Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Посмотреть оригинал

АВТОГЕНЕРАТОРНЫЕ МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ АНАЛОГОВ НЕГАТРОНОВ

Транзисторные аналоги негатронов

Транзисторные аналоги негатронов (АН) по сравнению с негатронами (динистор, тиристор, однопереходной транзистор, тунсльный диод) обладают лучшей воспроизводимостью, управляемостью характеристик, повышенной температурной стабильностью, более высокими рабочими частотами. Генераторы, реализованые на АН, требуют применения минимального количества реактивных элементов (катушек, конденсаторов), поэтому АН удобно использовать в микроэлектронике. Автогенераторы в датчиках используются в следующих ролях:

  • а) сигнал от автогенератора подается на одну из диагоналей мостовой схемы, в одно или несколько плеч которой включаются сенсоры (чувствительные элементы); с другой диагонали моста снимается выходной сигнал: сенсор может быть резистивным, емкостным, индуктивным;
  • б) сигнал автогенератора подается на цепочку, состоящую из последовательно соединенных сенсора и эталонного резистора, с которого снимается сигнал;
  • в) сенсор включается в схемы автогенератора и определяет его частоту; в этом случае сенсором может служить и пьезорезонатор;

Сенсор и автогенератор, реализованные как единая конструкция, представляют собой преобразователь, если к преобразователю добавить схему индикации с индикатором, получим датчик.

Обычно автогенератор представляет собой один или несколько усилительных каскадов, в которые введены гальванические положительные обратные связи или обратные связи через реактивные элементы (конденсаторы, трансформаторы, пьезорезонаторы). Если в усилителе каскады замкнуты в кольцо, получается так называемый кольцевой автогенератор. Усилительные каскады с гальваническими обратными связями часто являются аналогами негатронов, имеющими S- или N-образные вольт-амперные характеристики (ВАХ). Если АН при подключении к источнику питания имеет S-образную ВАХ, то для реализации автогенератора к клеммам, между которыми наблюдается эта ВАХ, достаточно подключить частотозадающие элементы (конденсатор, ньезорезонатор, последовательный LC-контур). Если АН имеет N- образую ВАХ, то между АН и источником питания включается параллельный LC-контур.

Известны также устройства с динамическим отрицательным сопротивлением. У них отрицательное сопротивление на определенных клеммах появляется только на высоких частотах за счет набега базы, а на статических ВАХ отсутствует участок дифференциального отрицательного сопротивления. Автогенераторы на таких устройствах организуются также подключением к ним частотозадающих элементов.

Виды ВАХ АН приведены на рис. 70. Кривые 1 и 2 - S-образные ВАХ, кривые 3 и 4 - N-образные. Частным видом N-образной ВАХ является X- образная ВАХ.

Аналоги негатронов с S-образной ВАХ типа кривой 1 для установления рабочей точки на участке отрицательного сопротивления должны питаться от источника тока с большим внутренним сопротивлением. Такой источник тока можно заменить последовательным соединением резистора нагрузки Rh и источника напряжения (с малым внутренним сопротивлением). При этом должно выполняться неравенство

где |Яэ| - модуль отрицательного дифференциального сопротивления.

Если ВАХ соответствует кривой 2, то рабочая точка автоматически устанавливается на участке отрицательного сопротивления при подаче напряжения питания, достаточного для вывода транзисторов в активный режим. У таких АН напряжение питания подастся на одни клеммы, а отрицательное сопротивление наблюдается между другими клеммами.

Аналог негатронов с N-образной ВАХ типа кривой 3 должен питаться от источника напряжения. Поскольку его малое внутреннее сопротивление шунтирует отрицательное сопротивление, то возникают проблемы с использованием отрицательного сопротивления в радиотехнических устройствах. Они обычно решаются включением между АН и источником напряжения катушки индуктивности. Это позволяет по постоянному току установить рабочую точку на участке отрицательного сопротивления, а по переменному току устранить шунтирование источником питания отрицательного сопротивления, так как сопротивление катушки по переменному току велико (при достаточной индуктивности на соответствующих рабочих частотах). АН с ВАХ типа кривой 4 имеет отдельные клеммы, между которыми наблюдается отрицательное сопротивление, и клеммы, на которые подается напряжение питания.

Рассмотрим схемы АН с S-образной ВАХ, нашедшие практическое применение.

На рис. 71 приведена схема аналога однопереходного транзистора, имеющего ВАХ между клеммами а-б типа 1(рис. 70). Величина отрицательного сопротивления связана с параметрами элементов схемы следующим соотношением [1]:

где . Aik - приращения токов коллектора и эмиттера соответственно).

Как видно, отрицательное сопротивление наблюдается, если (аг+ai) >1. Это соотношение обычно выполняется, т.к. при нормальном питании а—>1, наличие в знаменателе члена (1-а2) говорит о низкой температурной и режимной стабильности R/э, г.к. величина а2 близка к 1 и заметно меняется в зависимости от тока эмиттера и температуры.

На рис. 72 приведена схема аналога динистора, имеющего ВАХ между клеммами а-б типа 1 (рис. 70).

При этом [2]

Видно, что R'3 отрицательно также при (2)>l. Но Кэ более стабильно, чем у аналога однопереходного транзистора.

Аналог динистора на КМОП-транзисторах приведен на рис. 73 [3]. Здесь транзистор VT 1- с индуцированным каналом n-типа, а транзистор VT 2- со встроенным каналом p-типа. Величина отрицательного сопротивления

Виды ВАХ АН

Рис. 70. Виды ВАХ АН

Схема аналога однопереходного транзистора

Рис. 71. Схема аналога однопереходного транзистора

Схема аналога динистора на биполярных транзисторах где Х и ц, Si и S - динамические коэффициенты усиления но напряжению и крутизны соответствующих транзисторов

Рис. 72. Схема аналога динистора на биполярных транзисторах где Х и ц2, Si и S2 - динамические коэффициенты усиления но напряжению и крутизны соответствующих транзисторов.

На рис. 74 приведены схемы каскодных АН на биполярных транзисторах одинакового типа проводимости [4].Они имеют ВАХ типа кривой 2 (рис. 70). Для первой схемы

а для второй

Если в первой схеме вес транзисторы одинаковы, R|=R3, R2=R4, то

При изменении а в пределах 0,95-1 коэффициент при Ri меняется незначительно, поэтому схема обладает повышенной температурной и режимной стабильностью отрицательного сопротивления.

Схема каскодного АН на полевых транзисторах приведена на рис. 75 (можно использовать и МДП-транзисторы со встроенным каналом). Она имеет ВАХ типа 2 (см рис.70). При одинаковых транзисторах R|=R2 [4]

Видно, что отрицательные сопротивления наблюдается только при

1.

Схемы каскодных АН с токовыми отражателями приведены на рис. 76 [5]. Они имеют ВАХ типа 2 (рис. 70) и питаются от двух источников напряжения, обладают повышенными рабочими частотами, R3*-R]

Схема каскодного АН на основе модернизированного триггера Шмидта представлена на рис.77 [4]. При одинаковых транзисторах, R|>R2, R2>R3, R4»Ri (можно R4 заменить источником тока) величиной

Особенностью схемы является заземленность клеммы б. ВАХ имеет вид кривой 2 ( рис. 70).

Схема АН на биполярных транзисторах с гальваническими перекрестными коллекторно-базовыми связями показана на рис. 78 [6]. При одинаковых транзисторах, Rj=R3, R2=R4

Аналог динистора на КМОП-транзисторах

Рис. 73. Аналог динистора на КМОП-транзисторах

Схемы каскодных АН на биполярных транзисторах одинакового типа проводимости

Рис. 74. Схемы каскодных АН на биполярных транзисторах одинакового типа проводимости

Схема каскодного АН на полевых транзисторах

Рис. 75. Схема каскодного АН на полевых транзисторах

Схемы каскодных АН с токовыми отражателями

Рис. 76. Схемы каскодных АН с токовыми отражателями

Схема АН на основе модернизированного триггера Шмидта

Рис. 77. Схема АН на основе модернизированного триггера Шмидта

Аналог негатрона на биполярных транзисторах с перекрестными коллекторно-базовыми связями

Рис. 78. Аналог негатрона на биполярных транзисторах с перекрестными коллекторно-базовыми связями

Отрицательное сопротивление наблюдается при R2>Rb поэтому резисторы R2 и R4 лучше заменять на источники тока. ВАХ имеет вид кривой 2 (рис. 70), но при R|=R3, R2=R4 участок отрицательного сопротивления проходит через нули тока и напряжения, чем эта схема отличается от других.

Стремление повысить рабочие частоты АН ведет к включению биполярных транзисторов по схеме с общей базой. АН на таких транзисторах, включенных с перекрестными коллекторно-базовыми связями, показан на рис. 79 [7]. У этой схемы участок отрицательного сопротивления появляется только на динамической ВАХ на высоких частотах, когда сопротивления конденсаторов Qh С2 малы. При R2»R! (Ri=R6, R2=R5, R3=R-0, cx—> 1 величина R3«-2R|. По сравнению с предыдущей схемой рабочие частоты возрастают в 3-5 раз.

Аналог негатрона с S-образной ВАХ типа 1 ( рис. 70), приведенный на рис. 80 [8, 91, имеет

При ai=a2 —>1

Видно что выбором номиналов резисторов можно в широких приделах изменять величину Кэ.

Схема аналога негатрона с ВАХ S-типа вида 2 (рис. 70) на полевом и биполярном транзисторах показана на рис. 81, а [10]. Величина

где р - коэффициент передачи биполярного транзистора по току в схеме с общим эмиттером.

Видно, что сопротивление Ri следует выбирать высоким, a R2 - малым.

Все АН с S-образной ВАХ имеют годограф полного сопротивления, показанный на рис. 82.

Получить аналитические выражения для мнимой составляющей Im R, и действительной составляющей Re R, можно, если использовать аппроксимации частных зависимостей коэффициентов а, р и крутизны S:

где а0, ро и S0 - значения этих параметров на низких частотах, fe fM и fs - граничные частоты, на которых соответствующие коэффициенты уменьшаются в раз по сравнению с их низкочастотными значениями.

АН на биполярных транзисторах, включенных по схеме с общей базой

Рис. 79. АН на биполярных транзисторах, включенных по схеме с общей базой

АН на двух усилителях

Рис. 80. АН на двух усилителях

АН на полевом и биполярном транзисторах

Рис. 81. АН на полевом и биполярном транзисторах

Аппроксимационные зависимости а ц и S подставляются в формулы для Ro и после простых преобразований получают формулы для полного сопротивления в виде RcRt + jlmRi, а также выражения для RcRt и IitiRt. Так как ImR3=jcoL3, то эквивалентная индуктивность в последовательной схеме замещения с ReR3 определяется выражением

Теперь рассмотрим схемы нашедших практическое применение АН с N- образной ВАХ. Схема АН с N-образной ВАХ типа 3 (рис.70) на нолевом и биполярном транзисторах приведена на рис. 81, б[10]. Эквивалентная проводимость между клеммами а-б

Эта схема не отличается высокочастотностью.

Другая схема с такого же вида ВАХ приведена на рис. 83 [5]. Величина

Здесь используются биполярные транзисторы одинакового типа проводимости. Рабочие частоты не превышают fp (граничная частота коэффициента р).

Схема АН, получившего название А,-диода, показана на рис. 84 [11], величина

Схема отличается отсутствием резисторов и простотой.

Схема высокочастотного АН с N-образной ВАХ типа 4 (рис. 70) приведена на рис. 85 [5], при одинаковых транзисторах величина Уэ будет равна

где г, - сопротивление эмиттерного перехода, зависящее от тока эмиттера, определяемого резистором Rj.

Схема АН с N - образной ВАХ вида 3 ( рис.70) приведена на рис. 86 [8,9,12]. Она отличается от АН, приведенного на рис. 80, другим типом проводимости транзистора VT1, эквивалентная проводимость между клеммами а-б имеет вид

где

Рабочие частоты этого АН не высоки.

Таким образом, приведен обзор основных нашедших применение АН. Более подробно с АН можно познакомиться, используя литературу, приведенную в ссылках. В этой же литературе можно найти выражения для Re R3, Re Уэ, Im R3, Im Уэ, L„ Сэ.

Годограф эквивалентной проводимости АН с N-образной ВАХ имеет вид, показанный на рис. 87.

Выражения для ImYm и ReY3 получаются таким же способом, как и выражения для RcRo и ImRo. При этом выражение для полной проводимости приводится к виду

Так как 1тУэ=соСэ, то эквивалентная емкость в параллельной схеме замещает с ReYo (Яэ):

Выражения для Relb, RcY3, ImR3, ImY3, Ьэ, Сэ можно найти в [1-15]. 6.2. Пьезоэлектрические датчики

Чувствительным элементом в пьезорезонансных датчиках являются пьезоэлектрические резонаторы, в которых используются объемные или поверхностные акустические волны [16]. Такие пьезорезонаторы включаются в схему автогенератора и определяют его частоту. Воздействующим фактором на резонатор является температура, сила, давление, ускорение, влажность. Пьезорсзистор на объемных волнах (ОВ) представляет собой конденсатор, диэлектриком которого является пьсзоматсриал (рис. 88). Пьсзорсзонатор в виде пластинки резонирует на трех основных частотах:

а также на гармониках (Ne, Nb, Nh - частные постоянные).

Пьсзорсзистором на поверхностных акустических волнах (ПАВ) может служить встречно-штыревой преобразователь (рис. 89). Обычно выбирается a=h. В этом случае резонансная частота

где Уа - скорость распространения ПАВ.

Годограф полного сопротивления АН с S-образной ВАХ

Рис. 82 Годограф полного сопротивления АН с S-образной ВАХ

Схема АН с токовым отражателем

Рис. 83. Схема АН с токовым отражателем

Схема А, - диода

Рис. 84. Схема А, - диода

Схема высокочастотного АН с N-образной ВАХ

Рис. 85. Схема высокочастотного АН с N-образной ВАХ

Схема АН на эмиттерном повторителе и усилителе

Рис. 86. Схема АН на эмиттерном повторителе и усилителе

Годограф эквивалентной проводимости для АН с N-образной

Рис. 87 Годограф эквивалентной проводимости для АН с N-образной

ВАХ.

Под влиянием внешних факторов могут меняться размеры 1, b, h, а или частотные постоянные и скорость а.

На основе пьезорезисторов выполняются пьезотрансформаторы, которые также могут служить сенсорами. Простейшие пьезотрансформаторы на ОВ и ПАВ и показаны на рис. 90. Площади выходных элементов меньше площадей входных, если требуется получить коэффициент трансформации более 1. Коэффициент трансформации примерно равен отношению этих площадей в степени (0,33 - 1). Для получения автогенераторных датчиков пьезорезонаторы или пьезотрансформаторы клеммами 1-1 подключаются к клеммам а-б АН с S-образной ВАХ (рис. 91). Генерация возникает, если модуль отрицательного сопротивления превышает сопротивление, отражающее потери энергии в пьезорезонаторе и пьезотрансформаторе. Вследствие наличия реактивного сопротивления у АН и статической емкости у пьезорезонаторов и пьезотрансформаторов генерируемая частота несколько отличается от частоты последовательного резонанса пьезорезонатора или пьезотрансформатора [17-19]. Генерируемая частота нс превышает (0,l-0,5)fa. Иногда последовательно с пьезорезонатором (кварцевым) включают конденсатор, который служит сенсором. На рис. 92 приведены графики зависимости генерируемой частоты от напряжения питания при использовании пьезорезонатора на ПАВ. Пьезорезонатор был выполнен на ниобате лития, длина перекрытия электродов С=5мм; ширина электродов а и зазора между ними h равны 50 мкм, число пар электродов - 20. Резонатор подключается к клеммам а-б через разделительный конденсатор с емкостью 0,1 мкФ. Использовались транзисторы КНТ591В, R1=R3=510 Ом; R2=R4=240 Ом, R5=200 Ом. Как видно, под действием аммиака частота уменьшится на 40-60 кГц. Воздействие влажности воздуха изменяло частоту в существенно меньшей степени, а воздействие паров хлористого олова - на несколько сотен кГц. Углеводороды, спирты, угарный и природный газы не влияли на частоту генератора.

Следует заметить, что при отсутствии разделительного конденсатора после пребывания резонатора в среде аммиака или паров хлористого олова, проводящие электроды, находящиеся иод большим положительным потенциалом, детрадировали. Электроды, находящиеся под низким потенциалом, оставались неповрежденными.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы