МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 6, с. 468-478
СХЕМОТЕХНИКА
УДК 621.382 +621.372.011.7
генераторы хаотических колебании на основе полупроводниковых источников отрицательного сопротивления с многосегментноИ вольт-амперноИ характеристикой
© 2004 г. В. Г. Прокопенко
Научное конструктурское бюро "МИУС" Таганрогского государственного радиотехнического университета Поступила в редакцию 25.03.2004 г.
Рассмотрены способы схемотехнического построения новой разновидности автостохастических генераторов - с многосегментной электронноуправляемой нелинейностью, допускающих перестройку параметров хаотических автоколебаний при неизменных условиях их возбуждения. Подробно описана практическая реализация и работа активных элементов таких генераторов - источников отрицательного сопротивления с высокостабильной вольт-амперной характеристикой сложной формы.
Одним из многообещающих подходов к решению задачи эффективной модуляции хаотических колебаний является использование в качестве активной части автостохастического генератора источника отрицательного сопротивления (ИОС), имеющего вольт-амперную характеристику (ВАХ), состоящую из нескольких одинаковых фрагментов, количество которых можно регулировать с помощью электрического сигнала. Значимость такого подхода состоит в возможности перестраивать хаотический сигнал при неизмененных условиях его возбуждения.
Однако известные ИОС такого типа либо не дают необходимой для большинства подобных приложений точности и стабильности ВАХ [1], либо строятся на основе большого числа операционных усилителей, вследствие чего имеют низкое быстродействие и трудносовместимы с твер-
дотельным исполнением [2]. К тому же они не обеспечивают возможность электронной перестройки параметров ВАХ в сколько-нибудь широких пределах.
Таким образом, задача разработки способов построения быстродействующих интегральных ИОС с электронноуправляемой многосегментной ВАХ представляется весьма актуальной. Причем, ввиду значительного разнообразия используемых в генераторах апериодических колебаний нелинейностей, следует искать решения, которые могли бы обеспечить максимальную гибкость видоизменения формы ВАХ.
Примером такого решения может служить ИОС в приведенной на рис. 1 схеме динамического аналога автостохастического генератора Чуа с обобщенной нелинейностью [3], где он должен иметь изображенную на рис. 2 кусочно-линейную ВАХ:
и(г) ~ ЯХ
Ы + (1 - к)
Л г -10| - | г + 10| + X |г + 10(тс + 1 ) | - |г + 10(тс - 1) | - 2 10 +
V N
х
п = 0
т = 0
|г -10(пс - 1 )| - |г -10(пс + 1 )| + 210
где и - напряжение, возникающее между выводами источника отрицательного сопротивления под действием протекающего через него тока г; Я -сопротивление резистора в колебательной системе генератора; 10 - величина граничного тока между средним, проходящим через начало координат, участком ВАХ и сопредельными с ним боковыми участками; Х и к - константы, определяющие соотношение дифференциальных сопротив-
лений соседних участков, и имеющие значения, удовлетворяющие неравенствам
Х < -1 и -1< Хк < 0;
с = 2Х(к - 1)/(кХ + 1);
М и N - целые неотрицательные числа, задающие количество сегментов
^ (й = - N, .„0, ...М)
ИОС
4
-Си.
R1 R1
5
Рис. 1. Динамический аналог схемы Чуа с обобщенной нелинейностью на основе источников отрицательного сопротивления с многосегментной ВАХ: 1 - отрицательный нелинейный резистор; 2 - положительный нелинейный резистор; 3 - нелинейные четырехполюсники; 4 - ключевые элементы; 5 - линейный конвертор импеданса; 6 - нелинейные двухполюсники.
ВАХ, которое равно
1 + М + N.
Способ формирования многосегментной нелинейности в источнике отрицательного сопротивления на рис. 1 заключается в последовательном соединении положительного и отрицательного нелинейных резисторов, номиналы которых являются дискретными функциями протекающего через них тока.
Положительный резистор состоит из последовательно включенных нелинейных двухполюсников, каждый из которых образован параллельно соединенными ключевым элементом и линейным резистором Я2. Отрицательный резистор представляет собой линейный конвертор импеданса, в нагрузку которого включено нелинейное сопротивление, образованное резисторами Я1 и последовательно соединенными нелинейными четырехполюсниками, каждый из которых содержит ключевой элемент и два линейных резистора ЯЗ.
Основную роль в формировании ВАХ играют ключевые элементы (рис. 2), опишем их работу.
Пока ток, протекающий через ключевой элемент, находится в пределах интервала, ограниченного значениями выходных токов генераторов тока I1 и I2 все транзисторы, входящие в его состав, находятся в активном режиме. При этом, вследствие взаимной компенсации эмиттерных сопротивлений транзисторов VT1 и VT3, а также VT2 и VT4, дифференциальное сопротивление ключевого элемента (приблизительно равное
2фт (1/I1 + 1/12>/Р,
где в - коэффициент передачи транзисторов по току в схеме с общим эмиттером, фг - температурный потенциал) пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлениями резисторов R1, R2, R3.
За пределами этого интервала один из транзисторов VT3, VT4 находится в режиме отсечки и сопротивление ключевого элемента определяется высоким сопротивлением обратносмещенного эмиттерного р-я-перехода закрытого транзистора, которое много больше сопротивлений линейных резисторов.
1
I---------------------------1
Рис. 2. Электрическая схема ключевых элементов.
Благодаря этому нестабильные параметры транзисторов практически не влияют на ВАХ, определяющуюся резисторами Я1, Я2, ЯЗ и выходными токами генераторов тока, входящих в состав ключевых элементов. Номиналы резисторов задают дифференциальные сопротивления линейных участков характеристики, а токи - положение границ между ними.
Быстродействие источников отрицательного сопротивления ограничено инерционностью ключевых элементов и линейного конвертора импеданса. Так как коэффициент передачи конвертора импеданса по мощности равен единице, его верхняя граничная частота может превышать половину граничной частоты используемых транзисторов [4, 5]. В ключевых элементах транзисторы работают в активном режиме и режиме отсечки, не связанных с накоплением заряда в базе, что делает их быстродействие сравнимым с быстродействием линейных сверхширокополосных устройств [6, 7]. Поэтому суммарная инерционность источника отрицательного сопротивления весьма незначительна и, в случае монолитного исполнения, может соответствовать гигагерцовому интервалу частот.
Чтобы источник отрицательного сопротивления имел ВАХ (1), в его составе должны находиться
1 + Мах(М, N
нелинейных двухполюсников и Мах(М, N нелинейных четырехполюсников (где Мах(М, N -большее из чисел М и сопротивления резисторов должны быть равными
Я1 - - АД/2, Я2 - АЯ(к - 1), ЯЗ = Я2/2,
а выходные токи генераторов тока, входящих в состав ключевых элементов, иметь следующие значения.
При М = N выходные токи генераторов тока 11 и 12 должны быть равны
да - 1) + 1],
где р - номер нелинейного двухполюсника, в составе которого находится ключевой элемент, содержащий эти генераторы тока; выходные токи генераторов тока /1 и 12, содержащихся в ключевых элементах, входящих в состав первого и последующих, начиная со второго, нелинейных четырехполюсников, - равны (с - 1)/0 и с/0 соответственно.
Случай М > N отличается от случая М = N тем, что выходные токи генераторов тока /ъ содержащихся в ключевых элементах, входящих в состав с 2 + N по 1 + М нелинейных двухполюсников, и выходные токи /1 генераторов тока, содержащихся в ключевых элементах, входящих в состав с 1 + N по М нелинейных четырехполюсников, выбираются на (1.5.. .2)(с - 1)/0 большими 10(Мс + 1) - наибольшего из выходных токов генераторов тока /2, содержащихся в этих ключевых элементах.
Случай N > М отличается от случая М = N тем, что выходные токи генераторов тока /2, содержащихся в ключевых элементах, входящих в состав с 2 + М по 1 + N нелинейных двухполюсников, и выходные токи генераторов тока /2, содержащиеся в ключевых элементах, входящих в состав с 1 + М по N нелинейных четырехполюсников, выбираются на (1.5.. .2)(с - 1)/0 большими /0(Мс + 1) - наибольшего из выходных токов генераторов тока /1, содержащихся в этих ключевых элементах.
Нелинейные двухполюсники имеют номера, начиная с единицы и заканчивая 1 + Мах(М, Нелинейные четырехполюсники - начиная с единицы и заканчивая Мах(М, №), причем первый номер имеет четырехполюсник, вход которого через резисторы Я1 соединен с линейным конвертором импеданса, а последний - четырехполюсник, выход которого подключен к общей шине.
Источник отрицательного сопротивления работает следующим образом. При малых значениях протекающего через него тока г, когда все ключевые элементы отперты, его эквивалентное отрицательное сопротивление определяется суммой сопротивлений резисторов Я1, и приблизительно равно
-2Я1 - АЯ.
Рис. 3. ВАХ источника отрицательного сопротивления в динамическом аналоге схемы Чуа с обобщенной нелинейностью.
В это время рабочая точка находится в пределах среднего участка сегмента £0 ВАХ (см. рис. 3). При выходе значения тока г за пределы интервала [-/о, /0] запирается ключевой элемент, содержащийся в первом нелинейном двухполюснике. В результате последовательно со входом линейного конвертора импеданса включается сопротивление резистора Я2. При этом эквивалентное дифференциальное сопротивление источника отрицательного сопротивления становится равным приблизительно
- 2Я1 + Я2 - кХЯ,
а рабочая точка перемещается на один из боковых участков сегмента S0. Когда значение тока г выходит за границы интервала
[-(с - 1)/0, (с - ед,
запирается ключевой элемент, входящий в состав первого нелинейного четырехполюсника, вследствие чего последовательно с сопротивлениями резисторов Я1 включаются сопротивления резисторов Я3, содержащихся в первом нелинейном четырехполюснике. В результате эквивалентное дифференциальное сопротивление источника отрицательного сопротивления становится приблизительно равным
-2Я1 + Я2 - 2Я3 = - 2Я1 - ХЯ,
а рабочая точка переходит, в зависимости от направления тока г, на средний участок сегмента £ или £
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.