负电阻.doc

负电阻研究与设计摘要：本文主要讨论了负电阻器件的性质以及设计的方法，采用正电阻与运算放大器等元件进行搭建的模式，用有源电路模拟负电阻元件。本文的特色在于，设计的负电阻器件有较大的线性区间并且可以做到较小的阻值，有一定的利用价值。关键字：负电阻 运算放大器 电流放大1. 前言在工程实际应用中，负电阻十分有用，如在电源设计中可用负电阻来抵消电源内阻，使实际电源逼近理想电源特性；在有源滤波器和振荡器设计中，负电阻则可用来控制极点的位置；在电力系统中，负电阻可以用来补偿时间常数等等。在工程实际中不存在独立的负电阻元件，要用其他电路元件来构成。2.负电阻基本知识负电阻总体上分为CNIC与VNIC两类，分别是电流反相型负阻抗变换器和电压反相型负阻抗变换器，本文设计的负电阻器件属于电流反相型负阻抗变换器。CNIC的传输矩阵表示的元件特性方程为我们的设计将遵循这个公式。下面将简单介绍一个实现这个矩阵的基本负阻电路，如图1所示图 1我们设流过R1与R2的电流分别为I1和I2，I1和I2的正方向分别是从R1的2端指向1端，R2 的1端指向2端，这里与矩阵所假设的正方向略有不同，通过分析可以得知因而从U1端口看进去的等效电阻但是我们可以发现本电路模拟的负电阻有一些局限性，主要有以下两个方面，第一，上述等式成立的条件必须是运放必须工作在线性区，设放大器的输出饱和电压为Usat，这个值取决于提供的电源电压，那么U1必须满足下面的不等式这个式子限制了负电阻的线性工作区间。第二个问题是，运放的最大输出电流常常只有20mA左右，如果我们需要一个50的负电阻工作在10V的条件下，输出电流则需要200mA，显然上面的这个设计满足不了要求。下面一节，将讨论如何解决这两个问题。3. 负电阻设计本文中讨论的负电阻设计指标是-10-100，工作电压的范围为110V。3.1并联运放法从严格意义上来说，上面提到的两个不足是相互关联的，其中第二个问题更为关键，第一个问题则可以通过提高电源电压或者调节Rz和R2的比值得以解决。下面将介绍一种扩大输出电流的方法，如图2所示图 2通过这种简单的方式可以使R10和R7节点处的最大输出电流扩大为单运放情况下的两倍，这样，就可以将负电阻值做得更小，或者获得更大的线性工作区的范围。简单分析一下上述电路，假设提供的电源电压为15V，AD648C的最大输出电流约为15mA，其他参数如图所示，通过前面提到的计算公式可以得知，等效电阻约为-200，再来计算理论上线性工作的电压范围Uin联立上述三式子，我们可以估算出Uinmax大约为4.3V。最后，通过pspice对电路进行仿真，得到的V-I特性与分析结果吻合，如图3所示。图 3上面的曲线是流过电压源的电流曲线，下面的两条曲线是运放输出电流的曲线，横轴表示的是Uin的电压值，在电路图中用V7表示。虽然这个设计并未达到要求的设计指标，但可以想象只要可以“并联”足够多的运放是可以达到设计要求的。3.2三极管扩流法还有一种更为简单直观的设计，利用三极管扩大输出电流，其电路原理图如图4所示。图 4下面简单分析一下图4的性能指标，设Q1的基极和射集压降为0.7V，运放的最大输出电压略小于电源电压为14V。可以得到Uinmax满足以下关系计算结果大约为10.23V，满足了设计要求。值得注意的是，参数设置一定要让三极管工