Василь Агафонов


Ще в сімдесятих роках у різних журналах почали з’являтися статті, що описують дуже цікавий елемент електронної техніки – еквівалент лямбда-діода (ЕЛД). Він являє собою особливим чином включену пару польових транзисторів з pn-переходами різного типу і має вольт-амперну характеристику (ВАХ), схожу на ВАХ тунельного діода, але без другої гілки позитивного опору. На відміну від тунельного діода, ЕЛД при напрузі, що перевищує напругу запирання Uзакр, Виявляється закритим, так що струм через нього падає до декількох пікоампер. Схема ЕЛД представлена ​​на рис.1, а його ВАХ зображена на рис.2.

 
За допомогою ЕЛД легко реалізувати як схемні рішення, характерні для тунельного діода, так і зовсім своєрідні пристрою, як це показано в [1], [2], [3], [4]. Журнал «Радіо» також звертався до цієї теми (див. [5], [6].

Широкому поширенню пристроїв на ЕЛД заважає складність розрахунку ВАХ ЕЛД по відомим параметрам входять до нього польових транзисторів, що в свою чергу визначається складністю апроксимації ВАХ польового транзистора [7], [8].

Саме через це до цих пір не були отримані також формули для розрахунку основних параметрів ЕЛД, якими можна в більшості випадків обходитися замість ВАХ при розрахунку різних пристроїв на ЕЛД. До таких параметрами слід віднести максимальний струм через ЕЛД (Imax); Напруга, при якому має місце цей струм (Umax); Напруга запирання (Uзакр); Диференціальне негативний опір ЕЛД (-rд); Координати точки перегину гілки негативного опору ВАХ ЕЛД (Uпер, Iпер). Маючи формули, що зв’язують перераховані вище параметри ЕЛД з параметрами польових транзисторів, що входять до нього, можна легко підібрати потрібну пару транзисторів, а також розрахувати генератор, підсилювач і будь-яке інше пристрій на ЕЛД.

У даній статті описується наближений розрахунок ВАХ симетричного ЕЛД і його параметрів.

Для отримання наближеного виразу для ВАХ ЕЛД врахуємо, що кожен транзистор в симетричному ЕЛД працює до моменту повного запирання при напругах стік-витік що не перевищують напруги відсічення цього транзистора (і його пари, тому що ми вважаємо їх однаковими). За цих умов залежність струму через польовий транзистор від напруги стік-витік можна наближено вважати лінійної, напруги Uсі1=Uзі2= U / 2 і UСі2=Uзі1=-U / 2 рівними за модулем, і тоді ВАХ польового транзистора можна описати простою формулою:

Ic=(Uсі/Rm)(1- |Uзи/2Uотс|)2 , (1)

де Uсі – Напруга стік-витік польового транзистора, (у разі симетричного ЕЛД, як видно з рис.1, Uсі=U/2), Uзи – Напруга затвор-витік, Uотс – Напруга відсічення польового транзистора, а Rm – Опір польового транзистора на початковій ділянці ВАХ при Uзи= 0 в околицях точки Uсі=0, Iз=0:

Rm=dUсі/dIc.

Таке спрощене вираз для ВАХ польового транзистора придатне розрахунку ВАХ лямбда-діода, коли | Uсі |< |Uотс|. З рис.1 видно, що ВАХ ЕЛД описується в цьому випадку виразом

I(U)=c(U/2)=(U/2Rm)(1-|U/2Uотс|)2. (2)

Враховуючи, що для симетричного ЕЛД | Uсі|=|Uзи|, Можна наближено вважати

Rm=dUзи/dIc=1/Smax,

де Smax – Максимальна крутизна польового транзистора, яку можна взяти з довідника або виміряти. Тоді вираз для ВАХ ЕЛД буде містити тільки відомі параметри польових транзисторів:

(U)=1/2 USmax(1-|U/2Uотс|)2 (3).

Продифференцировав вираз (3) по U, можна знайти аргументи, за яких ця функція має екстремуми.

UЕ1=Uзап=2|Uотс|,

що відповідає даним з [8], де для розрахунку використана апроксимація ВАХ польового транзистора складними функціями, і

UЕ2=Umax=2|Uотс|/3. (4)

Вираз для Umax в [8] не отримане, але за наявним там графіком ВАХ можна бачити, що і тут має місце збіг результатів розрахунку.

Підставивши значення Umax з (4) в (2) або в (3), отримаємо

Imax=4Uотс/27Rm~ 0,15Uотс/Rm,

або

Imax=4UотсSmax/27~ 0,15UотсSmax.

Експерименти показали, що розрахункове значення Im ax від експериментального для пар транзисторів КП303 і КП103, отбрать за параметрами Smax і Uотс, Відрізняється не більше ніж на 10%. Далі можна визначити точку перегину на негативній гілки ВАХ, знайшовши попередньо

d2I/dU2=(1/UотсRm)(3U/4U отс-1). (5)

Прирівнявши до нуля вираз (5) і вирішивши отримане рівняння, визначимо

Uпер=4Uотс/3,

Iпров=2Uотс /27Rm =Imax/2,

що також добре узгоджується з графіком з [8] і результатами експериментів, проведених автором.

Далі визначаємо

– rд=-6Rm=-6/Smax.

Для асиметричного ЕЛД на польових транзисторах з відмінними параметрами також можна розрахувати ВАХ, скориставшись виразом (2) або (3) і отримавши систему рівнянь, за методикою з [8], але з набагато простішими виразами. Збіг результатів розрахунку з експериментальними даними – цілком задовільний. Рішення системи рівнянь легко провести на будь-якому програмованому калькуляторі або комп’ютері. Однак для основних параметрів асиметричного ЕЛД не вдалося отримати вирази в явному вигляді.

Автор висловлює надію, то можливість легко розрахувати параметри ЕЛД за параметрами вхідних у нього польових транзисторів послужить стимулом для створення радіоаматорами цілого ряду пристроїв із застосуванням цього перспективного елемента.

Л І Т Е Р А Т У Р А

1. Kano, G. The lambda diode: versatile negative-resistance device. «Electronics», 48(1975), N13, p.105-109.
2.Ходоунек, Комплементарні польові транзистори з переходом у двохчастотному генераторі. «Електроніка», 1975, N22, с.60.
3. Дьяконов В.П., Семенова О.В. Перемикаючі пристрої на лямбда-транзисторах. «Прилади й техніка експерименту», 1977, N5, с.96.
4. Пташник І. VFO з електронною перебудовою. «Радіоаматор», 1993, N9, с.38.
5. Нечаєв І. Лямбда-діод і його можливості. «Радіо», 1984, N2, с.54
6. Нечаєв І. Щуп-генератор на аналогу лямбда-діода. «Радіо», 1987, N4, с.49.
7. Takashi T. Approximation of function field-effect transistor characteristics by hyperbolic function, IEEE Journal of solid-state circuits. 1978, v.13, N5, p.724-726.
8. В.І.Молотков, Е.І.Потапов. Дослідження ВАХ малопотужних польових транзисторів і лямбда-діодів і розрахунок амплітуд автогенератора на лямбда-діод. «Радіоелектроніка», 1991, т.34, N11, с.108-110.