负阻特性

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负阻特性也称为负微分电阻特性,是指一些电路电子元件在某特定埠的电流增加时,电压反而减少的特性。一般的电阻电流增加时,电压也会增加,负阻特性恰好与电阻的特性相反。电压随电流变化的情形可以用微分电阻(differential resistance)r表示:

没有一个单一的电子元件,可以在所有工作范围都呈现负阻特性,不过有些二极管(例如隧道二极管)在特定工作范围下会有负阻特性。 图一用共振隧道二极管说明其负阻特性。有些气体在放电英语Gas discharge时也会出现负阻特性。而一些硫族化物的玻璃[1]有机半导体导电聚合物也有类似的负阻特性。负阻元件在电子学中可制作双稳态的切换电路及频率接近微波频率的震荡电路

图1:一个共振隧道二极管在输出特性上出现的负阻特性,负阻特性在第一个电流峰值后出现。左图为该器件的能带图,中间图为穿透率,右图为电流电压特性曲线。

性质[编辑]

理想负电阻的电流-电压关系,其斜率(微分电阻)为负值

右图绘出一个理想负电阻的电流-电压关系,其斜率为负值。而一般电阻的斜率为正值。隧道二极管耿氏二极管的电流-电压关系图中都有一个区域,其微分电阻为负值[2]。这些元件和电阻一様也有二个端子,不过不是线性元件。单接合面晶体管若和其他元件组合成电路时,也会有负电阻的特性。若要有理想负电阻的特性,电路中需要有主动元件提供能量。因为当电流流过负电阻时,负电阻即为一能量源。

依欧姆定律,电阻二端的电压和电流成正比,其电流-电压关系的图形斜率为正,且会通过原点。理想负电阻其电流-电压关系的图形斜率为负,且会通过原点,因此只在图中的第二和第四象限出现。像隧道二极管之类的元件,其斜率为负的部分未通过原点,因此隧道二极管中没有能量源。[3]

历史[编辑]

以往研究时有注意到气体放电元件及一些真空管(例如负耗阻性管英语dynatron)会有负阻效应[4]。不过实用且有经济效益的元件一直到固态电子技术普及后才出现。典型的负阻抗电路—负阻抗变换器英语negative impedance converter—是由约翰·林维尔英语John G. Linvill在1953年发明[5]。而典型差动电阻为负值的元件—隧道二极管—则是由江崎玲于奈在1958年发明[6]

实际元件[编辑]

负阻抗电路,其阻抗

二极管[编辑]

隧道二极管有重掺杂的半导体接面,其转换曲线为"N"型,部分区域有负阻特性[7]真空管也可以设计成有负阻特性[8]。其他有负阻特性的二极管一般会有"S"型转换曲线[9]。当对元件施加偏压,使工作点在负阻区域时,这些元件可以作为放大器,也可以对元件施加偏压,使得在电压变化时,元件可以在二个状态之间快速的切换[7]

运算放大器[编辑]

利用由运算放大器组成的负阻抗转换器可以产生负电阻的电路。二个电阻R1及运算放大器构成了一个负回授的非反向型放大器,增益为2。若,假设运算放大器为理想元件,则电路的输入电阻为

电路的输入埠可以视为是一个负电阻。

一般情形下也可以调整,使电路产生类似负电容或负电感的特性。

应用[编辑]

振荡器[编辑]

许多振荡电路会使用一埠的负阻元件,例如负耗阻性管隧道二极管耿氏二极管等。在振荡电路中,像LC电路石英晶体谐振器谐振腔等会和有施加偏压的负阻元件相接。负阻元件可以抵消振荡电路中电阻带来的能量损失,使振荡电路可以持续振荡。这类电路多半是用在微波波长的振荡电路。振荡电路也会使用一些功率扩大元件(如真空管)的负阻.像负耗阻性管振荡器英语dynatron oscillator即为一例。

混频器及频率转换器[编辑]

隧道二极管高度非线性的特性可用在混频器中,隧道混频器若配合偏压,使隧道二极管工作在负阻的区域,隧道混频器的转换增益至少会提高20 dB[10]

天线设计[编辑]

无线电天线设计的领域也会用到负阻的概念,一般会称为负阻抗。天线上常会配合主动元件,再利用一到多个主动元件来产生显著的负阻抗。

阻抗消除[编辑]

负阻抗也可以用来抵消正阻抗的影响,例如抵消电压源中的内阻或是使电流源的内阻变成无限大。此技术已用在电路线的中继器[11]及类似Howland电流源(Howland current source)[12]、Deboo 积分器(Deboo integrator)[13]及负载抵消电路[14][15]等。

参考资料[编辑]

  1. ^ Abdel-All, A.; Elshafieb, A.; Elhawaryb, M.M. DC electric-field effect in bulk and thin-film Ge5As38Te57 chalcogenide glass. Vacuum. 2000, 59 (4): 845–853. doi:10.1016/S0042-207X(00)00378-X (英语). 
  2. ^ W. Alan Davis, Microwave Semiconductor Circuit Design, p. 329, Van Nostrand Reinhold ISBN 0-442-27211-1(英文)
  3. ^ N. Balkan, B. K. Ridley, A. J. Vickers, Negative Differential Resistance and Instabilities in 2-D Semiconductors, p. 2, Springer, 1993 ISBN 0-306-44490-9.(英文)
  4. ^ G Crisson, "Negative Impedances and the Twin 21-Type Repeater", The Bell System Technical Journal, p. 492, January 1931.(英文)
  5. ^ Linvill, J.G. Transistor Negative-Impedance Converters. Proceedings of the IRE. 1953, 41 (6): 725–729. doi:10.1109/JRPROC.1953.274251 (英语). 
  6. ^ Belevitch, V. Summary of the history of circuit theory. Proceedings of the IRE. 1962, 50 (5): 853. doi:10.1109/JRPROC.1962.288301 (英语). 
  7. ^ 7.0 7.1 RCA Tunnel Diode Manual
  8. ^ J. Groszkowski. A New Electron Tube Having Negative Resistance. Proceedings of the IRE. 1936, 24 (7): 1041. doi:10.1109/JRPROC.1936.228352 (英语). 
  9. ^ Nyle Steiner Zinc Negative Resistance Oscillator 22 March 2001(英文)
  10. ^ Solid-state microwave devices. tpub.com(英文)
  11. ^ Neil J. Boucher, The Paging Technology Handbook, p. 143, John Wiley and Sons, 1995 ISBN 0-930633-17-2(英文)
  12. ^ Impedance and admittance transformations using operational amplifiers(英文)
  13. ^ Consider The "Deboo" Integrator For Unipolar Noninverting Designs(英文)
  14. ^ Wang, W. et al., "A Comprehensive Study on Current Source Circuits", IFMBE Proceedings, Vol 17, pp. 213–216, Springer, 2007 ISBN 3-540-73840-1 doi:10.1007/978-3-540-73841-1_57.(英文)
  15. ^ Negative-Resistance Load Canceller Helps Drive Heavy Loads(英文)

延伸阅读[编辑]

  • Negatron yields real natural frequency, Aleksandr Belousov, USA, EDN, 08/1993 (practical application of the equivalent Negatron circuit related to Instrumentation and Measurement knowledge domain)
  • E.W. Herold, "Negative Resistance and Devices for Obtaining It," Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Volume 23, Number 10, October 1935.