负阻变换器特性测量

本科毕业生论文答辩,题 目：负阻变换器特性测量作 者： 指导师： 日 期：2009年5月25日,主要内容,一、负阻的概述及负阻器件二、运算放大器三、负阻变换器的类型四、负阻变换器特性测量五、负阻变换器的应用六、负阻变换器的PCB板印制七、负阻变换器的实物图八、感谢九、结束,一、负阻的概述及负阻器件,常见的电阻，不论线性电阻还是非线性电阻，都属于正电阻。其特征是流过电阻电流越大，其电阻两端的电压降也越大，消耗功率也越大。负电阻是流过其间的电流越大，电阻两端电压越小，故电流、电压增量的方向相反，两者的乘积为负值。 正功率表示能量的消耗，负功率表示能量的产生，即负阻器件在一定条件下，不但不消耗交流能量，反而向外部电路提供交流能量，当然该交流能量并不存在于负阻器件内部，而是利用其能量变换特性，从保证电路工作的直流能量中取得。 常见的负阻器件有隧道二极管、共发射极组态的某种点接触四极管和真空四极管，单晶体管、硅可控整流器和弧光放电管等。,一、负阻的概述及负阻器件,常见的电阻，不论线性电阻还是非线性电阻，都属于正电阻。其特征是流过电阻电流越大，其电阻两端的电压降也越大，消耗功率也越大，如图2-6所示。四者的关系为,（3-1）,（3-2）,图2-6,负电阻是流过其间的电流越大，电阻两端电压越小，故电流、电压增量的方向相反，两者的乘积为负值，如图2-7、2-8所示：,一、负阻的概述及负阻器件,图2-8,图2-7,正功率表示能量的消耗，负功率表示能量的产生，即负阻器件在一定条件下，不但不消耗交流能量，反而向外部电路提供交流能量，当然该交流能量并不存在于负阻器件内部，而是利用其能量变换特性，从保证电路工作的直流能量中取得。,一、负阻的概述及负阻器件,运算放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。,二、运算放大器,2、运算放大器的原理 运放有两个输入端a,b和一个输出端o.也称为倒向输入端(反相输入端),非倒向输入端(同相输入端)和输出端.当电压加U-加在a端和公共端(公共端是电压的零位,它相当于电路中的参考结点.)之间,且其实际方向从a 端指向公共端时,输出电压U实际方向则自公共端指向o端,即两者的方向正好相反.当输入电压U+加在b端和公共端之间,U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同.为了区别起见,a端和b 端分别用-和+号标出,但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性.电压的正负极性应另外标出或用箭头表示.反转放大器和非反转放大器如下图：,二、运算放大器,一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。,二、运算放大器,运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。 运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到（rail-to-rail）输入运算放大器。 运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=A0（E1-E2），其中，A0 是运放的低频开环增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的输入信号电压，E2 是反相端的输入信号电压。,二、运算放大器,三、负阻变换器的类型,1、电压控制型器件（图2-9），也称为N型负阻器件，其电流为电压的单值函数，具有这种特性的器件有隧道二极管、共发射极组态的某种点接触四极管和真空四极管等,图2-9电压控制型器件,2、电流控制型器件（图2-10），也称为S型负阻器件，其电压为电流的单值函数，属于这一类的器件有单晶体管、硅可控整流器和弧光放电管等。,图2-10 电流控制型器件,四、负阻变换器特性测量,输入阻抗,1、负阻变换器的伏安特性曲线,图4-7,四、负阻变换器特性测量,1、电压固定，改变负载，读电压、电流，计算负阻抗；,按图4-7所示接线，电源电压固定为8V左右，R0为51 ，负载Z1用电阻箱分别取1k、1.2 k、1.4k、1.6k、1.8k、2k。分别记录以上几种情况下的电压表读数u1、电流表读数i1。,四、负阻变换器特性测量,2.负载固定，改变电压，测取负阻抗，画出伏安特性曲线；按图4-7所示接线，R0为51 ，负载Z1取1k，在1V8V范围内，改变电源电压。依次取5个工作点，分别记录以上几种情况下的电压表、电流表读数。,四、负阻变换器特性测量,2、负阻变换器的负阻特性测量,1测量负电阻元件的数值，按图15-6接线，调可变电阻RL为五个不同阻值。记下电流表及电压表的读数(注意电流表极性)，计算负阻值。,图15-6,四、负阻变换器特性测量,数据记录及分析：,表1,分析结果：计算负阻和理论负阻以近似相等,四、负阻变换器特性测量,2按图15-7接线，RL取400调电阻R1为五个不同数值，记录相应的电流表电压表读数。,图15-7,四、负阻变换器特性测量,数据记录及分析：,表2,分析结果：计算负阻和理论负阻以近似相等,3用伏安法测量具有负内阻的电压源端口的伏安特性。接线如图15-8，RS为300欧，调RL(从500欧开始，取五个不同的阻值)，记下相应的电流表、电压表读数。,四、负阻变换器特性测量,图15-8,四、负阻变换器特性测量,数据记录及分析：,表3,分析结果：计算负阻和理论负阻以近似相等,特性曲线图,具有负内阻的电源伏安特性曲线表3,四、负阻变换器特性测量,3、运算放大器负阻变换器的性能仿真,四、负阻变换器特性测量,加拿大Interactive Image Technologies公司推出的专用电子线路仿真软件电子工作台（Electronics Workbench）2，界面直观、操作方便，是目前比较流行的电路仿真软件，本文用EWB5.2对运放的负阻变换性能进行了分析，测试电路如图2所示，在仿真分析时运放采用了LM741，性能参数取其典型值3，并假设其饱和压降为1V。,四、负阻变换器特性测量,四、负阻变换器特性测量,负载特性 负载变化对负阻变换器的影响。取U1=1V，电源电压为12V，R1=R2=1 k，改变负载电阻RL，测得数据如表1所示。,表1 负载变化时的参数,从表1中分析可知，随负载电阻的减小，输入电流的绝对值增加，负阻减小，运放的输出电压也随之增加；负载电阻较大时，输入电阻的线性较差；若负载电阻太小，则可能不能实现负阻效应；负载电阻0.5 kRL10 k时性能较好。,四、负阻变换器特性测量,仿真电路图,四、负阻变换器特性测量,反馈电阻R1、R2的影响 R1、R2同步变化时变换器的性能。取U1=1V，电源电压为12V，负载电阻RL=1k，同步改变R1、R2的值，测得数据如表2所示（表中Rf=R1=R2）。R1、R2比值变化时变换器的性能。取U1=1V，电源电压为12V，负载电阻RL=1k，R2=1 k，改变R1的值，测得数据如表3所示。,表2 R1、 R2 同时变化的参数,四、负阻变换器特性测量,表3 R1/R2变化时的参数,从表2可知，反馈电阻R1、R2的取值太大时，不能实现负阻效应，取值太小线性差；最佳取值范围是1 9 k。从表3可看出，反馈电阻R1、R2的比值太小时，不能实现负阻效应，比值太大时线性差；最佳比值范围是0.1100。,四、负阻变换器特性测量,电源电压的影响 考虑在不同电源电压条件下，能实现负阻时RL的最小值。取U1=1V，R1=R2=1 k，测得数据如表4所示。,表4 电源电压的影响,分析表4可知，电源电压越高，负阻的变化范围越大。从以上仿真结果可知道，运放负阻变换器的性能受到负载电阻、反馈电阻、电源电压等影响。电源电压越高，性能越好；负载电阻的最佳取值范围是0.510 k，反馈电阻的取值范围为19 k，改变R1、R2的比值可加大负阻变换器负阻的变化范围。,四、负阻变换器特性测量,1.按图4-9所示连接电路。信号源为正弦交流电压源，振幅为1V,频率为1KHZ,采样电阻r0=10,电阻R1=R2=51，负载电阻R5=1K.双踪示波器的连接如图所示。,图 4-9,四、负阻变换器特性测量,双踪示波器T1通道测电源电压，T2通道测采样电阻r0两端电压（即间接测输入电流）。得出仿真结果如图4-10所示。,图 4-10 负阻的ui特性,由此可得，负阻两端电压与电流相位相差-180,四、负阻变换器特性测量,2、用示波器可以观察到，US信号的相位超前于Ur0的电压信号（即电压相量超前于电流相量），所以此时电路负载的性质为感性。因此断定容性负载经负阻抗转换器后，其性质变成感性。,图4-11仿真原理图,四、负阻变换器特性测量,由图4-12可见，通道T1的电压信号（US）的相位超前于通道T2（Ur0）的电压信号。即容性负载经负阻抗转换器后，其性质变成感性。同理，可推断感性负载经负阻抗转换器后，其性质变成容性。,图 4-12,五、负阻变换器的应用,负阻在RLC串联二阶电路中应用,研究RLC串联电路的方波响应，由于实际电感元件本身存在直流电阻，因此，响应类型只能观察到有阻尼的情况。如果在电路中串联一个负电阻R_，则当R+R_=0时，电路的冲激响应为等幅振荡；当R+R_0时，电路的冲激响应为增幅振荡。如图6-3是利用具有负电阻的方波电源作为激励，由于电源的负电阻可以和电感器的电阻相抵消，因此，响应类型还可以出现无阻尼等幅振荡和负阻尼发散（即增幅）振荡的情况。,五、负阻变换器的应用,五、负阻变换器的应用,无阻尼等幅振荡,负阻尼发散振荡,六、负阻变换器电路PCB板印制,1、PCB板,七、负阻变换器的实物图,八、感谢,论文即将完成，心里也有一种成就感，这意味着离毕业近了一步。回顾走过的这四年，在各个方面