генератор хаотических колебаний

Формула изобретения

1. Генератор хаотических колебаний, содержащий устройство с отрицательным сопротивлением, первый вывод которого соединен с первым выводом емкости, второй вывод которой соединен с первым выводом индуктивности, отличающийся тем, что в него введено устройство с отрицательной индуктивностью, выводы которого соединены с выводами устройства с отрицательным сопротивлением, второй вывод которого соединен с вторым выводом индуктивности, причем вольт-амперная характеристика устройства с отрицательным сопротивлением такова, что напряжение на выводах этого устройства является однозначной функцией протекающего через него тока.

2. Генератор хаотических колебаний по п.1, отличающийся тем, что устройство с отрицательным сопротивлением содержит первый и второй транзисторы, эмиттеры которых являются соответственно первым и вторым выводами устройства с отрицательным сопротивлением, коллектор первого транзистора соединен с базой второго транзистора и эмиттером третьего транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом первого источника тока, эмиттером четвертого транзистора и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с выходом второго источника тока, эмиттером пятого транзистора и базой и коллектором шестого транзистора, эмиттер которого соединен с базой первого транзистора и коллектором второго транзистора, коллектор четвертого транзистора соединен с базой пятого транзистора и эмиттером седьмого транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом третьего источника тока и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с выходом четвертого источника тока и базой и коллектором восьмого транзистора, эмиттер которого соединен с базой четвертого транзистора и коллектором пятого транзистора, устройство с отрицательной индуктивностью содержит девятый транзистор, коллектор которого соединен с базой десятого транзистора и эмиттером одиннадцатого транзистора, база и коллектор которого соединены с первым выводом устройства с отрицательной индуктивностью, база девятого транзистора соединена с коллектором десятого транзистора и эмиттером двенадцатого транзистора, база и коллектор которого соединены с вторым выводом устройства с отрицательной индуктивностью, эмиттер девятого транзистора соединен с первым выводом второй индуктивности, второй вывод которой соединен с эмиттером десятого транзистора и общей шиной.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве источника хаотических электромагнитных колебаний.

Известен генератор хаотических колебаний (N.Inaba, T.Saito and S.Mori. Chaotic phenomena in a circuit with negative resistance and ideal swith of diodes//The transactions of IEICE, 1987, Vol. E 70, N 8, P. 744), содержащий устройство с отрицательным сопротивлением, первый вывод которого соединен с первыми выводами первой емкости и нелинейного резистора, второй вывод соединен со вторым выводом первой емкости и первыми выводами второй емкости и индуктивности, вторые выводы которых соединены со вторым выводом нелинейного резистора.

Также известен генератор хаотических колебаний (А.Р.Волковский. Хаотический релаксационный генератор. Изв. вузов "Прикладная нелинейная динамика", 1994, Т. 2, N 2, с. 50), представляющий собой блокинг-генератор, в коллекторную цепь транзистора которого включен дополнительный конденсатор.

Однако колебательная система этих генераторов должна иметь более двух отводов для соединения с остальными элементами схемы. Это не позволяет использовать данные генераторы для возбуждения хаотических колебаний в колебательных системах, имеющих только одну пару внешних выводов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является генератор хаотических колебаний (Т.Мацумото. Хаос в электронных схемах. ТИИЭР, 1987, Т. 75, N 8, с. 76-79, рис. 19, 20), содержащий устройство с отрицательным сопротивлением, первый вывод которого соединен с первым выводом емкости, второй вывод которой соединен с первым выводом индуктивности.

Недостатком этого генератора хаотических колебаний является то, что его построение основано на использовании параллельного резонансного контура, что не позволяет применить данную схему для возбуждения хаотических колебаний в резонансных системах с последовательным резонансом, например в последовательном LC-контуре.

Целью изобретения является возбуждение хаотических колебаний в двухполюсной резонансной системе с последовательным резонансом.

Цель изобретения достигается тем, что в генератор хаотических колебаний, содержащий устройство с отрицательным сопротивлением, первый вывод которого соединен с первым выводом емкости, второй вывод которой соединен с первым выводом индуктивности, дополнительно введено устройство с отрицательной индуктивностью, выводы которого соединены с выводами устройства с отрицательным сопротивлением, второй вывод которого соединен со вторым выводом индуктивности, причем вольт-амперная характеристика устройства с отрицательным сопротивлением такова, что напряжение на выводах этого устройства является однозначной функцией протекающего через него тока.

С целью повышения температурной стабильности устройство с отрицательным сопротивлением содержит первый и второй транзисторы, эмиттеры которых являются соответственно первым и вторым выводами устройства с отрицательным сопротивлением, коллектор первого транзистора соединен с базой второго транзистора и эмиттером третьего транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом первого источника тока, эмиттером четвертого транзистора и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с выходом второго источника тока, эмиттером пятого транзистора и базой и коллектором шестого транзистора, эмиттер которого соединен с базой первого транзистора и коллектором второго транзистора, коллектор четвертого транзистора соединен с базой пятого транзистора и эмиттером седьмого транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом третьего источника тока и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с выходом четвертого источника тока и базой и коллектором восьмого транзистора, эмиттер которого соединен с базой четвертого транзистора и коллектором пятого транзистора, устройство с отрицательной индуктивностью содержит девятый транзистор, коллектор которого соединен с базой десятого транзистора и эмиттером одиннадцатого транзистора, база и коллектор которого соединены с первым выводом устройства с отрицательной индуктивностью, база девятого транзистора соединена с коллектором десятого транзистора и эмиттером двенадцатого транзистора, база и коллектор которого соединены со вторым выводом устройства с отрицательной индуктивностью, эмиттер девятого транзистора соединен с первым выводом второй индуктивности, второй вывод которой соединен с эмиттером десятого транзистора и общей шиной.

Заявляемый генератор хаотических колебаний поясняется фиг. 1, на которой изображена его схема электрическая принципиальная, фиг. 2, на которой показано распределение токов и напряжений в схеме генератора при его работе, и фиг. 3, на которой приведена практическая реализации заявленного генератора.

Генератор хаотических колебаний содержит устройство с отрицательным сопротивлением 1, устройство с отрицательной индуктивностью 2, емкость 3 и индуктивность 4, причем устройство с отрицательным сопротивлением содержит первый 5, второй 6, третий 7, четвертый 8, пятый 9, шестой 10, седьмой 11 и восьмой 12 транзисторы, первый 13 и второй 14 резисторы, первый 15, второй 16, третий 17 и четвертый 18 источники тока, устройство с отрицательной индуктивностью содержит девятый 19, десятый 20, одиннадцатый 21 и двенадцатый 22 транзисторы и вторую индуктивность 23.

Запишем уравнения, описывающие динамику данного генератора (см. фиг. 2):



где L₁ - модуль эквивалентной индуктивности устройства с отрицательной индуктивностью 2; L₂ - значение индуктивности 4; С - значение емкости 3; i_L1 - переменный ток, протекающий в цепи устройства с отрицательной индуктивностью 2; i_L2 - переменный ток, протекающий в индуктивности 4; u_C - переменное напряжение на емкости; u_S(i) - динамическая вольт-амперная характеристика устройства с отрицательным сопротивлением.

Разрешив уравнения (1) относительно di_L1/dt, di_L2/dt, du_c/dt, получим следующую систему дифференциальных уравнений:



Вводя нормированные переменные x = i_L1/I₀, y = i_L2/I₀, z = u_C/n₁I₀ (где I₀ - величина граничного тока между средним и боковыми участками вольт-амперной характеристики отрицательного сопротивления, n₁ - дифференциальное сопротивление ее среднего участка) и безразмерное время

приведем систему (2) к стандартному виду:



где r(y - x) = u_S(i)/n₁I₀ - нормированная динамическая вольт-амперная характеристика устройства с отрицательным сопротивлением; А = L₂/L₁; В = L₂/n₁²C.

Полученная система уравнений идентична стандартной системе уравнений, описывающей динамику прототипа, так как исходная система уравнений, описывающая прототип



приводится к виду (3) подстановкой:

x = u_C1/E₁; y = u_C2/E₁; z = i_L/(m₁E₁);

A = C₂/C₁; B = C₂/(m₁²L); r(y - x) = g(u)/m₁E₁, u = u_C2 - u_C1,

где E₁ - граничное напряжение между средним и боковыми участками вольт-амперной характеристики;



динамическая вольт-амперная характеристика устройства с отрицательным сопротивлением в прототипе; m₁ - динамическая проводимость среднего участка вольт-амперной характеристики; m₀ - модуль динамической проводимости боковых участков вольт-амперной характеристики; k = m₀/m₁, следовательно:



Поэтому в заявленном генераторе хаотические колебания будут наблюдаться при тех же значениях А, В и k, что и в прототипе. Исходя из этого определяются значения физических параметров схемы заявленного генератора. Например, задаваясь значениями С, n₁ и I₀, получим: L₂ = Bn₁²C; L₁ = L₂/A;



где n₀ = kn₁ - модуль дифференциального сопротивления боковых участков вольт-амперной характеристики.

В схеме на фиг. 3 n₁ R₁R₂/(R₁ - R₂); n₀ R₁; L₁ L; I₀ I₂, где R₁ и R₂ - сопротивления соответственно первого и второго резисторов; L - значение второй индуктивности; I₂ - выходной ток третьего и четвертого источников тока. Хаотические колебания в прототипе наблюдаются, в частности, при L = 10 мГн, C₂ = 1 нФ, C₁ = 0,1 нФ, 1/m₁ 10 кОм, m₀ 0,7 m₁, то есть при А = 10, В = 10, k 0,7. Следовательно значения элементов схемы на фиг. 3 можно выбирать исходя из соотношений: R₁ kn₁ 0,7n₁; R₂ kn₁/(1 + k) 0,41n₁; L₂ = 10n₁²C; L L₂/10. Теперь, задавшись численными значениями С, n₁ и I₀, например, С = 5 нФ, n₁ = 200 Ом, I₀ = 0,4 мА, можно получить значения параметров остальных элементов схемы на фиг. 3, при которых в ней наблюдаются хаотические колебания: L₂ 2 мГн, L 0,2 мГн, R₁ 140 Ом, R₂ 82 Ом, I₂ 0,4 мА, I₁ 1,6 мА.

Таким образом, предложенный генератор обеспечивает возбуждение хаотических колебаний в последовательном колебательном контуре (образованном индуктивностью 4 и емкостью 3), который соединен с остальными элементами схемы только двумя отводами. Повышенная температурная стабильность устройств с отрицательным сопротивлением и отрицательной индуктивностью обусловлена тем, что эквивалентные сопротивления этих устройств практически не зависят от параметров транзисторов вследствие взаимной компенсации эмиттерных сопротивлений транзисторов 5 и 7, 6 и 10, 8 и 11, 9 и 12, 19 и 21, 20 и 22.