АКТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Назначение и виды преобразователей сопротивлений. Активные преобразователи сопротивлений предназначены для смены значения или характера сопротивлений или проводимостей пассивных двухполюсных элементов: резистивных, индуктивных или емкостных [1,9,10,11]. К таким преобразователям относят конверторы и инверторы сопротивле­ний и проводимостей. Схема активного преобразователя сопротивле­ний или проводимостей приведена на рис. 10.1,а.

Конвертором сопротивления называют активный четырехполюс-ник, преобразующий некоторый двухполюсник с сопротивлением Z_н в двухполюсник с сопротивлением Z_вх=±γZ_н, где γ – вещественная положительная величина, называемая коэффициентом конверсии. Аналогично конвертором проводимости называют четырехпо­люс­ник, который преобразует двухполюсник с проводимостью Y_н в двухполюсник с проводимостью Y_вх = ±γY_н.

Рис.10.1. Схема активного преобразова-теля сопротивлений и проводимостей (а) и вольтамперная характеристика элемента с

отрицательным сопротивлением (б)

Инвертором (гиратором) сопро­тивления называют активный четы­рехполюсник, который преобразует пассивный двухполюсник с соп­ротивлением Z_н в двухполюсник с сопротивлением , где -сопротивление инверсии (или сопротивление гирации). Анало­гич­но инвертором проводимости называют четырехполюсник, который преобразует двухполюсник с проводимостью в двухпо­люсник с проводимостью .

Идея инвертора сопротивления была предложена в 1948 году Бернардом Теллегеном. Основное применение гираторов заключается в создании участков цепи, имитирующих индуктивность. Поскольку катушки индуктивности далеко не всегда могут применяться в электрических цепях, использование гираторов позволит обходиться без катушек.

Из определения конвертора сопротивления следует, что входное сопротивление четырехполюсника с нагрузкой может быть как положительным, так и отрицательным. При этом конвертор положительного сопротивления изменяет только значение сопротивлениядвухполюсника нагрузки, а конвертор отрицательного сопротивления меняет не только значение, но и знак.

Сопротивление бывает положительным, если с возрастанием тока в нем растет и падение напряжения. Если же с ростом тока падение напряжения на сопротивлении уменьшается, то оно является отрица­тельным. Отрицательной может быть и проводимость двухполюсника.

Вольтамперная характеристика одного из таких сопротивлений приведена на рис.10.1,б. Отрицательным это сопротивление является в области Б, где с ростом приложенного напряжения ток умень­шает­ся. Если включить отрицательное сопротивление в цепь пос­ледова­тельно с положительным, то увеличение тока в этой цепи будет вызывать уменьшение падения напряжения на отрицательном сопротивлении и увеличение напряжения на положительном. При этом сумма падений напряжений на положительном и отрицательном сопро­тивлениях будет постоянной, а увеличение мощности, расходуемой в положительном сопротивлении, компенсируется мощностью, вноси­мой отрицательным сопротивлением. Таким образом, отрицательное сопротивление не расходует энергию, а как бы вносит свою энергию в цепь, поэтому оно и названо отрицательным. В действительности в цепях с отрицательным сопротивлением используется только энергия имеющихся в них источников, а отрицательное сопротивление выполняет ее перераспределение между элементами цепи.

Моделирование преобразователей сопротивлений и прово­ди­мостей. Наиболее часто конверторы сопротивлений и проводимос­тей реализуются на управляемых источниках напряжения или тока. Схема конвертора сопротивления с управляемым источником напря­же­ния приведена на рис.10.2,а. В этой схеме управляемый источник

Рис.10.2. Модель конвертора cопро­тивления с управляемым источником напряжения (а) и модель конвертора про-водимости с управляемым источни

ком тока (б)

напряжения соединен последовательно с сопротивлением наг­рузки , а уравнения схемы имеют вид:

.(10.1)

Входное сопротивление такой схемы определяется выражением:

(10.2)

Таким образом, коэффициент конверсии имеет значение:

(10.3)

Если , то рассмотренная схема является конвертором отрицательного сопротивления, если же , то схема становится конвертором положительного сопротивления. При резистивной нагрузке конвертора входное сопротивление будет положи­тель­ным при и отрицательным при .

Если нагрузка имеет индуктивный характер , то входное сопротивление также оказывается индуктивным:

При входная индуктивность конвертора становится отрицательной ( ). Таким образом, одна и та же схема, приведенная на рис 10.2,а, при различных значениях коэффициента передачи четы­­рехполюсника может быть конвертором положи­тель­ного или отрицательного сопротивления.

Аналогичные результаты получаем при использовании в четырехполюснике источника тока, управляемого током, как показа­но на рис 10.2,б. Так как в этой схеме управляемый источник вклю­чен параллельно нагрузке, то уравнения схемы имеют вид:

(11.4)

Входная проводимость схемы имеет значение

(11.5)

где – коэффициент передачи управляемого источника по току.

При > 1 входная проводимость становится отрицательной, поэ­тому схема будет конвертором отрицательной проводимости.

Так, например, если нагрузка четырехполюсника имеет веще­ственный характер , то входная проводимость

будет отрицательной и вещественной.

Если нагрузка имеет емкостной характер , то входная про­водимость также будет емкостной, а сама входная емкость при > 1 будет отрицательной ( ). При < 1, входная емкость будет по­ло­­­жи­тельной.

Таким образом, использование конверторов сопротивлений и про­­­водимостей позволяет изменять масштаб положительных сопро­тив­лений, проводимостей, индуктивностей и емкостей, делая их отри­цательными, положительными или равными нулю.

Некоторых пояснений требуют понятия отрицательной емкости и отрицательной индуктивности. Положительная емкость (просто ем­кость) имеет комплексную проводимость , где угол 90^о ука­зы­вает, что ток опережает напряжение на 90^о. В отрицательной ем­ко­сти сохраняется та же частотная зависимость проводимости, но изменяется сдвиг фаз между напряжением и током, т. е. ток отстает от напряжения на угол, равный 90^о.

Положительная индуктивность (просто индуктивность) имеет комплексное сопротивление , где угол 90^о указывает, что напряжение опережает ток на 90^о. В отрицательной индуктивности сохраняется тот же вид частотной зависимости сопротивления, но изменяется сдвиг фаз между током и напряжением, т. е. напряжение отстает от тока на 90^о. Иначе говоря, частотные зависимости у отри­ца­тельной емкости и отрицательной индуктивности такие же, как у положительных, а сдвиги фаз отличаются на 180^о.

Например, если положительную емкость подключить парал­ле­ль­но отрицательной емкости, то при равенстве их абсолютных значений полная емкость такого соединения будет равна нулю. Если же после­до­вательно соединить отрицательную индуктивность и положитель­ную индуктивность, имеющие одинаковые абсолютные значения, то полная индуктивность такого соединения также будет равна нулю.

Инверторы сопротивлений и проводимостей также можно по­строить на управляемых источниках напряжения или тока. Схема ин­вер­тора сопротивления на двух источниках напряжения, управляе­мых током, приведена на рис.10.3,а.

Рис.10.3. Модель инвертора сопротивления на уп­рав­ляемых источниках напряжения (а) и модель ин­вер­тора проводимости на управляемых источниках

тока(б)

В этой схеме напряжения на зажимах четы­рехполюсника, составленного из двух управ­ляе­­мых источников, имеют значения:

(10.6)

где – сопротивление прямой передачи управляемых источников, которое одновременно является и сопротивлением инверсии (гирации).

Из уравнения (10.6) найдем входное сопротивление:

(10.7)

где – сопротивление нагрузки (знак минус введен из-за того, что ток и напряжение на нагрузке имеют различное сопротив­ле­ние).

Схема, приведенная на рис 10.3,а, соответствует инвертору (гира­тору) положительного сопротивления. Если же поменять направление только одного из управляемых источников напряжения, то изменится знак у одного из напряжений в уравнениях (10.6) и сопротивление

(10.8)

примет отрицательное значение. В этом случае схема будет соответ­ствовать инвертору (гиратору) отрицательного сопротивления.

Аналогичные результаты получаем при использовании двух ис­точ­ников тока, управляемых напряжением. Схема инвертора прово­ди­мости с двумя управляемыми источниками тока приведена на рис 10.3,б. В этой схеме токи управляемых источников имеют значения:

(10.9)

где Y_г – проводимость прямой передачи источников, которая и яв­­ляется проводимостью инверсии.

Из уравнения (10.9) находим входную проводимость схемы:

(10.10)

где – проводимость нагрузки.

Схема, приведенная на рис 10.3,б, соответствует инвертору (ги­ратору) положительной проводимости. Если поменять направ­ление только одного из управляемых источников тока, то изменится знак у одного из токов в уравнениях (10.9) и проводимость

(10.11)

примет отрицательное значение. В этом случае схема, приведенная на рис. 10.3,б, будет соответствовать инвертору отрицательной проводи­мости. Самым распространенным применением инверторов сопро­ти­в­­ле­ний и проводимостей является создание на их основе ем­костных аналогов индуктивности. В связи с тем, что изготовление ем­кости про­ще, чем изготовление индуктивности, этот способ изготов­ления индуктивностей находит самое широкое применение, особенно в микроэлектронике. Так, например, если в схеме рис.10.3,а исполь­зо­вать емкостную нагрузку , то входное сопротивление ин­вер­тора будет индуктивным, а эквивалентная индуктивность будет иметь значение

, (10.12)

где R_г– вещественное сопротивление инверсии.

При помощи инверторов сопротивлений можно построить без­ин­дуктивные резонансные контуры, различные безиндуктивные филь­тры, интеграторы напряжения и многие другие устройства. В таких устройствах отсутствуют многие нежелательные факторы, свя­занные с несовершенством катушек индуктивности: насыщение фер­ромаг­нитных сердечников, потери на гистерезис и вихревые токи, большие габариты и масса катушек. Инверторы сопротивлений с ем­костной нагрузкой имеют реактивный (индуктивный) характер вход­ного сопротивления, поэтому такой инвертор не потребляет энергию из цепи, к которой он подключен.

Реализация конверторов сопротивлений на управляемых источниках. При построении конверторов сопротивлений на управляемых источниках напряжения с использованием модели, приведенной на рис.10.2,а, в качестве управляемого источника можно использовать, например, операционный усилитель, выполнив на нем усилитель с ограниченным усилением. Схема такого усилителя без инверсии входного сигнала приведена на рис.10.4,а, а с инверсией – на рис.10.4,б.

Рис.10.4. Схемы неинвертирующего усилителя с ограниченным усилением ОУ (а), инвертирующего усилителя (б) и условное обозначение неинвер­­тирую-

­­щего усилителя (в) и инвертирующего усилителя (г)

Коэффициент усиления по напряжению для схемы, приведенной на рис.10.4,а, определяется по формуле

а для схемы, приведенной на рис.10.4,б ,

Условные схематические обозначения усилителей с ограничен­ным усилением приведены на рис.10.4,в и г.

С помощью таких усилителей можно легко организовать кон­вер­­­торы отрицательной и положительной емкости, схемы которых приведены на рис.10.5. Для схемы конвертора отрицатель­ной емкости, изображенной на рис.10.5,а, входная емкость может быть найдена по формуле

а для схемы конвертора положительной емкости, изображенной на рис.10.5,б, – по формуле

Так, например, при R₁=R₂ для схемы конвертора (рис.10.5,а) по­лучаем C_вх=-С_н, т. е. емкость на входе конвертора изменяет знак, не изменяя значения.

Рис.10.5. Схемы конвертора отрицатель-

ной (а) и положительной (б) емкостей

Другой тип конверторов сопро­тив­ления можно создать на базе источников тока, управляемых током. Простейшим устройством такого типа является биполярный транзистор. В соответствии со схемой такого конвертора (рис.10.2,б) нагрузка должна подключаться параллельно управляемому источнику тока. Упрощенная схема тако­го конвертора приведена на рис 10.6,а. Так как нагрузка Z_н включена в эмиттер, то схема является эмиттерным повторителем напряжения, схема замещения которого приведена на рис.10.6,б.

Уравнения для схемы замещения рис.10.6,б имеют вид: