor 33 - Basis 32 des Transistors 3 und Kollektor 43 - Basis 42 des Transistors 4 nicht vernachlässigt werden drfen. Die Kennlinie gemäss Beziehung (2) wird sozusagen durch die (punktsymmetrische) Kennlinie der antiparallelen Dioden überlagert, was dann zu dem in Fig.2 dargestellten Kennlinienverlauf führt.
  • Wie aus der Beziehung (3) bzw. (4) hervorgeht, ist der negative Widerstand R proportional zur absoluten Temperatur T.
  • Diese Abhängigkeit lässt sich zur Erzielung der völligen Temperaturunabhängigkeit des negativen Widerstandes ausnutzen, indem der von der Stromquelle 2 gelieferte Strom 1 propor-0 tional zur absoluten Temperatur gewählt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die den Strom 1o der Stromquelle bestimmenden Komponenten Silizium-Halbleiter sind, die bekanntlich von der absoluten Temperatur abhängige Parameter, z.B. Schwellspannung von Dioden, Basis-Emitter-Spannung, aufweisen, Der negative Widerstand des Zweipols gemäss Fig.l ist frequenzunabhängig bis hin zu Frequenzen in der Grössenordnung von fBeta. . Eine Frequenzabhängigkeit des negativen Widerstandes erreicht man gemäss Fig.3 durch Einschalten einer frequenzabhängigen Impedanz 5 zwischen die Emitter 31 und 41 der Transistoren 3 bzw. 4. In den Varianten a bis d sind ein Kondensator 53, eine Induktivität 54, ein Parallelresonanzkreis mit einem Kondensator 53 und einer Induktivität 54 bzw. ein Serienresonanzkreis mit den genannten Komponenten dargestellt, welche wahlweise an die Klemmen 51 und 52 angeschlossen werden können. Ist die Impedanz 5 undurchlässig für Gleichstrom, so erfolgt die Stromversorgung des Zweipöls durch zwei Teilstromquellen 201 und 202.
  • Besteht die Impedanz gemäss Variante d aus einem Serienresonanzkreis, so kann ein mit dem Zweipol aufgebauter Oszillator mit einem Parallelresonanzkrcis, wie er in Fig.3 durch die strichlierttdargestellte LC-Kombination zwischen den Klemmen o und 1 veranschaulicht ist, nur in einem engen Frequenzband in der Nähe der Serienresonzfrequenz der Impedanz 5, Variante d, schwingen.
  • Zur Linearisierugn der Strom/Spannungs kennlinie ist in die Verbindungsleitung zwischen den Emittern 31 und 41 der Transistoren 3 bzw. 4 ein Widerstand 55 eingeschaltet. Eine noch wirksamere Linearisierung der Kennlinienteils mit negativem differenti.ellem Widerstand ä.sst sich durch das Parallelschalten zweier antiparallel geschalteter Dioden 56, 57 zu dem Widerstand 55 erzielen. Die Stromquelle 2 ist dabei mit einer Klemme an eine Mittelanzapfung 551 des Widerstandes 55 angeschlossen. Eine derartige Linearisierung mit Dioden ist im Zusammenhang mit Differenzverstärkern bereit.s bekannt geworden, z.B aus der US-PS 3,806,823 , worin auch die theoretischen Grundlagen der erzielten Linearisierung eingehend beschrieben sind und welche auf den vorliegenden Fall ebenfalls anwendbar sind. Ein Ausführungsbeispiel eines Zweipols mit der genannten Linearisierungsmassnahme ist in Fig.4 dargestellt.
  • Zweipole der beschriebenen Art werden häufig in LC-Oszillatoren bzw. Relaxationsoszillatoren eingesetzt. Infolge starker Fremdmagnetfelder können in den Spulen Spannungen induziert werden, welche zur Zerstörung der Transistoren führen können. Um diese Transistoren zu schützen, sind in Serie mit den Basisanschlilssen der Transistoren 3 und-4 ohmsche Widerstände 61 und 62 eingeschaltet. Dies ist in Fig.5 beispielsweise dargestellt. Diese Widerstände haben einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Widerstandcharakteristik und ermöglichen mit den (sowieso vorhandenen)Basis-Kollektor-Dioden der Transistoren 3, 4 einen hinreichenden Schutz.
  • Durch Einfügen von Dioden oder Zenerdioden lässt sich der Arbeitsbereich des Zweipols erweitern. Dies ist in Fig.6 beispielsweise dargèstellt Durch die Serienschaltung von m in Durchlassrichtung gepolten Dioden 81, 82 zu den Basisanschlüssen 32 bzw. 42 der Transistoren 3 bzw. 4 wird der u-Massstal) des Teiles der ',trom/Spannungskennlinie ähnlich (m+l)-mal gegenüber dem durch die Oeffnung der Kollektor-Basis-Strecke der Transistoren 3, 4 verursachten Kennlinienteil erweitert. Sind die Dioden 81, 82 im Stabilisierungsbereich betriebene Zenerdioden, so verschiebt sich der Einsatz und damit die Wirkung von Strömen in der geöffneten Basis-Kollektor-Strecke um die Zenerspannung. Auf diese Weise erhält man einen langen Kennlinienabschnitt, der mit grosser Genauigkeit der nach Gleichung (2) definierten Kennlinie folgt.
  • Eine weitere, davon unabhängig anwendbare Erweiterung des Spannungsarbeitsbereichs des Zweipols wird durch das Einfügen von Dioden 91, 92, vorzugsweise Schottky-Dioden, in Serie mit den Kollektoranschlüssen 33, 43 der Transistoren 3 bzw, 4 erzielt. Diese ebenfalls in Durchlassrichtung gepolten Dioden eleiminieren, anschaulich gesprochen, den durch die Oeffnung der Kollektor-Basis-Strecke der Transistoren 3, 4 verursachten teil der Strom/Spannungs-Kennlinie.
  • In all den beschriebenen Ausführungsbeispielen von Zweipolen mit negativer Widerstandscharakteristik waren die Transistoren 3,4 pnp-Transistoren. Die Erfindung lässt sich jedoch selbstverstpindlich auch mit npn-Transistoren realisieren. Dazu sind die Stromquelle 2, die Hilfsstromquelle 203 bzw, die Teilstromquellen 201, 202 umzupolen. In den Ausführungen mit in Serie mit den Basis- und/oder Kollektoranschlüssen der Transistoren 3, 4 eingeschalteten Dioden gemäss Fig.6 sind diese Dioden 81, 82 bzw. 91, 92 ebenfalls umzupolen.
  • Statt mit bipolaren pnp- oder npn-Transis-toren lässt sich die Erfindung auch mit n-Kanal- oder p-Kanal-Feldeffekttransistoren verwirklichen, wenn diese Bauelemente mit den gleichwirkenden Elektroden-AnschlUssen (Bas is=Gate, Source Emitter, Drain=Kollektor) an die Stelle der (bipolaren) Transistoren in die Schaltung eingefligt werden.
  • Aufgrund der Linfachheit der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung und der-åussehliesslichen Verwendung von Halbleitern für die Grundschaltung, die Stromquelle 2 eingeschlossen, eignet sich diese insbesondere zur Ausbildung als integrierte Schaltung, was ihr Anwendungsgebiet in der Nachrichten-und Messtechnik wesentlich erweitert.

Claims (9)

  1. Patentanspruche
    (1 Zweipol mit negativer Widerstandscharakteristik mit mindestens zwei Transistoren und einer Speisequelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (3, 4) gleichen Leitfähigkeitstyp aufweisen, dass mindestens eine Konstantstromquelle (2 bzw. 201, 202) zur Speisung der Emitter (31, 41) beider Transistoren (3, 4) vorgesehen ist, dass der Kollektor (33) des ersten Transistors (3) mit der Basis (42) des zweiten Transistors (4) verbunden ist, welche Verbindung die eine Klemme (1) des Zweipols bildet, dass der Kollektor (43) des zweiten Transistors (4) mit der Basis (32) des ersten Transistors (3) und der anderen Klemme der Stromquelle (2 bzw. 201, 202) verbunden ist, welche Verbindung die andere Klemme (0) des Zweipols bildet.
  2. 2. Zweipol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Emitter (31) des ersten (3) und den Emitter (41) des zweiten Transistors (4) eine insbesondere frequenzabhängige, lineare Impedanz (5) eingeschaltet ist.
  3. 3. Zweipol nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei nichtgleichstromleitender Impedanz (5) zwei Teilstromquellen (201, 202). zur Speisung der Emitter (31,. 41) vorgesehen sind.
  4. 4. Zweipol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Emitter (31, 41) der Transistoren (3, 4) eine frequenzunabhängige, vorzugsweise nichtlineare Impedanz (55, 56; 57) eingeschaltet ist.
  5. 5. Zweipol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom (I ) der Konstantstromquelle (2) spannungs-0 unabhängig und der absoluten Temperatur (T) direkt proportional ist.
  6. 6. Zweipol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (2) bzw. die Teilstromquellen (201, 202) einstellbar oder regelbar ausgebildet sind.
  7. 7. Zweipol nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz der Transistoren (3, 4) gegen Ueberspannungen zwischen den Klemmen (O, 1) des Zweipols in Serie mit den Basisanschlüssen (32, 42) der Transistoren (3, 4) Widerstände (61, 62) eingeschaltet sind.
  8. 8. Zweipol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verschiebung der Strom/Spannungs kennlinie des Zweipols (Fig. 2) in wichtung der Stromachse (i) eine Hilfsstromquelle (203) parallel zu den Klemmen (O, 1) des Zweipols geschaltet ist.
  9. 9. Zweipol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung des Spannungs-Arbeitsbereiches des Zweipols in Serie mit den Basisanschlüssen (32, 42) und/oder den Kollektoranschlflssen (33, 43) der Transistoren (3, 4) in Durchlassrichtung gepolte Dioden (81, 82, 91, 92) eingeschaltet sind.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4518930A (en) * 1982-07-30 1985-05-21 Rockwell International Corporation Negative resistance circuit for VCO

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FI914763A0 (fi) * 1991-10-09 1991-10-09 Nokia Mobile Phones Ltd Kompensering av en spaenningsstyrd olineaer komponent i en radiotelefon.

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