電路理念/負阻
電路理念： 使動態電阻和動態電源過度運作。
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負阻是一些元件和電路的一種特性，其中透過它們的電流和跨越它們的電壓以相反方向變化（與簡單的歐姆電阻相反，其中電流和電壓以相同方向變化）。
建立。 負阻是在正阻的基礎上，透過修改工作範圍有限區域內的瞬時（靜態）電阻而產生的。在負阻區域，IV 曲線向上摺疊並顯示負斜率；相反，電阻器在整個 IV 曲線上將具有正斜率。
種類。 根據修改方式的不同，負電阻器有兩種型別 - 絕對（“真實”）負電阻器 (ANR) 和 負微分電阻器 (NDR)。在負阻區域，真負電阻器表現為動態電源，而微分電阻器表現為動態電阻器。
根據 IV 曲線的形狀，負電阻器有兩種型別 - 具有S 型和具有N 型 IV 曲線。[nb 1] 兩種曲線都包含三個部分，其中中間部分具有負斜率代表負阻區域，兩端部分具有正斜率代表正阻區域。
模式。 要在負阻區域（線性模式）下工作，N 型負電阻器應由內部電阻低的電源（例如，電壓源）驅動，而 S 型負電阻器應由內部電阻高的電源（例如，電流源）驅動。否則，它們將像具有正反饋的雙穩態裝置一樣（施密特觸發器）。在一般情況下，具有負阻的元件和電路由具有某些正內部電阻的實際電壓源驅動（它可以包括額外的電阻）。正阻和負阻的大小比例決定了工作模式。
屬性。 正電阻器從電路中消耗能量，而等效負電阻器則向電路新增相同的能量。真負電阻器透過自身來做到這一點，因為它包含自己的電源；負微分電阻器透過調節額外電源的能量來做到這一點。因此，負阻的基本屬性是中和等效的正阻。
嚴格來說，不存在真正意義上的負電阻器，就像不存在真正意義上的能源一樣，因為它們將違反熱力學定律；只有能量轉換器。正電阻器從電路中消耗能量，而等效的真負電阻器則向電路新增相同的能量。例如，如果相同的電流 I 流過正電阻器和具有相同電阻 R 的 S 型負電阻器，則正電阻器從電路中減去一個電壓降 V = R.I，而負電阻器則向電路中新增電壓 V = R.I。因此，正電阻器充當電流到電壓降轉換器，而等效的真負電阻器充當電流到電壓轉換器。
與普通的恆定電源相比，真負電阻器是動態電源，其電壓線性依賴於流過它們的電流，或者其電流線性依賴於跨越它們的電壓。它們是輔助電源，無法獨立執行；只有在主電源開始執行後它們才能開始執行。
絕對負電阻器是由兩個串聯連線的元件組成的裝置（電路）：歐姆電阻器和動態電壓源。這種佈置是可能的米勒定理實現方式之一。
圖 6 所示的雙端負阻電路是具有 N 形 IV 曲線的“絕對”負電阻器的運算放大器實現（在下圖 7a 中顯示）。兩個電阻 R1 和運算放大器構成一個增益 A = 2 的非反相放大器，用作所需的動態電壓源。它放大跨兩個輸入電路端點的輸入電壓 V，並將其透過電阻 R 應用回輸入端。對於正輸入電壓，電流 I = V/R 被反轉並“推回”輸入源，而不是像正電阻 R 那樣從輸入源中汲取。該電路似乎透過反轉電流方向將“正電阻”R 轉換為負電阻；因此稱為電流反相負阻抗轉換器 (INIC)。還存在一個對偶電路 - 電壓反相負阻抗轉換器 (VNIC)。
該電路的輸入埠可以連線到另一個網路，就像它是負電阻元件一樣。
負阻抗轉換器旨在以線性模式執行，以便利用其負阻抗區域。它們也可以以雙穩態模式執行，但更簡單的運算放大器非反相和反相施密特觸發器（INIC 和 VNIC 的特例）通常在這種情況下使用。要以線性模式（單值函式）執行，N 型“真”負電阻器應由內阻 RG < RNE 的輸入源驅動（例如，內阻 RG = 0 的理想電壓源），而 S 型負電阻器應由內阻 RG > RNE 的輸入源驅動（例如，內阻 RG 為無窮大的理想電流源）。
這些電路具有恆定的歐姆電阻，但在其 IV 曲線的三個部分（當輸入量從零變化到最大值時）具有不同的電壓。在中間部分，運算放大器處於主動模式，並設法產生負電阻。IV 曲線在中間區域具有負斜率，並透過座標系的原點；它可以透過提供額外的能量進入第二和第四象限。這與諸如隧道二極體之類的 NDR 器件形成對比，其中曲線負斜率部分不透過原點。在末端部分，運算放大器處於飽和狀態，電路表現為具有內阻 R 的電壓源。
例如，當輸入電壓從最小值（負）變化到最大值（正）時，N 型負電阻器在第一部分（圖 7a）產生恆定的負電壓 VSAT-；在負電阻區域，其電壓從負增加到正，而在最後一部分，電壓 VSAT+ 是恆定的正值。
真負電阻電路透過（藉助附加電源）反轉歐姆電阻兩端的電壓極性或流過它的電流方向，將其轉換為負電阻器。這個想法可以透過用非線性電阻器（例如二極體）、電容器、電感器或其他阻抗替換“原始”歐姆電阻器來擴充套件，以獲得負二極體、負電容器、負電感器或其他具有負阻抗的元件。
例如，消耗不希望的電流的寄生電容 CSTR 的“正”阻抗（圖 10）可以透過並聯連線一個具有相同但負電容的負電容器來抵消（變為無窮大）。它是透過具有相同電容 C = CSTR 的“正”電容器和具有兩倍電壓 VH = 2VCstr 的電壓源來實現的。這個負電容器透過產生相同的電流 IC = ICstr 來消除不希望的電流 ICstr。結果，寄生電容不會從輸入源消耗任何電流，因為負電容器提供了為寄生電容充電所需的所有電流。這個負電容器的運算放大器實現（圖 9）只是圖 6 中電流反轉（INIC）的負阻抗轉換器，其中電阻器 R 被電容器 C 代替。
w:維恩橋振盪器是使用真負阻抗的另一個例子，其中串聯 RC 網路的復阻抗被轉換為抵消並聯 RC 網路阻抗的負阻抗。
雖然這些電路被稱為“負阻抗轉換器”，但實際上它們並不僅僅將阻抗轉換為負值。它們可以透過複製連線在反饋迴路中的無源元件兩端的電壓降或流過它的電流，並將相同的電壓或電流插入電路中，將連線在該位置的任何無源元件轉換為有源元件。
負反饋。具有並聯負反饋的運算放大器反相電路可以模擬真負阻抗。例如w:跨阻放大器、二極體對數轉換器、電容積分器和電感微分器，其中適當供電的運算放大器相應地表現為真負電阻器、二極體、電容器和電感器。它產生的輸出電壓是連線在反饋迴路中的阻抗元件兩端的電壓降的映象副本。這個電壓補償“正”阻抗兩端的電壓降，導致的電壓幾乎為零（w:虛擬地）；因此，運算放大器的負阻抗抵消（為零）正阻抗。因此，運算放大器充當一種具有電壓反轉（VNIC）的負阻抗轉換器。
例如，在廣泛使用的運算放大器反相積分器電路（圖 10）中，運算放大器充當負電容器，抵消（為零）電容器 C 的阻抗。結果，運算放大器輸入之間的阻抗幾乎為零（該電路代表了w:米勒效應的一種有用實現）。
這些電路並非完全是負阻抗電路，因為它們使用第三條附加線來檢測虛擬地，而真正的負阻抗電路是雙端電路。運算放大器反相電路僅表現為負阻抗電路。
正反饋。LC 振盪器的電子部分通常實現為具有正反饋的放大器。它表現為具有真負電阻的電路，補償無源 LC 電路的“正”內阻。如上所述，它不是真正的雙端負電阻器；它只表現為負電阻器。
負電阻的基本特性是抵消等效正電阻：將 S 型負電阻器與等效歐姆電阻器串聯連線得到零總電阻；將 N 型負電阻器與等效歐姆電阻器並聯連線得到無窮大的總電阻。由於這種補償特性，真負電阻可以用於抵消正阻抗的影響，例如，透過消除（為零）電壓源的內阻或使電流源的內阻無窮大。此特性在電話線路中繼器[1]和諸如霍蘭德電流源[2]、德布積分器[3]和負載抵消器[4][5]等電路中使用。
所有反饋振盪器都隱含著負電阻的存在。存在許多這樣的拓撲結構，包括w:動態振盪器、w:科爾皮茨振盪器、w:哈特利振盪器、w:維恩橋振盪器，以及一些型別的w:弛豫振盪器。如果反饋迴路斷開並檢查輸入阻抗，將發現它包含負電阻。[6] 因此，在 LC 振盪器中，充當負阻抗器件的電子電路補償 LC 儲能迴路內的損耗。
負微分電阻是一種非線性電阻。因此，負微分電阻器是動態的，但仍然是正電阻器。它們在其 IV 曲線的三個部分（位於第一或第三象限）具有不同的電阻，這取決於 NDR 的型別。
負微分電阻器僅僅是兩個端子的 *主動元件*（例如 電晶體），不能獨立使用；它們需要額外的電源。因此，負微分電阻器和電源的組合可以被認為是 真正的負電阻器。通常的做法是將負微分電阻器視為一個真正的負電阻器，隱含地假設電源的存在。
根據輸入正電阻 RG 和負電阻 RNE 的大小比例，有兩種工作模式——線性模式和雙穩態模式。
在這種模式下，兩個 疊加的 IV 曲線 只有一個交點。IV 特徵是 單值函式，輸出量與輸入量成正比。
要工作線上性模式，N 型 NDR 應該由一個足夠低阻抗的輸入源驅動，其內部電阻 RG < RNE；在極端情況下，這是一個完美的電壓源，RG = 0。當輸入電壓從零變化到最大值（圖 2a）時，N 型 NDR 在第一部分保持低正電阻；在負電阻區域，它表現為一個動態電阻，其歐姆（弦）電阻從低到高大幅度增加，在最後部分，它具有高正電阻。
要工作線上性模式，S 型 NDR 應該由一個足夠高阻抗的輸入源驅動，其內部電阻 RG > RNE；在極端情況下，這是一個完美的電流源，RG 為無窮大。當輸入電流從零變化到最大值（圖 2b）時，S 型 NDR 在第一部分保持高歐姆電阻；在負電阻區域，它表現為一個動態電阻，其歐姆（弦）電阻從高到低大幅度減小，在最後部分，它具有低歐姆電阻。
在這種模式下，兩個疊加的 IV 曲線總共有三個交點：中間點是不穩定的；只有端點是穩定的。IV 特徵是 多值函式，輸出量只能取兩個端點穩定值。兩種狀態之間的切換是一個類似雪崩的過程，由固有的正反饋加速。從一個端點值開始，並 "尋找" 平衡狀態，負電阻會劇烈變化，但其瞬時（弦）電阻會朝著 "錯誤" 的方向變化。因此，它以類似雪崩的方式越來越遠離平衡點，最終到達另一個端點值。為了詳細展示工作機制，對於輸入量增加（圖 3）和減小（圖 4）的兩種情況，分別提供了兩個單獨的圖表。當疊加時，兩個部分曲線構成了 N 型（3a + 4a）和 S 型（3b + 4b）負電阻器的整個滯回曲線。
要工作在雙穩態模式，N 型 NDR 應該由一個足夠高阻抗的輸入源驅動，其內部電阻 RG > RNE；在極端情況下，這是一個完美的電流源，RG 為無窮大。當輸入電流從零變化到最大值（圖 3a）時，N 型 NDR 的行為如下：在第一部分，它保持低正電阻；在中間部分，它短暫地將歐姆（弦）電阻從低到高增加，在最後部分，它具有高正電阻。當輸入電流從最大值返回到零（圖 4a）時，N 型 NDR 在最後部分保持高正電阻；在中間部分，它短暫地將歐姆（弦）電阻從高到低減小，在第一部分，它具有低正電阻。
要工作在雙穩態模式，S 型 NDR 應該由一個足夠低阻抗的輸入源驅動，其內部電阻 RG < RNE；在極端情況下，這是一個完美的電壓源，RG = 0。當輸入電壓從零變化到最大值（圖 3b）時，S 型 NDR 在第一部分保持高歐姆電阻；在中間部分，它短暫地將歐姆（弦）電阻從高到低減小，在最後部分，它具有低歐姆電阻。當輸入電壓從最大值返回到零（圖 4b）時，S 型 NDR 在最後部分保持低正電阻；在中間部分，它短暫地將歐姆（弦）電阻從低到高增加；在第一部分，它具有高正電阻。
w:隧道二極體 是重摻雜[7] 的半導體結，具有 "N" 形傳遞曲線。 岡恩二極體 在其 IV 曲線中表現出負電阻區域。 w:單結電晶體 也具有負電阻特性，當使用其他元件構建電路時。其他負電阻二極體已被製造，它們具有 "S" 形傳遞曲線；[8] w:霓虹燈 也具有 S 型 IV 曲線。有一些帶有正反饋的電晶體電路（一組互連的雙極型電晶體，一個 PNP 和另一個 NPN）表現出負微分電阻。[9]
微分負阻器不是放大器；它只是放大器的一部分（一個 2 端 有源元件）。微分負阻器作為有源元件與電源的組合構成了一個真正的放大器。
當偏置使得工作點處於負阻區域時，這些器件可用作 放大器。[7] 要構建這樣的單埠放大器，需要將四個元件串聯連線（圖 5）：一個恆壓電源 V、一個輸入電壓源 VIN、一個正電阻 R 和一個負微分電阻 NDR（一個隧道二極體）。實際上，兩個電阻構成一個動態 w:分壓器，由一個變化的組合電壓源（V + VIN）供電。當輸入電壓略微變化時，負微分電阻會根據輸入電壓顯著改變其電阻，這使得分壓器顯著改變其比例。結果，正電阻和負電阻上的電壓降會發生很大變化；因此，其中一些可以用作輸出電壓。為了獲得最大增益，R/RNDR 的比例必須接近但小於 1。
- ↑ 負阻區域內的瞬時電阻可以透過兩種方式修改：從高到低，反之亦然，從低到高。在第一種情況下，IV 曲線逆時針摺疊，成為S 形；在第二種情況下，它順時針摺疊，成為N 形。
- ↑ Neil J. Boucher，呼叫技術手冊，第 143 頁，John Wiley and Sons，1995 ISBN 0-930633-17-2
- ↑ 使用運算放大器進行阻抗和導納變換
- ↑ 考慮“Deboo”積分器用於單極性非反相設計
- ↑ Wang 等人，“電流源電路的綜合研究”，IFMBE 會議記錄，第 17 卷，第 213-216 頁，由 Springer 出版，2007 ISBN 3-540-73840-1。
- ↑ 負阻負載消除器有助於驅動重負載
- ↑ D. Chattopadhyay，電子學（基礎和應用），第 225 頁，New Age International，2006 ISBN 81-224-1780-9。
- ↑ a b RCA 隧道二極體手冊
- ↑ http://home.earthlink.net/~lenyr/zincosc.htm
- ↑ 電氣電路教程（閘流體），作者：Tony Kuphaldt
- E.W. Herold，“負阻及其獲得方法”，《無線電工程師學會會刊》，第 23 卷，第 10 期，1935 年 10 月。
- 負阻復興 - 1995 年 11 月《無線電愛好者》雜誌上發表的文章的濃縮版
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