电路理念/负阻
电路理念： 使动态电阻和动态电源过度运作。
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负阻是一些元件和电路的一种特性，其中通过它们的电流和跨越它们的电压以相反方向变化（与简单的欧姆电阻相反，其中电流和电压以相同方向变化）。
创建。 负阻是在正阻的基础上，通过修改工作范围有限区域内的瞬时（静态）电阻而产生的。在负阻区域，IV 曲线向上折叠并显示负斜率；相反，电阻器在整个 IV 曲线上将具有正斜率。
种类。 根据修改方式的不同，负电阻器有两种类型 - 绝对（“真实”）负电阻器 (ANR) 和 负微分电阻器 (NDR)。在负阻区域，真负电阻器表现为动态电源，而微分电阻器表现为动态电阻器。
根据 IV 曲线的形状，负电阻器有两种类型 - 具有S 型和具有N 型 IV 曲线。[nb 1] 两种曲线都包含三个部分，其中中间部分具有负斜率代表负阻区域，两端部分具有正斜率代表正阻区域。
模式。 要在负阻区域（线性模式）下工作，N 型负电阻器应由内部电阻低的电源（例如，电压源）驱动，而 S 型负电阻器应由内部电阻高的电源（例如，电流源）驱动。否则，它们将像具有正反馈的双稳态设备一样（施密特触发器）。在一般情况下，具有负阻的元件和电路由具有某些正内部电阻的实际电压源驱动（它可以包括额外的电阻）。正阻和负阻的大小比例决定了工作模式。
属性。 正电阻器从电路中消耗能量，而等效负电阻器则向电路添加相同的能量。真负电阻器通过自身来做到这一点，因为它包含自己的电源；负微分电阻器通过调节额外电源的能量来做到这一点。因此，负阻的基本属性是中和等效的正阻。
严格来说，不存在真正意义上的负电阻器，就像不存在真正意义上的能源一样，因为它们将违反热力学定律；只有能量转换器。正电阻器从电路中消耗能量，而等效的真负电阻器则向电路添加相同的能量。例如，如果相同的电流 I 流过正电阻器和具有相同电阻 R 的 S 型负电阻器，则正电阻器从电路中减去一个电压降 V = R.I，而负电阻器则向电路中添加电压 V = R.I。因此，正电阻器充当电流到电压降转换器，而等效的真负电阻器充当电流到电压转换器。
与普通的恒定电源相比，真负电阻器是动态电源，其电压线性依赖于流过它们的电流，或者其电流线性依赖于跨越它们的电压。它们是辅助电源，无法独立运行；只有在主电源开始运行后它们才能开始运行。
绝对负电阻器是由两个串联连接的组件组成的装置（电路）：欧姆电阻器和动态电压源。这种布置是可能的米勒定理实现方式之一。
图 6 所示的双端负阻电路是具有 N 形 IV 曲线的“绝对”负电阻器的运算放大器实现（在下图 7a 中显示）。两个电阻 R1 和运算放大器构成一个增益 A = 2 的非反相放大器，用作所需的动态电压源。它放大跨两个输入电路端点的输入电压 V，并将其通过电阻 R 应用回输入端。对于正输入电压，电流 I = V/R 被反转并“推回”输入源，而不是像正电阻 R 那样从输入源中汲取。该电路似乎通过反转电流方向将“正电阻”R 转换为负电阻；因此称为电流反相负阻抗转换器 (INIC)。还存在一个对偶电路 - 电压反相负阻抗转换器 (VNIC)。
该电路的输入端口可以连接到另一个网络，就像它是负电阻组件一样。
负阻抗转换器旨在以线性模式运行，以便利用其负阻抗区域。它们也可以以双稳态模式运行，但更简单的运算放大器非反相和反相施密特触发器（INIC 和 VNIC 的特例）通常在这种情况下使用。要以线性模式（单值函数）运行，N 型“真”负电阻器应由内阻 RG < RNE 的输入源驱动（例如，内阻 RG = 0 的理想电压源），而 S 型负电阻器应由内阻 RG > RNE 的输入源驱动（例如，内阻 RG 为无穷大的理想电流源）。
这些电路具有恒定的欧姆电阻，但在其 IV 曲线的三个部分（当输入量从零变化到最大值时）具有不同的电压。在中间部分，运算放大器处于主动模式，并设法产生负电阻。IV 曲线在中间区域具有负斜率，并通过坐标系的原点；它可以通过提供额外的能量进入第二和第四象限。这与诸如隧道二极管之类的 NDR 器件形成对比，其中曲线负斜率部分不通过原点。在末端部分，运算放大器处于饱和状态，电路表现为具有内阻 R 的电压源。
例如，当输入电压从最小值（负）变化到最大值（正）时，N 型负电阻器在第一部分（图 7a）产生恒定的负电压 VSAT-；在负电阻区域，其电压从负增加到正，而在最后一部分，电压 VSAT+ 是恒定的正值。
真负电阻电路通过（借助附加电源）反转欧姆电阻两端的电压极性或流过它的电流方向，将其转换为负电阻器。这个想法可以通过用非线性电阻器（例如二极管）、电容器、电感器或其他阻抗替换“原始”欧姆电阻器来扩展，以获得负二极管、负电容器、负电感器或其他具有负阻抗的元件。
例如，消耗不希望的电流的寄生电容 CSTR 的“正”阻抗（图 10）可以通过并联连接一个具有相同但负电容的负电容器来抵消（变为无穷大）。它是通过具有相同电容 C = CSTR 的“正”电容器和具有两倍电压 VH = 2VCstr 的电压源来实现的。这个负电容器通过产生相同的电流 IC = ICstr 来消除不希望的电流 ICstr。结果，寄生电容不会从输入源消耗任何电流，因为负电容器提供了为寄生电容充电所需的所有电流。这个负电容器的运算放大器实现（图 9）只是图 6 中电流反转（INIC）的负阻抗转换器，其中电阻器 R 被电容器 C 代替。
w:维恩桥振荡器是使用真负阻抗的另一个例子，其中串联 RC 网络的复阻抗被转换为抵消并联 RC 网络阻抗的负阻抗。
虽然这些电路被称为“负阻抗转换器”，但实际上它们并不仅仅将阻抗转换为负值。它们可以通过复制连接在反馈回路中的无源元件两端的电压降或流过它的电流，并将相同的电压或电流插入电路中，将连接在该位置的任何无源元件转换为有源元件。
负反馈。具有并联负反馈的运算放大器反相电路可以模拟真负阻抗。例如w:跨阻放大器、二极管对数转换器、电容积分器和电感微分器，其中适当供电的运算放大器相应地表现为真负电阻器、二极管、电容器和电感器。它产生的输出电压是连接在反馈回路中的阻抗元件两端的电压降的镜像副本。这个电压补偿“正”阻抗两端的电压降，导致的电压几乎为零（w:虚拟地）；因此，运算放大器的负阻抗抵消（为零）正阻抗。因此，运算放大器充当一种具有电压反转（VNIC）的负阻抗转换器。
例如，在广泛使用的运算放大器反相积分器电路（图 10）中，运算放大器充当负电容器，抵消（为零）电容器 C 的阻抗。结果，运算放大器输入之间的阻抗几乎为零（该电路代表了w:米勒效应的一种有用实现）。
这些电路并非完全是负阻抗电路，因为它们使用第三条附加线来检测虚拟地，而真正的负阻抗电路是双端电路。运算放大器反相电路仅表现为负阻抗电路。
正反馈。LC 振荡器的电子部分通常实现为具有正反馈的放大器。它表现为具有真负电阻的电路，补偿无源 LC 电路的“正”内阻。如上所述，它不是真正的双端负电阻器；它只表现为负电阻器。
负电阻的基本特性是抵消等效正电阻：将 S 型负电阻器与等效欧姆电阻器串联连接得到零总电阻；将 N 型负电阻器与等效欧姆电阻器并联连接得到无穷大的总电阻。由于这种补偿特性，真负电阻可以用于抵消正阻抗的影响，例如，通过消除（为零）电压源的内阻或使电流源的内阻无穷大。此特性在电话线路中继器[1]和诸如霍兰德电流源[2]、德布积分器[3]和负载抵消器[4][5]等电路中使用。
所有反馈振荡器都隐含着负电阻的存在。存在许多这样的拓扑结构，包括w:动态振荡器、w:科尔皮茨振荡器、w:哈特利振荡器、w:维恩桥振荡器，以及一些类型的w:弛豫振荡器。如果反馈回路断开并检查输入阻抗，将发现它包含负电阻。[6] 因此，在 LC 振荡器中，充当负阻抗器件的电子电路补偿 LC 储能回路内的损耗。
负微分电阻是一种非线性电阻。因此，负微分电阻器是动态的，但仍然是正电阻器。它们在其 IV 曲线的三个部分（位于第一或第三象限）具有不同的电阻，这取决于 NDR 的类型。
负微分电阻器仅仅是两个端子的 *主动元件*（例如 晶体管），不能独立使用；它们需要额外的电源。因此，负微分电阻器和电源的组合可以被认为是 真正的负电阻器。通常的做法是将负微分电阻器视为一个真正的负电阻器，隐含地假设电源的存在。
根据输入正电阻 RG 和负电阻 RNE 的大小比例，有两种工作模式——线性模式和双稳态模式。
在这种模式下，两个 叠加的 IV 曲线 只有一个交点。IV 特征是 单值函数，输出量与输入量成正比。
要工作在线性模式，N 型 NDR 应该由一个足够低阻抗的输入源驱动，其内部电阻 RG < RNE；在极端情况下，这是一个完美的电压源，RG = 0。当输入电压从零变化到最大值（图 2a）时，N 型 NDR 在第一部分保持低正电阻；在负电阻区域，它表现为一个动态电阻，其欧姆（弦）电阻从低到高大幅度增加，在最后部分，它具有高正电阻。
要工作在线性模式，S 型 NDR 应该由一个足够高阻抗的输入源驱动，其内部电阻 RG > RNE；在极端情况下，这是一个完美的电流源，RG 为无穷大。当输入电流从零变化到最大值（图 2b）时，S 型 NDR 在第一部分保持高欧姆电阻；在负电阻区域，它表现为一个动态电阻，其欧姆（弦）电阻从高到低大幅度减小，在最后部分，它具有低欧姆电阻。
在这种模式下，两个叠加的 IV 曲线总共有三个交点：中间点是不稳定的；只有端点是稳定的。IV 特征是 多值函数，输出量只能取两个端点稳定值。两种状态之间的切换是一个类似雪崩的过程，由固有的正反馈加速。从一个端点值开始，并 "寻找" 平衡状态，负电阻会剧烈变化，但其瞬时（弦）电阻会朝着 "错误" 的方向变化。因此，它以类似雪崩的方式越来越远离平衡点，最终到达另一个端点值。为了详细展示工作机制，对于输入量增加（图 3）和减小（图 4）的两种情况，分别提供了两个单独的图表。当叠加时，两个部分曲线构成了 N 型（3a + 4a）和 S 型（3b + 4b）负电阻器的整个滞回曲线。
要工作在双稳态模式，N 型 NDR 应该由一个足够高阻抗的输入源驱动，其内部电阻 RG > RNE；在极端情况下，这是一个完美的电流源，RG 为无穷大。当输入电流从零变化到最大值（图 3a）时，N 型 NDR 的行为如下：在第一部分，它保持低正电阻；在中间部分，它短暂地将欧姆（弦）电阻从低到高增加，在最后部分，它具有高正电阻。当输入电流从最大值返回到零（图 4a）时，N 型 NDR 在最后部分保持高正电阻；在中间部分，它短暂地将欧姆（弦）电阻从高到低减小，在第一部分，它具有低正电阻。
要工作在双稳态模式，S 型 NDR 应该由一个足够低阻抗的输入源驱动，其内部电阻 RG < RNE；在极端情况下，这是一个完美的电压源，RG = 0。当输入电压从零变化到最大值（图 3b）时，S 型 NDR 在第一部分保持高欧姆电阻；在中间部分，它短暂地将欧姆（弦）电阻从高到低减小，在最后部分，它具有低欧姆电阻。当输入电压从最大值返回到零（图 4b）时，S 型 NDR 在最后部分保持低正电阻；在中间部分，它短暂地将欧姆（弦）电阻从低到高增加；在第一部分，它具有高正电阻。
w:隧道二极管 是重掺杂[7] 的半导体结，具有 "N" 形传递曲线。 冈恩二极管 在其 IV 曲线中表现出负电阻区域。 w:单结晶体管 也具有负电阻特性，当使用其他组件构建电路时。其他负电阻二极管已被制造，它们具有 "S" 形传递曲线；[8] w:霓虹灯 也具有 S 型 IV 曲线。有一些带有正反馈的晶体管电路（一组互连的双极型晶体管，一个 PNP 和另一个 NPN）表现出负微分电阻。[9]
微分负阻器不是放大器；它只是放大器的一部分（一个 2 端 有源元件）。微分负阻器作为有源元件与电源的组合构成了一个真正的放大器。
当偏置使得工作点处于负阻区域时，这些器件可用作 放大器。[7] 要构建这样的单端口放大器，需要将四个元件串联连接（图 5）：一个恒压电源 V、一个输入电压源 VIN、一个正电阻 R 和一个负微分电阻 NDR（一个隧道二极管）。实际上，两个电阻构成一个动态 w:分压器，由一个变化的组合电压源（V + VIN）供电。当输入电压略微变化时，负微分电阻会根据输入电压显着改变其电阻，这使得分压器显着改变其比例。结果，正电阻和负电阻上的电压降会发生很大变化；因此，其中一些可以用作输出电压。为了获得最大增益，R/RNDR 的比例必须接近但小于 1。
- ↑ 负阻区域内的瞬时电阻可以通过两种方式修改：从高到低，反之亦然，从低到高。在第一种情况下，IV 曲线逆时针折叠，成为S 形；在第二种情况下，它顺时针折叠，成为N 形。
- ↑ Neil J. Boucher，呼叫技术手册，第 143 页，John Wiley and Sons，1995 ISBN 0-930633-17-2
- ↑ 使用运算放大器进行阻抗和导纳变换
- ↑ 考虑“Deboo”积分器用于单极性非反相设计
- ↑ Wang 等人，“电流源电路的综合研究”，IFMBE 会议记录，第 17 卷，第 213-216 页，由 Springer 出版，2007 ISBN 3-540-73840-1。
- ↑ 负阻负载消除器有助于驱动重负载
- ↑ D. Chattopadhyay，电子学（基础和应用），第 225 页，New Age International，2006 ISBN 81-224-1780-9。
- ↑ a b RCA 隧道二极管手册
- ↑ http://home.earthlink.net/~lenyr/zincosc.htm
- ↑ 电气电路教程（晶闸管），作者：Tony Kuphaldt
- E.W. Herold，“负阻及其获得方法”，《无线电工程师学会会刊》，第 23 卷，第 10 期，1935 年 10 月。
- 负阻复兴 - 1995 年 11 月《无线电爱好者》杂志上发表的文章的浓缩版
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