负阻抗变换器和回转器的设计.doc

负阻抗变换器和回转器的设计.doc: .
负阻抗变换器和回转器的设计
摘要 本文简要介绍了负阻抗变换器（NIC）和回转器的原理，通过实验研究 NIC 的性能，并应用NIC性能作为负内阻电源研究其输出特性，还将这负电阻应用到R LC串联电路中，从中观察到除过阻尼、临界阻尼、负阻尼外的无阻尼等幅振荡 和总电阻小于零的负阻尼发散震荡； 并且利用负阻抗变换器实现回转器， 进而利 用回转器将电容回转成模拟纯电感，还利用模拟的电感组成RL（并联谐振电路。 关键字 负阻抗变换器 运算放大器 二端口网络 回转器 回转电导 模拟电感 并联谐振
1■负阻抗变换器的原理
负转换器是一种二端口网络，通常，把一端口处的 U和I淋为输入电压和输入电
流，而把另一端口 ’处的U2和-I 2称为输出电压和输出电流。U、Ii和U2、丨2的指定 参考方向如下图中所示。根据输入电压和电流与输出电压和电流的相互关系， 负
阻抗变换器可分为电流反向型（INIC）和电压反向型（VNIC）两种，电路图分别如 下图的（a）（ b）所示：
圉L_ 1电流■克悒虫浚按謂
图中Ul和Ii称为输入电压和输入电流，U2和-12称为输出电压和输出电流。
Ul、Ii和U2、I2的指定参考方向如图1-1、1-2中所示。根据输入电压和电流与 输出电压和电流的相互关系，负阻抗变换器可分为电流反向型 （INIC）和电压反向
型（VNIC）两种，对于INIC，有Ui =U2 ； Ii=（ - Ki）（ -丨2）式中Ki为正的实
常数，称为电流增益。由上式可见，输出电压与输入电压相同，但实际输出电流 -12不仅大小与输入电流Ii不同（为Ii的i/ Ki倍）而且方向也相反。换言之，当输 入电流的实际方向与它的参考方向一致时，输出电流的实际方向与它的参考方向
相反（即和I2的参考方向相同）。对于VNIC，有Ui= -K2 U2 ; Ii = -I2
式中K2是正的实常数，称为电压增益。由上式可见，输出电流 -I2与输入电流Ii 相同，但输出电压U2不仅大小与输入电压Ui不同（为Ui的1/K2倍）而且方向也 相反。若在NIC的输出端口 2— 2’接上负载Zl，则有U2= -I2ZL。对于INIC，从 输入端口看入的阻抗为
ini
ZL
对于VNIC，从输入端口看入的阻抗为
ini
Ui
Ii
-K2U2
-I 2
■©Zl
若倒过来，把负载Zl接在输入端口，则有Ui=-IiZl,从输出端口看入，对于CNIC，
_ Ui KiUi
Zin2 :
i
KiZl
I2
Ki Ii
I i
对于VNIC，有
Z -U2
in2 '
I 2
-iK2Ui
-1 i
_ Ui _ i z
— —— Z l
K2Ii K2
综上所述，NIC是这样一种二端口器件，它把接在一个端口的阻抗变换成另一端 口的负阻抗。
负阻抗变换器可以用一个运算放大器构成。下图 i-3是一个电流反向型负阻抗变
换器
图1-3电流反相型负阻抗变换器
运算放大器输出端电压u^u^iaRo二U2」4Ro再根据理想运算放大器，同相输
入端“ + ”和反相输入端“―”之间的 “虚短”特性，可得Up =un ,即U^U2,
根据“虚断”特性，可得h “3；i2 “4，带入上式可得ii “2。根据负载乙上的端
电压和电流的参考方向，有
从输入端Ui看入的输入阻抗有
Zin
-乙
因此,
Ui端的负载阻抗乙通过负阻抗变换器，在Ui
端可等效为负阻抗（一Zi），即从输入端的特性而言，上述端口相当于一个负阻 抗元件。例如，当负载为电阻 R,则从输入端看入，相当于一个负电阻（-R）
2. 基于负阻抗变换器的实验设计与应用
（一）测定负阻抗变换器的伏安特性。负阻抗变换器元件可以和普通的电阻元
件作串联接，其等值阻抗的计算方法与无源元件的计算方法相同， 因此也可以用 这种方法改变负阻抗的值。仿真电路图i-4图示:
图1-4
表格1:负阻抗变换器伏安特性测量数据
R3/ Q
300
500
700
900
1100
1300
1500
1700
1900
2000
U/V
3
「3
3
3
3
3
3
3
1/mA
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
R测
/ Q
-300
-500
-700
-