Negativ modstand - Negative resistance

Lysstofrør , en enhed med negativ differentialmodstand. Under drift forårsager en stigning i strøm gennem lysstofrøret et fald i spændingen over det. Hvis røret blev tilsluttet direkte til kraftledningen, ville den faldende rørspænding få mere og mere strøm til at strømme, hvilket fik det til at bue og ødelægge sig selv. For at forhindre dette tilsluttes lysstofrør til kraftledningen gennem en ballast . Forkoblingen tilføjer positiv impedans (vekselstrømsmodstand) til kredsløbet for at modvirke rørets negative modstand, hvilket begrænser strømmen.

I elektronik er negativ modstand ( NR ) en egenskab ved nogle elektriske kredsløb og enheder, hvor en stigning i spænding over enhedens terminaler resulterer i et fald i elektrisk strøm gennem den.

Dette er i modsætning til en almindelig modstand , hvor en stigning i påført spænding forårsager en proportionel stigning i strøm på grund af Ohms lov , hvilket resulterer i en positiv modstand . Mens en positiv modstand forbruger strøm fra strøm, der passerer gennem den, producerer en negativ modstand strøm. Under visse betingelser kan det øge effekten af ​​et elektrisk signal og forstærke det.

Negativ modstand er en ualmindelig egenskab, der forekommer i et par ikke -lineære elektroniske komponenter. I en ikke -lineær enhed kan to typer modstand defineres: 'statisk' eller 'absolut modstand', forholdet mellem spænding og strøm og differentiel modstand , forholdet mellem en ændring i spænding og den resulterende ændring i strøm . Udtrykket negativ modstand betyder negativ differentiel modstand (NDR) , . Generelt er en negativ differentialmodstand en to-terminal komponent, der kan forstærke og konvertere jævnstrøm , der påføres dens terminaler, til vekselstrømseffekt for at forstærke et vekselstrømssignal, der tilføres de samme terminaler. De bruges i elektroniske oscillatorer og forstærkere , især ved mikrobølgefrekvenser . Mest mikrobølgeenergi produceres med negative differentialmodstandsenheder. De kan også have hysterese og være bistabile , og bruges derfor i switch- og hukommelseskredsløb . Eksempler på enheder med negativ differentialmodstand er tunneldioder , Gunn -dioder og gasudladningsrør såsom neonlamper og lysstofrør . Derudover kan kredsløb, der indeholder forstærkningsindretninger, såsom transistorer og op -forstærkere med positiv feedback, have negativ differentialmodstand. Disse bruges i oscillatorer og aktive filtre . ${\ displaystyle v/i \,}$${\ displaystyle \ Delta v/\ Delta i}$${\ displaystyle \ Delta v/\ Delta i \; <\; 0}$

Fordi de er ikke -lineære, har negative modstandsanordninger en mere kompliceret adfærd end de positive "ohmiske" modstande, der normalt opstår i elektriske kredsløb . I modsætning til de fleste positive modstande varierer den negative modstand afhængigt af spændingen eller strømmen, der tilføres enheden, og enheder med negativ modstand kan kun have negativ modstand over en begrænset del af deres spænding eller strømområde. Derfor er der ingen reel "negativ modstand" analog med en positiv modstand , som har en konstant negativ modstand over et vilkårligt bredt strømområde.

En Gunn -diode , en halvlederanordning med negativ differentialmodstand, der bruges i elektroniske oscillatorer til at generere mikrobølger

Definitioner

En I – V -kurve, der viser forskellen mellem statisk modstand (invers hældning af linje B) og differentialmodstand (invers hældning af linje C) på et punkt (A) .

Den modstand mellem to terminaler i et elektrisk apparat eller system bestemmes af dens strøm-spændings ( I-V ) kurve ( kurve ), hvilket giver strømmen gennem det for en given spænding over den. De fleste materialer, herunder de almindelige (positive) modstande, der opstår i elektriske kredsløb, overholder Ohms lov ; strømmen gennem dem er proportional med spændingen over et bredt område. Så I – V -kurven for en ohmsk modstand er en lige linje gennem oprindelsen med positiv hældning. Modstanden er forholdet mellem spænding og strøm, linjens inverse hældning (i I – V -grafer, hvor spændingen er den uafhængige variabel) og er konstant. ${\ displaystyle i \,}$${\ displaystyle v \,}$${\ displaystyle v \,}$

Negativ modstand forekommer i et par ikke -lineære (nonohmiske) enheder. I en ikke -lineær komponent er I – V -kurven ikke en lige linje, så den overholder ikke Ohms lov. Modstand kan stadig defineres, men modstanden er ikke konstant; det varierer med spændingen eller strømmen gennem enheden. Modstanden for en sådan ikke -lineær enhed kan defineres på to måder, der er ens for ohmiske modstande:

Kvadranterne på I – V -planet, der viser regioner, der repræsenterer passive enheder (hvide) og aktive enheder ( rød )

• Statisk modstand (også kaldet akkordmodstand , absolut modstand eller bare modstand ) - Dette er den almindelige definition af modstand; spændingen divideret med strømmen:

${\ displaystyle R _ {\ mathrm {static}} = {v \ over i} \,}$.

Det er den invers hældning af linjen ( akkord ) fra oprindelsen gennem punktet på I – V kurven. I en strømkilde, som et batteri eller en elektrisk generator , strømmer positiv strøm ud af den positive spændingsterminal, modsat strømmen i en modstand, så fra passivskiltkonventionen og har modsatte tegn, der repræsenterer punkter, der ligger i 2. eller 4. kvadrant af I – V -planet (diagram til højre) . Således har strømkilder formelt en negativ statisk modstand ( Dog bruges dette udtryk aldrig i praksis, fordi udtrykket "modstand" kun anvendes på passive komponenter. Statisk modstand bestemmer effekttab i en komponent. Passive enheder, der bruger elektrisk strøm, har positiv statisk modstand; mens aktive enheder, der producerer elektrisk strøm, ikke gør det.${\ displaystyle i \,}$${\ displaystyle v \,}$${\ displaystyle R _ {\ tekst {statisk}} \; <\; 0).}$

• Differentialmodstand (også kaldet dynamisk eller inkrementel modstand) - Dette er afledningen af spændingen i forhold til strømmen; forholdet mellem en lille ændring i spænding og den tilsvarende ændring i strøm, den inverse hældning af I – V -kurven på et punkt:

${\ displaystyle r _ {\ mathrm {diff}} = {\ frac {dv} {di}} \,}$.

Differentialmodstand er kun relevant for tidsvarierende strømme. Punkter på kurven, hvor hældningen er negativ (faldende til højre), hvilket betyder, at en stigning i spænding forårsager et fald i strømmen, har negativ differentialmodstand ( )${\ displaystyle r _ {\ tekst {diff}} \; <\; 0}$ . Enheder af denne type kan forstærke signaler og er det, der normalt menes med udtrykket "negativ modstand".

Negativ modstand måles, ligesom positiv modstand, i ohm .

Konduktans er reciprokke af resistens . Det måles i siemens (tidligere mho ), som er konduktans for en modstand med en modstand på en ohm . Hver modstandstype defineret ovenfor har en tilsvarende konduktans

• Statisk konduktans

${\ displaystyle G _ {\ mathrm {static}} = {1 \ over R _ {\ mathrm {static}}} = {i \ over v} \,}$

• Differential konduktans

${\ displaystyle g _ {\ mathrm {diff}} = {1 \ over r _ {\ mathrm {diff}}} = {di \ over dv} \,}$

Det ses, at konduktansen har det samme tegn som den tilsvarende modstand: en negativ modstand vil have en negativ konduktans, mens en positiv modstand vil have en positiv konduktans.

Fig. 1: I – V -kurve med lineær eller "ohmsk" modstand, den almindelige modstandstype, der opstår i elektriske kredsløb. Strømmen er proportional med spændingen, så både den statiske og differentielle modstand er positiv ${\ displaystyle R _ {\ text {static}} = r _ {\ text {diff}} = {v \ over i}> 0 \,}$

Fig. 2: I – V -kurve med negativ differentialmodstand ( rød region) . Differentialmodstanden ved et punkt P er den inverse hældning af linjen, der tangenterer grafen på det tidspunkt ${\ displaystyle r _ {\ tekst {diff}} \,}$

${\ displaystyle r _ {\ text {diff}} = {\ frac {\ Delta v} {\ Delta i}} = {\ frac {v_ {2} -v_ {1}} {i_ {2} -i_ {1 }}} \,}$

Siden og i punkt P .${\ displaystyle \ Delta v \;> \; 0}$${\ displaystyle \ Delta i \; <\; 0}$ ${\ displaystyle r _ {\ tekst {diff}} \; <\; 0}$

Fig. 3: I – V -kurve for en strømkilde. I 2. kvadrant ( rød region) strømmer strøm ud af den positive terminal, så elektrisk strøm strømmer ud af enheden ind i kredsløbet. For eksempel i punkt P , og så${\ displaystyle v \; <\; 0}$${\ displaystyle i \;> \; 0}$
${\ displaystyle R _ {\ text {static}} = {v \ over i} <0 \,}$

Fig. 4: I – V -kurve for en negativ lineær eller "aktiv" modstand (AR, rød ) . Det har negativ differentialmodstand og negativ statisk modstand (er aktiv):

${\ displaystyle R = {\ Delta v \ over \ Delta i} = {v \ over i} <0 \,}$

Operation

En måde, hvorpå de forskellige modstandstyper kan skelnes, er i strøm- og elektrisk retninger mellem et kredsløb og en elektronisk komponent. Nedenstående illustrationer med et rektangel, der repræsenterer komponenten, der er knyttet til et kredsløb, opsummerer, hvordan de forskellige typer fungerer:

Spændingen v og strøm i -variablerne i en elektrisk komponent skal defineres i henhold til konventionen om passivt tegn ; positiv konventionel strøm defineres til at komme ind i den positive spændingsterminal; dette betyder, at strøm P, der strømmer fra kredsløbet til komponenten, er defineret som positiv, mens strøm, der strømmer fra komponenten ind i kredsløbet, er negativ. Dette gælder både DC og AC strøm. Diagrammet viser retningslinjerne for de positive værdier af variablerne.
I en positiv statisk modstand , så har v og jeg det samme tegn. Derfor er konventionel strøm (strøm af positiv ladning) fra passivskiltkonventionen ovenfor gennem enheden fra den positive til den negative terminal i retning af det elektriske felt E (faldende potentiale ). så ladningerne mister potentiel energi ved at arbejde på enheden, og elektrisk strøm strømmer fra kredsløbet ind i enheden, hvor den omdannes til varme eller en anden form for energi (gul) . Hvis der tilføres vekselstrøm og periodisk vender retning, men det øjeblikkelige altid flyder fra det højere potentiale til det lavere potentiale.${\ displaystyle R _ {\ tekst {statisk}} \; = \; v/i \;> \; 0}$ ${\ displaystyle P \; = \; vi \;> \; 0}$${\ displaystyle v}$${\ displaystyle i}$${\ displaystyle i}$
I en strømkilde , så og har modsat fortegn. Det betyder, at strømmen er tvunget til at flyde fra den negative til den positive terminal. Afgifterne opnår potentiel energi, så magt strømmer ud af indretningen ind i kredsløbet: . Arbejde (gul) skal udføres på ladningerne af en eller anden strømkilde i enheden for at få dem til at bevæge sig i denne retning mod kraften i det elektriske felt.${\ displaystyle R _ {\ tekst {statisk}} \; = \; v/i \; <\; 0}$${\ displaystyle v}$${\ displaystyle i}$${\ displaystyle P \; = \; vi \; <\; 0}$
I en passiv negativ differentiel modstand , kun den AC-komponent af strømmen flyder i den modsatte retning. Den statiske modstand er positiv, så strømmen flyder fra positiv til negativ : . Men strømmen (ladningshastighed) falder, når spændingen stiger. Så når en tidsvarierende (AC) spænding påføres ud over en DC-spænding (til højre) , har de tidsvarierende strøm- og spændingskomponenter modsatte tegn, så . Dette betyder, at den øjeblikkelige vekselstrøm strømmer gennem enheden i retning af stigende AC -spænding , så vekselstrøm strømmer ud af enheden ind i kredsløbet. Enheden forbruger jævnstrøm, hvoraf nogle er konverteret til vekselstrømssignalstrøm, der kan leveres til en belastning i det eksterne kredsløb, hvilket gør det muligt for enheden at forstærke det vekselstrømsignal, der tilføres den.${\ displaystyle r _ {\ tekst {diff}} \; = \; \ Delta v/\ Delta i \; <\; 0}$${\ displaystyle P \; = \; vi \;> \; 0}$${\ displaystyle \ Delta i \,}$${\ displaystyle \ Delta v \,}$${\ displaystyle P _ {\ tekst {AC}} \; = \; \ Delta v \ Delta i \; <\; 0}$${\ displaystyle \ Delta i \,}$${\ displaystyle \ Delta v \,}$

Typer og terminologi

I en elektronisk enhed kan differentialmodstanden , den statiske modstand eller begge dele være negativ, så der er tre kategorier af enheder (fig. 2-4 ovenfor og tabel), som kan kaldes "negative modstande". ${\ displaystyle r _ {\ tekst {diff}} \,}$${\ displaystyle R _ {\ tekst {statisk}} \,}$

Udtrykket "negativ modstand" betyder næsten altid negativ differential modstand . Negative differentialmodstandsenheder har unikke muligheder: de kan fungere som enportsforstærkere , hvilket øger effekten af ​​et tidsvarierende signal, der påføres deres port (terminaler), eller ophidser svingninger i et afstemt kredsløb for at lave en oscillator. De kan også have hysterese . Det er ikke muligt for en enhed at have negativ differentialmodstand uden en strømkilde, og disse enheder kan opdeles i to kategorier afhængigt af, om de får deres strøm fra en intern kilde eller fra deres port: ${\ displaystyle r _ {\ tekst {diff}} \; <\; 0}$

• Passive negative differentialmodstandsindretninger (fig. 2 ovenfor): Disse er den mest kendte type "negative modstande"; passive to-terminale komponenter, hvis iboende I-V- kurve har et "knæk" nedad, hvilket får strømmen til at falde med stigende spænding over et begrænset område. Den I-V kurve, herunder den negative modstand regionen, ligger i 1. og 3. kvadrant af flyet, så indretningen har positiv statisk modstand. Eksempler er gasudladningsrør , tunneldioder og Gunn-dioder . Disse enheder har ingen intern strømkilde og fungerer generelt ved at konvertere ekstern jævnstrøm fra deres port til tidsvarierende (vekselstrøm), så de kræver en jævnstrømsspændingsstrøm, der påføres porten ud over signalet. For at øge forvirringen kalder nogle forfattere disse "aktive" enheder, da de kan forstærke. Denne kategori omfatter også et par tre-terminal-enheder, såsom unijunction transistor. De er dækket i afsnittet Negativ differentialmodstand nedenfor.

• Aktive negative differentialmodstandsindretninger (fig. 4): Kredsløb kan designes, hvor en positiv spænding påført terminalerne vil forårsage en proportionel "negativ" strøm; en strøm ud af den positive terminal, det modsatte af en almindelig modstand, over et begrænset område, I modsætning til i ovenstående enheder passerer det nedadgående område af I – V- kurven gennem oprindelsen, så den ligger i 2. og 4. kvadranter af flyet, hvilket betyder, at enheden får strøm. Forstærkende enheder som transistorer og op-forstærkere med positiv feedback kan have denne type negativ modstand og bruges i feedbackoscillatorer og aktive filtre . Da disse kredsløb producerer netto strøm fra deres port, skal de have en intern jævnstrømskilde eller en separat forbindelse til en ekstern strømforsyning. I kredsløbsteori kaldes dette en "aktiv modstand". Selvom denne type undertiden omtales som "lineær", "absolut", "ideel" eller "ren" negativ modstand for at skelne den fra "passive" negative differentialmodstande, kaldes den i elektronik oftere simpelthen for positiv feedback eller regenerering . Disse er dækket i afsnittet Aktive modstande nedenfor.

Et batteri har negativ statisk modstand (rød) over sit normale driftsområde, men positiv differentialmodstand.

Lejlighedsvis omtales almindelige strømkilder som "negative modstande" (fig. 3 ovenfor). Selvom den "statiske" eller "absolutte" modstand for aktive enheder (strømkilder) kan betragtes som negativ (se afsnittet Negativ statisk modstand nedenfor) de fleste almindelige strømkilder (AC eller DC), såsom batterier , generatorer og (ikke -positiv feedback ) forstærkere, har positiv differentialmodstand (deres kildemodstand ). Derfor kan disse enheder ikke fungere som enportsforstærkere eller have de andre muligheder for negative differentielle modstande. ${\ displaystyle R _ {\ tekst {statisk}} \,}$

Liste over enheder med negativ modstand

Elektroniske komponenter med negativ differentialmodstand omfatter disse enheder:

• tunneldiode , resonant tunneldiode og andre halvlederdioder ved hjælp af tunnelmekanismen
• Gunn -diode og andre dioder ved hjælp af den overførte elektronmekanisme
• IMPATT -diode , TRAPATT -diode og andre dioder ved hjælp af stødioniseringsmekanismen
• Nogle NPN -transistorer med EC reverse bias , kendt som negistor
• unijunction transistor (UJT)
• tyristorer
• triode- og tetrodevakuumrør , der fungerer i dynatron -tilstand
• Nogle magnetronrør og andre mikrobølge vakuumrør
• maser
• parametrisk forstærker

Elektriske udledninger gennem gasser udviser også negativ differentialmodstand, herunder disse enheder

• elektrisk lysbue
• thyratron -rør
• neon lampe
• fluorescerende lampe
• andre gasudladningsrør

Derudover kan aktive kredsløb med negativ differentialmodstand også bygges med forstærkerenheder som transistorer og op -forstærkere ved hjælp af feedback . En række nye eksperimentelle materialer og enheder til negativ differentialresistens er blevet opdaget i de seneste år. De fysiske processer, der forårsager negativ modstand, er forskellige, og hver type enhed har sine egne negative modstandskarakteristika, specificeret af dens strøm -spændingskurve .

Negativ statisk eller "absolut" modstand

En positiv statisk modstand (til venstre) konverterer elektrisk strøm til varme og varmer omgivelserne. Men en negativ statisk modstand ikke kan fungere som dette i omvendt (højre) omdannelse omgivende varme fra omgivelserne til elektrisk energi, fordi det ville krænke termodynamikkens anden lov , som kræver en temperatur forskel til producere arbejde. Derfor skal en negativ statisk modstand have en anden strømkilde.

Et punkt i en vis forvirring er, om almindelig modstand ("statisk" eller "absolut" modstand, ) kan være negativ. I elektronik anvendes udtrykket "modstand" sædvanligvis kun på passive materialer og komponenter - såsom ledninger, modstande og dioder . Disse kan ikke have som vist i Joules lov . En passiv enhed bruger elektrisk strøm, så fra konventionen om passivt tegn . Derfor fra Joules lov . Med andre ord kan intet materiale lede elektrisk strøm bedre end en "perfekt" leder med nul modstand. For en passiv enhed at have ville krænke enten energibesparelse eller termodynamikkens anden lov , (diagram) . Derfor oplyser nogle forfattere, at statisk modstand aldrig kan være negativ. ${\ displaystyle R _ {\ tekst {statisk}} \; = \; v/i}$${\ displaystyle R _ {\ text {static}} \; <\; 0}$ ${\ displaystyle P \; = \; i^{2} R _ {\ tekst {statisk}}}$ ${\ displaystyle P \; \ geq \; 0}$${\ displaystyle R _ {\ tekst {statisk}} \; \ geq \; 0}$${\ displaystyle R _ {\ tekst {statisk}} \; = \; v/i \; <\; 0}$

Fra KVL , den statiske modstand af en kraftkilde ( R _S ), såsom et batteri, er altid lig med den negative af den statiske modstand af dens ladning ( R _L ).

Det er imidlertid let vist, at forholdet mellem spænding og strøm v/i ved terminalerne på enhver strømkilde (AC eller DC) er negativt. For at elektrisk strøm ( potentiel energi ) kan strømme ud af en enhed ind i kredsløbet, skal ladning strømme gennem enheden i retning af stigende potentiel energi, konventionel strøm (positiv ladning) skal bevæge sig fra den negative til den positive terminal. Så retningen af ​​den øjeblikkelige strøm er ude af den positive terminal. Dette er modsat strømretningen i en passiv enhed defineret af passivskiltkonventionen, så strøm og spænding har modsatte tegn, og deres forhold er negativt

${\ displaystyle R _ {\ mathrm {static}} = {\ frac {v} {i}} <0 \,}$

Dette kan også bevises ud fra Joules lov

${\ displaystyle P = iv = i^{2} R _ {\ mathrm {static}} \,}$

Dette viser, at strøm kan strømme ud af en enhed til kredsløbet ( ),${\ displaystyle P \; <\; 0}$ hvis og kun hvis . Hvorvidt denne mængde kaldes "modstand" eller ej, når negativ er et spørgsmål om konvention. Strømkildernes absolutte modstand er negativ, men dette skal ikke betragtes som "modstand" i samme forstand som positive modstande. Den negative statiske modstand af en strømkilde er en temmelig abstrakt og ikke særlig nyttig størrelse, fordi den varierer med belastningen. På grund af energibesparelse er den altid simpelthen lig med negativet for den statiske modstand i det vedlagte kredsløb (højre) . ${\ displaystyle R _ {\ text {static}} \; <\; 0}$

Der skal arbejdes med ladningerne af en eller anden energikilde i enheden for at få dem til at bevæge sig mod den positive terminal mod det elektriske felt, så bevarelse af energi kræver, at negative statiske modstande har en strømkilde. Strømmen kan komme fra en intern kilde, der konverterer en anden form for energi til elektrisk strøm som i et batteri eller en generator, eller fra en separat forbindelse til et eksternt strømforsyningskredsløb som i en forstærker, f.eks. En transistor , et vakuumrør eller en op amp .

Til sidst passivitet

Et kredsløb kan ikke have negativ statisk modstand (være aktiv) over en uendelig spænding eller strømområde, fordi det skulle være i stand til at producere uendelig strøm. Ethvert aktivt kredsløb eller enhver enhed med en endelig strømkilde er "i sidste ende passiv ". Denne egenskab betyder, at hvis en stor nok ekstern spænding eller strøm med enten polaritet påføres den, bliver dens statiske modstand positiv, og den bruger strøm

${\ displaystyle \ eksisterer V, I: | v |> V {\ tekst {eller}} | i |> I \ Højre pil R _ {\ mathrm {statisk}} = v/i \ geq 0 \,}$

hvor er den maksimale effekt, enheden kan producere.${\ displaystyle P_ {max} = IV \,}$

Derfor vil enderne af I – V -kurven i sidste ende vende og komme ind i 1. og 3. kvadrant. Således er kurvens område med negativ statisk modstand begrænset, begrænset til et område omkring oprindelsen. For eksempel vil en spænding på en generator eller et batteri (graf ovenfor) større end dens åbne kredsløbsspænding vende strømningsretningen, hvilket gør dens statiske modstand positiv, så den forbruger strøm. Tilsvarende påføre en spænding til den negative impedansomsætteren under opvejer strømforsyning spænding V _s vil forårsage forstærkeren til mætning, også gør dets modstand positiv.

Negativ differential modstand

I en enhed eller et kredsløb med negativ differentialmodstand (NDR) falder strømmen i en del af I – V -kurven, når spændingen stiger:

${\ displaystyle r _ {\ mathrm {diff}} = {\ frac {dv} {di}} <0 \,}$

Den I-V kurve er nonmonotonic (med bølgetoppe og bølgedale) med regioner af negative hældning repræsenterer negative spænd modstand.

Negativ differential modstand

Spændingsstyret (N -type)

Strømstyret (S -type)

Passive negative differentiale modstande har positiv statisk modstand; de bruger netto strøm. Derfor er I – V -kurven begrænset til grafens 1. og 3. kvadrant og passerer gennem oprindelsen. Dette krav betyder (undtagen nogle asymptotiske tilfælde), at den eller de regioner med negativ resistens skal være begrænset og omgivet af områder med positiv resistens og ikke kan inkludere oprindelsen.

Typer

Negative differentialmodstande kan klassificeres i to typer:

• Spændingsstyret negativ modstand ( VCNR , kortslutningsstabil eller " N " -type): I denne type er strømmen en enkelt værdsat , kontinuerlig funktion af spændingen, men spændingen er en flerværdi-funktion af strømmen. I den mest almindelige type er der kun et område med negativ modstand, og grafen er en kurve, der generelt er formet som bogstavet "N". Når spændingen øges, stiger strømmen (positiv modstand), indtil den når et maksimum ( i ₁ ), falder derefter i området med negativ modstand til et minimum ( i ₂ ) og stiger derefter igen. Enheder med denne type af negativ modstand omfatter tunnel diode , resonanstunneldiode , lambda diode , Gunn-diode , og Dynatron oscillatorer .

• Strømstyret negativ modstand ( CCNR , åben kredsløbsstabil eller " S " -type): I denne type, dual af VCNR, er spændingen en enkelt værdsat funktion af strømmen, men strømmen er en multivalued funktion af spændingen . I den mest almindelige type, med et område med negativ modstand, er grafen en kurve formet som bogstavet "S". Enheder med denne type negativ modstand omfatter IMPATT -dioden , UJT, SCR'er og andre tyristorer , lysbue og gasudladningsrør .

De fleste enheder har en enkelt negativ modstandsområde. Enheder med flere separate negative modstandsområder kan imidlertid også fremstilles. Disse kan have mere end to stabile tilstande og er af interesse til brug i digitale kredsløb til at implementere logik med flere værdier .

En iboende parameter, der bruges til at sammenligne forskellige enheder, er top-til-dal-strømforholdet (PVR), forholdet mellem strømmen øverst i den negative modstandsregion og strømmen i bunden (se grafer ovenfor) :

${\ displaystyle {\ text {PVR}} = i_ {1}/i_ {2} \,}$

Jo større dette er, jo større er den potentielle AC -udgang for en given DC -biasstrøm, og derfor er effektiviteten større

Forstærkning

Tunneldiodeforstærkerkredsløb. Siden den samlede modstand er summen af ​​de to modstande i serie ( ) negativ, så en stigning i indgangsspændingen vil medføre et fald i strømmen. Kredsløbets arbejdspunkt er skæringspunktet mellem diodekurven (sort) og modstandens belastningslinje (blå) . En lille stigning i indgangsspændingen, (grøn), der bevæger belastningslinjen til højre, forårsager et stort fald i strømmen gennem dioden og dermed en stor stigning i spændingen over dioden .${\ displaystyle r \,> \, R}$${\ displaystyle R \;-\; r}$ ${\ displaystyle R}$ ${\ displaystyle v_ {i}}$ ${\ displaystyle v_ {o}}$

En negativ differentialmodstandsenhed kan forstærke et vekselstrømsignal, der sendes til det, hvis signalet er forudindtaget med en jævnstrømsspænding eller strøm til at ligge inden for det negative modstandsområde i dens I – V -kurve.

Den tunnel diode kredsløb (se tegning) er et eksempel. Tunneldioden TD har spændingsstyret negativ differentialmodstand. Batteriet tilføjer en konstant spænding (bias) hen over dioden, så det fungerer i sit negative modstandsområde og giver strøm til at forstærke signalet. Antag, at den negative modstand ved forspændingspunktet er . For stabilitet skal være mindre end . Ved hjælp af formlen for en spændingsdeler er AC -udgangsspændingen ${\ displaystyle V_ {b}}$${\ displaystyle \ Delta v/\ Delta i \, = \,-r}$${\ displaystyle R \,}$${\ displaystyle r \,}$

${\ displaystyle v_ {o} = {\ frac {-r} {Rr}} v_ {i} = {\ frac {r} {rR}} v_ {i} \,}$  så spændingsforstærkningen er  ${\ displaystyle G_ {v} = {\ frac {r} {rR}} \,}$

I en normal spændingsdeler er modstanden i hver gren mindre end helhedens modstand, så udgangsspændingen er mindre end input. På grund af den negative modstand er den samlede AC -modstand mindre end diodenes modstand alene, så AC -udgangsspændingen er større end indgangen . Spændingsforstærkningen er større end en og stiger uden grænser, når det nærmer sig . ${\ displaystyle rR \,}$${\ displaystyle r \,}$${\ displaystyle v_ {o}}$${\ displaystyle v_ {i}}$${\ displaystyle G_ {v} \,}$${\ displaystyle R \,}$${\ displaystyle r \,}$

Forklaring på effektforstærkning

En AC -spænding påført en forudindtaget NDR. Da ændringen i strøm og spænding har modsatte fortegn (vist med farver) , AC effekttab Δ v Δ jeg er negativ , anordningen frembringer vekselstrøm i stedet forbruge det.

AC ækvivalent kredsløb for NDR forbundet til eksternt kredsløb. NDR fungerer som en afhængig AC strømkilde af værdi Δ i = Δ v / r . Fordi strømmen og spændingen er 180 ° ude af fase, strømmer den øjeblikkelige vekselstrøm Δ i ud af terminalen med positiv AC -spænding Δ v . Derfor det tilføjer til AC-kilden aktuelle Δ i _S gennem belastningen R , øger udgangseffekten.

Diagrammerne illustrerer, hvordan en forudindtaget negativ differentialmodstandsenhed kan øge effekten af ​​et signal, der påføres det, forstærke det, selvom det kun har to terminaler. På grund af superpositionsprincippet kan spændingen og strømmen på enhedens terminaler opdeles i en DC -bias -komponent ( )${\ displaystyle V_ {bias}, \; I_ {bias}}$ og en AC -komponent ( )${\ displaystyle \ Delta v, \; \ Delta i}$ .

${\ displaystyle v (t) = V _ {\ text {bias}}+\ Delta v (t) \,}$

${\ displaystyle i (t) = I _ {\ text {bias}}+\ Delta i (t) \,}$

Da en positiv ændring i spændingen forårsager en negativ ændring i strømmen , er vekselstrømmen og spændingen i enheden 180 ° ude af fase . Dette betyder i AC tilsvarende kredsløb (til højre) , den øjeblikkelige vekselstrøm Δ i strømmer gennem indretningen i retning af at øge AC potentiel Δ v , som det ville i en generator . Derfor er vekselstrømsspredningen negativ ; Vekselstrøm produceres af enheden og strømmer ind i det eksterne kredsløb. ${\ displaystyle \ Delta v \,}$${\ displaystyle \ Delta i \,}$

${\ displaystyle P _ {\ text {AC}} = \ Delta v \ Delta i = r _ {\ text {diff}} | \ Delta i |^{2} <0 \,}$

Med det korrekte eksterne kredsløb kan enheden øge vekselstrømssignaleffekten, der leveres til en belastning, der fungerer som en forstærker , eller ophidse oscillationer i et resonanskredsløb for at lave en oscillator . I modsætning til i en to -ports forstærkningsindretning, såsom en transistor eller op -forstærker, forlader det forstærkede signal enheden gennem de samme to terminaler ( port ), som indgangssignalet kommer ind.

I en passiv enhed kommer den producerede vekselstrøm fra input DC -biasstrømmen, enheden absorberer jævnstrøm, hvoraf nogle omdannes til vekselstrøm ved enhedens ikke -linearitet, hvilket forstærker det påførte signal. Derfor er udgangseffekten begrænset af biaseffekten

${\ displaystyle | P _ {\ text {AC}} | \ leq I _ {\ text {bias}} V _ {\ text {bias}} \,}$

Den negative differentielle modstandsregion kan ikke omfatte oprindelsen, fordi den så ville kunne forstærke et signal uden påført DC -biasstrøm, der producerer vekselstrøm uden strømindgang. Enheden afleder også en del strøm som varme, svarende til forskellen mellem DC -strømforsyningen og vekselstrømmen.

Enheden kan også have reaktans, og derfor kan faseforskellen mellem strøm og spænding variere fra 180 ° og kan variere med frekvens. Så længe impedansens reelle komponent er negativ (fasevinkel mellem 90 ° og 270 °), vil enheden have negativ modstand og kan forstærkes.

Den maksimale AC -udgangseffekt er begrænset af størrelsen af ​​det negative modstandsområde ( i graferne ovenfor) ${\ displaystyle v_ {1}, \; v_ {2}, \; i_ {1}, \; og \; i_ {2}}$

${\ displaystyle P_ {AC (rms)} \ leq {\ frac {1} {8}} (v_ {2} -v_ {1}) (i_ {1} -i_ {2}) \,}$

Reflektionskoefficient

Generelt (AC) model af en negativ modstand kredsløb: en negativ differentiel modstand enhed , tilsluttet en ekstern kreds repræsenteret ved som har positiv modstand, . Begge kan have reaktans ( )${\ displaystyle Z _ {\ tekst {N}} (j \ omega) \;}$${\ displaystyle Z _ {\ tekst {L}} (j \ omega) \,}$${\ displaystyle R _ {\ text {L}}> 0 \,}$ ${\ displaystyle X _ {\ tekst {L}}, \; X _ {\ tekst {N}}}$

Årsagen til, at udgangssignalet kan efterlade en negativ modstand gennem den samme port, som indgangssignalet går ind i, er, at fra transmissionslinjeteori kan vekselstrømsspændingen eller strømmen ved en komponents terminaler opdeles i to modsat bevægelige bølger, hændelsesbølgen , der bevæger sig mod enheden, og den reflekterede bølge , der bevæger sig væk fra enheden. En negativ differentialmodstand i et kredsløb kan forstærkes, hvis størrelsen af ​​dens refleksionskoefficient , forholdet mellem den reflekterede bølge og den indfaldende bølge, er større end én. ${\ displaystyle V_ {I} \,}$ ${\ displaystyle V_ {R} \,}$ ${\ displaystyle \ Gamma \,}$

${\ displaystyle | \ Gamma | \ equiv {\ bigg |} {\ frac {V_ {R}} {V_ {I}}} {\ bigg |}> 1 \,}$   hvor   ${\ displaystyle \ Gamma \ equiv {\ frac {Z_ {N} -Z_ {L}} {Z_ {N}+Z_ {L}}} \,}$

Det "reflekterede" (output) signal har større amplitude end hændelsen; enheden har "refleksionsforstærkning". Reflektionskoefficienten bestemmes af AC -impedansen for den negative modstandsindretning , og impedansen af ​​kredsløbet, der er knyttet til den ,. Hvis og derefter og enheden forstærkes. På Smith -diagrammet , en grafisk hjælper, der er meget udbredt ved design af højfrekvente kredsløb, negativ differentialmodstand svarer til punkter uden for enhedscirklen , grænsen for det konventionelle diagram, så der skal bruges specielle "udvidede" diagrammer. ${\ displaystyle Z_ {N} (j \ omega) \, = \, R_ {N} \,+\, jX_ {N}}$${\ displaystyle Z_ {L} (j \ omega) \, = \, R_ {L} \,+\, jX_ {L}}$${\ displaystyle R_ {N} \, <\, 0}$${\ displaystyle R_ {L} \,> \, 0 \,}$${\ displaystyle | \ Gamma | \,> \, 0 \,}$${\ displaystyle | \ Gamma | \, = \, 1 \,}$

Stabilitet betingelser

Fordi det er ikke -lineært, kan et kredsløb med negativ differentialmodstand have flere ligevægtspunkter (mulige DC -driftspunkter), som ligger på I – V -kurven. Et ligevægtspunkt vil være stabilt , så kredsløbet konvergerer til det inden for et eller andet område af punktet, hvis dets poler er i venstre halvdel af s -planet (LHP), mens et punkt er ustabilt, hvilket får kredsløbet til at svinge eller "låse" op "(konvergerer til et andet punkt), hvis dets poler er på henholdsvis jω -aksen eller højre halvplan (RHP). I modsætning hertil har et lineært kredsløb et enkelt ligevægtspunkt, der kan være stabilt eller ustabilt. Ligevægtspunkterne bestemmes af DC -bias -kredsløbet, og deres stabilitet bestemmes af AC -impedansen i det eksterne kredsløb. På grund af kurvenes forskellige former er betingelsen for stabilitet imidlertid forskellig for VCNR- og CCNR -typer af negativ modstand: ${\ displaystyle Z_ {L} (j \ omega) \,}$

• I en CCNR (S-type) negativ modstand er modstandsfunktionen enkeltværdi. Derfor er stabilitet bestemmes ved polerne af kredsløbets impedans ligning: .${\ displaystyle R_ {N} \,}$${\ displaystyle Z_ {L} (j \ omega) \;+\; Z_ {N} (j \ omega) \; = \; 0 \,}$

For ikke -reaktive kredsløb ( ) er${\ displaystyle X_ {L} \; = \; X_ {N} \; = \; 0 \,}$ en tilstrækkelig betingelse for stabilitet, at den samlede modstand er positiv

${\ displaystyle Z_ {L}+Z_ {N} = R_ {L}+R_ {N} = R_ {L} -r> 0 \,}$

så CCNR er stabil for

Da CCNR'er er stabile uden belastning overhovedet, kaldes de "åbne kredsløbsstabile" .

• I en VCNR (N-type) negativ modstand, den konduktans funktion er enkelt værdi. Derfor bestemmes stabiliteten af ​​polerne i optagelsesligningen . Af denne grund kaldes VCNR undertiden som en negativ konduktans .${\ displaystyle G_ {N} \; = \; 1/R_ {N}}$${\ displaystyle Y_ {L} (j \ omega) \;+\; Y_ {N} (j \ omega) \; = \; 0}$

Som ovenfor er for ikke -reaktive kredsløb en tilstrækkelig betingelse for stabilitet, at den samlede konduktans i kredsløbet er positiv

${\ displaystyle Y_ {L}+Y_ {N} = G_ {L}+G_ {N} = {1 \ over R_ {L}}+{1 \ over R_ {N}} = {1 \ over R_ {L }}+{1 \ over -r}> 0 \,}$

${\ displaystyle {1 \ over R_ {L}}> {1 \ over r} \,}$

så VCNR er stabil for

Da VCNR'er endda er stabile med en kortsluttet udgang, kaldes de "kortslutningsstabile" .

For generelle negative modstandskredsløb med reaktans skal stabiliteten bestemmes ved standardtest som Nyquist -stabilitetskriteriet . Alternativt i højfrekvent kredsløbsdesign bestemmes de værdier, for hvilke kredsløbet er stabilt, ved en grafisk teknik ved hjælp af "stabilitetscirkler" på et Smith -diagram . ${\ displaystyle Z_ {L} (j \ omega)}$

Driftsområder og applikationer

For simple reaktive negativ modstand enheder med og de forskellige operativsystemer regioner af indretningen kan illustreres ved belastningslinier på I-V kurve (se grafer) . ${\ displaystyle R_ {N} \; = \;-r}$${\ displaystyle X_ {N} \; = \; 0}$

VCNR (N type) belastningslinjer og stabilitetsområder

CCNR (S type) belastningslinjer og stabilitetsområder

DC -belastningslinjen (DCL) er en lige linje bestemt af DC -bias -kredsløbet med ligning

${\ displaystyle V = V_ {S} -IR \,}$

hvor er DC -bias -forsyningsspændingen, og R er forsyningens modstand. De mulige DC -driftspunkt (er) ( Q -punkter ) forekommer, hvor DC -belastningslinjen skærer I – V -kurven. For stabilitet ${\ displaystyle V_ {S}}$

• VCNR'er kræver en bias med lav impedans ( )${\ displaystyle R \; <\; r}$ , f.eks. En spændingskilde .
• CCNR'er kræver en høj impedans bias ( )${\ displaystyle R \;> \; r}$ såsom en strømkilde eller spændingskilde i serie med en høj modstand.

AC -belastningslinjen ( L ₁ - L ₃ ) er en lige linje gennem Q -punktet, hvis hældning er differentialmodstanden (AC), der vender mod enheden. Stigende drejer belastningslinjen mod uret. Kredsløbet fungerer i en af ​​tre mulige regioner (se diagrammer) , afhængigt af . ${\ displaystyle R_ {L} \,}$${\ displaystyle R_ {L} \,}$${\ displaystyle R_ {L} \,}$

• Stabil region (grøn) (illustreret med linje L ₁ ): Når belastningslinjen ligger i dette område, skærer den I – V -kurven på et tidspunkt Q ₁ . For ikke -reaktive kredsløb er det en stabil ligevægt ( poler i LHP), så kredsløbet er stabilt. Negativ modstand forstærkere opererer i denne region. På grund af hysterese kan kredsløbet imidlertid med en energilagringsenhed som en kondensator eller induktor blive ustabil til at lave en ikke -lineær afslapningsoscillator ( astabel multivibrator ) eller en monostabil multivibrator .
  • VCNR'er er stabile når .${\ displaystyle R_ {L} \; <\; r}$
  • CCNR'er er stabile når .${\ displaystyle R_ {L} \;> \; r}$
• Ustabilt punkt (linje L ₂ ): Når belastningslinjen er tangent til I – V -kurven. Kredsløbets samlede differentiale (AC) modstand er nul (poler på jω -aksen), så den er ustabil og kan med et afstemt kredsløb svinge. Lineære oscillatorer fungerer på dette tidspunkt. Praktiske oscillatorer starter faktisk i det ustabile område herunder, med poler i RHP, men efterhånden som amplituden stiger, bliver svingningerne ikke -lineære, og på grund af eventuel passivitet falder den negative modstand r med stigende amplitude, så svingningerne stabiliserer sig ved en amplitude, hvor .${\ displaystyle R_ {L} \; = \; r}$${\ displaystyle r \; = \; R_ {L}}$
• Bistabelt område (rødt) (illustreret med linje L ₃ ): I dette område kan belastningslinjen krydse I – V -kurven på tre punkter. Midtpunktet ( Q ₁ ) er et punkt med ustabil ligevægt (poler i RHP), mens de to ydre punkter, Q ₂ og Q ₃ er stabile ligevægte . Så med korrekt forspænding kan kredsløbet være bistabilt , det konvergerer til et af de to punkter Q ₂ eller Q ₃ og kan skiftes mellem dem med en indgangspuls. Omskiftningskredsløb som flip-flops ( bistabile multivibratorer ) og Schmidt-triggere fungerer i dette område.
  • VCNR'er kan være bistabile når ${\ displaystyle R_ {L} \;> \; r}$
  • CCNR'er kan være bistabile når ${\ displaystyle R_ {L} \; <\; r}$

Aktive modstande - negativ modstand fra feedback

Typiske I – V- kurver for "aktive" negative modstande: N-type (til venstre) og S-type (i midten) , genereret af feedbackforstærkere. Disse har negativ differentialmodstand ( rød region) og producerer strøm (grå region) . Anvendelse af en tilstrækkelig stor spænding eller strøm af enten polaritet til porten flytter enheden til dens ikke -lineære område, hvor mætning af forstærkeren får differentialmodstanden til at blive positiv ( sort del af kurven) , og over forsyningsspændingsskinnerne bliver den statiske modstand positiv og enheden bruger strøm. Den negative modstand afhænger af loopforstærkningen (højre) .${\ displaystyle \ pm V_ {S} \,}$${\ displaystyle A \ beta \,}$

Et eksempel på en forstærker med positiv feedback, der har negativ modstand ved indgangen. Indgangsstrømmen i er så inputmodstanden . Hvis det vil have negativ input modstand.
${\ displaystyle i = {{v-Av} \ over R_ {1}}+{v \ over R _ {\ tekst {i}}} \,}$

${\ displaystyle R = {v \ over i} = {R_ {1} \ over {1+R_ {1}/R _ {\ text {in}}-A}}}$
${\ displaystyle A> 1+R_ {1}/R _ {\ text {in}} \,}$

Ud over de passive enheder med iboende negativ differentialmodstand ovenfor, kan kredsløb med forstærkningsanordninger som transistorer eller op -ampere have negativ modstand i deres porte. Det input eller output impedans på en forstærker med nok positiv feedback påføres det kan være negativ. Hvis er forstærkerens inputmodstand uden feedback, er forstærkerens forstærkning og er feedbackfunktionens overførselsfunktion , er inputmodstanden med positiv shuntfeedback ${\ displaystyle R_ {i} \,}$${\ displaystyle A \,}$${\ displaystyle \ beta (j \ omega) \,}$

${\ displaystyle R _ {\ text {if}} = {\ frac {R _ {\ tekst {i}}} {1-A \ beta}} \,}$

Så hvis løkkeforstærkningen er større end en, vil den være negativ. Kredsløbet fungerer som en "negativ lineær modstand" over et begrænset område, hvor I – V -kurven har et lige liniesegment gennem oprindelsen med negativ hældning (se grafer) . Det har både negativ differentialresistens og er aktiv ${\ displaystyle A \ beta \,}$${\ displaystyle R_ {if} \,}$

${\ displaystyle {\ Delta v \ over \ Delta i} = {v \ over i} = R _ {\ tekst {if}} <0 \,}$

og adlyder således Ohms lov, som om den havde en negativ værdi af modstand −R , over sit lineære område (sådanne forstærkere kan også have mere komplicerede negative modstand I – V -kurver, der ikke passerer gennem oprindelsen).

I kredsløbsteori kaldes disse "aktive modstande". Anvendelse af en spænding over terminalerne forårsager en proportional strøm ud af den positive terminal, det modsatte af en almindelig modstand. For eksempel ville tilslutning af et batteri til terminalerne få batteriet til at oplade frem for afladning.

Disse kredsløb betragtes som en-port-enheder og fungerer på samme måde som de passive negative differentielle modstandskomponenter ovenfor, og ligesom dem kan de bruges til at lave enportsforstærkere og oscillatorer med fordelene:

• fordi de er aktive enheder, kræver de ikke en ekstern DC -bias for at levere strøm, og kan være DC -koblede ,
• mængden af ​​negativ modstand kan varieres ved at justere loopforstærkningen ,
• de kan være lineære kredsløbselementer; Hvis driften er begrænset til det lige segment af kurven nær oprindelsen, er spændingen proportional med strømmen, så de ikke forårsager harmonisk forvrængning .

Den I-V kurve kan have spændingsstyrede ( "N" type) eller strømstyret ( "S" type) negativ modstand, afhængigt af om tilbagekoblingssløjfen er tilsluttet i "shunt" eller "række".

Negative reaktanser (herunder) kan også oprettes, så feedback kredsløb kan bruges til at oprette "aktive" lineære kredsløbselementer, modstande, kondensatorer og induktorer med negative værdier. De bruges meget i aktive filtre, fordi de kan oprette overførselsfunktioner, der ikke kan realiseres med positive kredsløbselementer. Eksempler på kredsløb med denne type negativ modstand er den negative impedansomformer (NIC), gyrator , Deboo -integrator, frekvensafhængig negativ modstand (FDNR) og generaliseret immittansomformer (GIC).

Feedbackoscillatorer

Hvis et LC -kredsløb er forbundet på tværs af indgangen på en positiv feedbackforstærker som den ovenfor, kan den negative differentielle inputmodstand annullere den positive tabsmodstand, der er forbundet med det afstemte kredsløb. Hvis dette i realiteten vil skabe et afstemt kredsløb med nul AC -modstand ( poler på jω -aksen). Spontan svingning vil blive begejstret i det afstemte kredsløb ved sin resonansfrekvens , understøttet af effekten fra forstærkeren. Sådan fungerer feedbackoscillatorer som Hartley eller Colpitts oscillatorer . Denne negative modstandsmodel er en alternativ måde at analysere feedback -oscillator -drift på. Alle lineære oscillatorkredsløb har negativ modstand, selvom det i de fleste feedbackoscillatorer er det afstemte kredsløb en integreret del af feedbacknetværket, så kredsløbet ikke har negativ modstand ved alle frekvenser, men kun i nærheden af ​​oscillationsfrekvensen. ${\ displaystyle R _ {\ tekst {if}}}$${\ displaystyle r _ {\ tekst {tab}}}$${\ displaystyle R _ {\ tekst {if}} \; = \;-r _ {\ tekst {tab}}}$

Q -forbedring

Et afstemt kredsløb, der er forbundet til en negativ modstand, som annullerer nogle, men ikke alle dets parasitære tabsmodstand (så ), vil ikke svinge, men den negative modstand vil reducere dæmpningen i kredsløbet (bevæge sine poler mod jω -aksen) og øge dets Q faktor, så den har en smallere båndbredde og mere selektivitet . Q enhancement, også kaldet regeneration , blev først brugt i den regenerative radiomodtager opfundet af Edwin Armstrong i 1912 og senere i "Q multiplikatorer". Det bruges meget i aktive filtre. F.eks. Bruger RF -integrerede kredsløb integrerede induktorer til at spare plads, bestående af en spiralleder fremstillet på chip. Disse har høje tab og lavt Q, så for at skabe høje Q -afstemte kredsløb øges deres Q ved at anvende negativ modstand. ${\ displaystyle | R _ {\ tekst {if}} | \; <\; r _ {\ tekst {tab}}}$

Kaotiske kredsløb

Kredsløb, der udviser kaotisk adfærd, kan betragtes som kvasi-periodiske eller ikke-periodiske oscillatorer, og som alle oscillatorer kræver en negativ modstand i kredsløbet for at levere strøm. Chua's kredsløb , et simpelt ikke -lineært kredsløb, der i vid udstrækning bruges som standardeksempel på et kaotisk system, kræver en ikke -lineær aktiv modstandskomponent, undertiden kaldet Chua's diode . Dette syntetiseres normalt ved hjælp af et negativt impedansomformer kredsløb.

Negativ impedansomformer

Negativ impedansomformer (venstre) og I – V -kurve (højre) . Det har negativ differentialmodstand i det røde område og kilder til strøm i det grå område.

Et almindeligt eksempel på et "aktivt modstand" kredsløb er den negative impedansomformer (NIC) vist i diagrammet. De to modstande og op-forstærkeren udgør en negativ feedback-ikke-inverterende forstærker med forstærkning på 2. Op-ampens udgangsspænding er ${\ displaystyle R _ {\ tekst {1}}}$

${\ displaystyle v_ {o} = v (R_ {1}+R_ {1})/R_ {1} = 2v \,}$

Så hvis en spænding påføres indgangen, påføres den samme spænding "baglæns" på tværs , hvilket får strøm til at strømme gennem den ud af indgangen. Strømmen er ${\ displaystyle v \,}$${\ displaystyle Z}$

${\ displaystyle i = {\ frac {v-v_ {o}} {Z}} = {\ frac {v-2v} {Z}} =-{\ frac {v} {Z}} \,}$

Så inputimpedansen til kredsløbet er

${\ displaystyle z _ {\ text {in}} = {\ frac {v} {i}} =-Z \, \!}$

Kredsløbet konverterer impedansen til dens negative. Hvis er en modstand af værdi , fungerer inputimpedansen inden for opforstærkerens lineære område som en lineær "negativ modstand" af værdi . Kredsløbets inputport er forbundet til et andet kredsløb, som om det var en komponent. En NIC kan annullere uønsket positiv modstand i et andet kredsløb, for eksempel blev de oprindeligt udviklet til at annullere modstand i telefonkabler, der fungerer som repeatere . ${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle R}$${\ displaystyle V _ {\ text {S}}/2 \; <\; v \; <\;-V _ {\ text {S}}/2}$${\ displaystyle -R}$

Negativ kapacitans og induktans

Ved at udskifte i ovenstående kredsløb med en kondensator ( ) eller induktor ( ) kan negative kapacitanser og induktanser også syntetiseres. En negativ kapacitans vil have en I – V relation og en impedans på ${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle C}$${\ displaystyle L}$ ${\ displaystyle Z _ {\ tekst {C}} (j \ omega)}$

${\ displaystyle i = -C {dv \ over dt} \ qquad \ qquad Z_ {C} =-1/j \ omega C \,}$

hvor . Anvendelse af en positiv strøm til en negativ kapacitans vil få den til at aflade ; dens spænding vil falde . Tilsvarende vil en negativ induktans have en I – V karakteristik og impedans på ${\ displaystyle C \;> \; 0}$${\ displaystyle Z _ {\ tekst {L}} (j \ omega)}$

${\ displaystyle v = -L {di \ over dt} \ qquad \ qquad Z_ {L} =-j \ omega L \,}$

Et kredsløb med negativ kapacitans eller induktans kan bruges til at annullere uønsket positiv kapacitans eller induktans i et andet kredsløb. NIC -kredsløb blev brugt til at annullere reaktans på telefonkabler.

Der er også en anden måde at se på dem. I en negativ kapacitans vil strømmen være 180 ° modsat i fase til strømmen i en positiv kapacitans. I stedet for at føre spændingen med 90 ° vil den sænke spændingen med 90 °, som i en induktor. Derfor virker en negativ kapacitans som en induktans, hvor impedansen har en omvendt afhængighed af frekvens ω; faldende i stedet for at stige som en reel induktans På samme måde fungerer en negativ induktans som en kapacitans, der har en impedans, der stiger med frekvensen. Negative kapacitanser og induktanser er "ikke-Foster" kredsløb, der overtræder Fosters reaktans sætning . En applikation, der undersøges, er at oprette et aktivt matchende netværk, der kan matche en antenne til en transmissionslinje over et bredt frekvensområde, snarere end kun en enkelt frekvens som med nuværende netværk. Dette ville muliggøre oprettelse af små kompakte antenner, der ville have en bred båndbredde , der overstiger Chu -Harrington -grænsen .

Oscillatorer

En oscillator bestående af en Gunn -diode inde i en hulrumsresonator . Diodens negative modstand ophidser mikrobølgeoscillationer i hulrummet, som udstråler gennem åbningen til en bølgeleder (ikke vist) .

Negative differentialmodstandsenheder bruges i vid udstrækning til fremstilling af elektroniske oscillatorer . I en oscillator med negativ modstand er en negativ differentialmodstandsindretning såsom en IMPATT -diode , Gunn -diode eller et mikrobølgevakuumrør forbundet over en elektrisk resonator, såsom et LC -kredsløb , en kvartskrystal , dielektrisk resonator eller hulrumsresonator med en DC -kilde til bias enheden i dens negative modstandsområde og levere strøm. En resonator, såsom et LC -kredsløb, er "næsten" en oscillator; den kan lagre oscillerende elektrisk energi, men fordi alle resonatorer har intern modstand eller andre tab, dæmpes svingningerne og henfalder til nul. Den negative modstand annullerer resonatorens positive modstand, hvilket i realiteten skaber en tabsfri resonator, hvor spontane kontinuerlige svingninger forekommer ved resonatorens resonansfrekvens .

Anvendelser

Negative resistensoscillatorer bruges hovedsageligt ved høje frekvenser i mikrobølgeområdet eller derover, da feedbackoscillatorer fungerer dårligt ved disse frekvenser. Mikrobølgedioder bruges i lav- til mellemstore oscillatorer til applikationer såsom radarhastighedspistoler og lokale oscillatorer til satellitmodtagere . De er en meget udbredt kilde til mikrobølgeenergi og stort set den eneste solid-state kilde til millimeterbølge- og terahertz- energi Negativ modstand mikrobølge vakuumrør som magnetroner producerer højere effekt, i applikationer som radarsendere og mikrobølgeovne . Lavere frekvens afslapningsoscillatorer kan laves med UJT'er og gasudladningslamper såsom neonlamper .

Oscillatormodellen med negativ modstand er ikke begrænset til enheder med en port som dioder, men kan også anvendes på feedbackoscillatorkredsløb med to portenheder , såsom transistorer og rør . Desuden bruges transistorer i moderne højfrekvente oscillatorer i stigende grad som enports negative modstandsenheder som dioder. Ved mikrobølgefrekvenser kan transistorer med visse belastninger påført den ene port blive ustabil på grund af intern feedback og vise negativ modstand i den anden port. Så højfrekvente transistoroscillatorer er designet ved at påføre en reaktiv belastning på den ene port for at give transistoren negativ modstand og forbinde den anden port over en resonator for at lave en negativ modstandsoscillator som beskrevet nedenfor.

Gunn diode oscillator

Gunn diode oscillator kredsløb

AC ækvivalent kredsløb

Gunn diode oscillator belastningslinjer .
DCL : DC -belastningslinje, der angiver Q -punktet.
SSL : negativ modstand under opstart, mens amplituden er lille. Da poler er i RHP og amplituden af ​​svingninger stiger. LSL : belastningslinje med stort signal. Når den aktuelle sving nærmer sig kanterne af den negative modstandsregion (grøn) , forvrænges sinusbølgetoppene ("klippet") og falder, indtil den er lig .${\ displaystyle r \; <\; R}$
${\ displaystyle r}$${\ displaystyle R}$

Den fælles Gunn-diode oscillator (kredsløbsdiagrammer) illustrerer, hvordan negativ modstand oscillatorer arbejde. Dioden D har spændingsstyret ("N" type) negativ modstand, og spændingskilden forspænder den i dens negative modstandsområde, hvor dens differentialmodstand er . Den choke RFC forhindrer vekselstrøm i at strømme gennem forspændingskilden. er den ækvivalente modstand på grund af dæmpning og tab i det seriestemede kredsløb plus eventuel belastningsmodstand. Analyse af vekselstrømskredsløbet med Kirchhoffs spændingslov giver en differentialligning for , vekselstrømmen ${\ displaystyle V _ {\ tekst {b}}}$${\ displaystyle dv/di \; = \;-r}$ ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle LC}$${\ displaystyle i (t)}$

${\ displaystyle {\ frac {d^{2} i} {dt^{2}}}+{\ frac {Rr} {L}} {\ frac {di} {dt}}+{\ frac {1} {LC}} i = 0 \,}$

At løse denne ligning giver en løsning af formen

${\ displaystyle i (t) = i_ {0} e^{\ alpha t} \ cos (\ omega t+\ phi) \,}$     hvor    ${\ displaystyle \ alpha = {\ frac {rR} {2L}} \ quad \ omega = {\ sqrt {{\ frac {1} {LC}}-\ venstre ({\ frac {rR} {2L}} \ højre)^{2}}} \,}$

Dette viser, at strømmen gennem kredsløbet, , varierer med tiden om DC Q punkt , . Når den startes fra en nul -startstrøm, svinger strømmen sinusformet ved resonansfrekvensen ω i det afstemte kredsløb, med amplitude enten konstant, stigende eller faldende eksponentielt afhængigt af værdien af α . Om kredsløbet kan opretholde stabile svingninger afhænger af balancen mellem og , den positive og negative modstand i kredsløbet: ${\ displaystyle i (t)}$${\ displaystyle I _ {\ text {bias}}}$${\ displaystyle i (t) \; = \; i_ {0}}$ ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle r}$

1. 
   ${\ displaystyle r <R \ Højre pil \ alpha <0 \,}$: ( poler i venstre halvplan) Hvis diodenes negative modstand er mindre end den positive modstand i det afstemte kredsløb, er dæmpningen positiv. Eventuelle svingninger i kredsløbet vil miste energi som varme i modstanden og dø væk eksponentielt til nul, som i et almindeligt afstemt kredsløb. Så kredsløbet svinger ikke.${\ displaystyle R}$
2. 
   ${\ displaystyle r = R \ Højre pil \ alpha = 0 \,}$: (poler på jω -aksen) Hvis de positive og negative modstande er ens, er netmodstanden nul, så dæmpningen er nul. Dioden tilføjer lige nok energi til at kompensere for energi tabt i det afstemte kredsløb og belastning, så svingninger i kredsløbet, når de først er startet, vil fortsætte med en konstant amplitude. Dette er tilstanden under steady-state drift af oscillatoren.
3. 
   ${\ displaystyle r> R \ Højre pil \ alpha> 0 \,}$: (poler i højre halvplan) Hvis den negative modstand er større end den positive modstand, er dæmpning negativ, så svingninger vil vokse eksponentielt i energi og amplitude. Dette er betingelsen under opstart.

Praktiske oscillatorer er designet i område (3) ovenfor, med netto negativ modstand, for at få oscillationer i gang. En udbredt tommelfingerregel er at lave . Når strømmen tændes, giver elektrisk støj i kredsløbet et signal om at starte spontane svingninger, som vokser eksponentielt. Svingningerne kan dog ikke vokse for evigt; diodenes ikke -linearitet begrænser til sidst amplituden. ${\ displaystyle R \; = \; r/3}$${\ displaystyle i_ {0}}$

Ved store amplituder er kredsløbet ikke -lineært, så den lineære analyse ovenfor gælder ikke strengt, og differential modstand er udefineret; men kredsløbet kan forstås ved at betragte det som den "gennemsnitlige" modstand over cyklussen. Da sinusbølgeens amplitude overstiger bredden af ​​det negative modstandsområde og spændingssvinget strækker sig ind i kurvens områder med positiv differentialmodstand, bliver den gennemsnitlige negative differentialmodstand mindre, og dermed bliver den samlede modstand og dæmpningen mindre negativ og til sidst bliver positivt. Derfor vil svingningerne stabilisere sig ved den amplitude, ved hvilken dæmpningen bliver til nul, hvilket er hvornår . ${\ displaystyle r}$${\ displaystyle r}$${\ displaystyle R \;-\; r}$${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle r \; = \; R}$

Gunn -dioder har negativ modstand i området −5 til −25 ohm. I oscillatorer hvor er tæt på ; bare lille nok til at tillade oscillatoren at starte, vil spændingssvinget for det meste være begrænset til den lineære del af I – V -kurven, outputbølgeformen vil være næsten sinusformet og frekvensen vil være mest stabil. I kredsløb, hvor der er langt under , strækker svinget sig længere ind i den ikke -lineære del af kurven, klipningsforvrængningen af ​​udgangssinusbølgen er mere alvorlig, og frekvensen vil i stigende grad være afhængig af forsyningsspændingen. ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle r}$${\ displaystyle R}$${\ displaystyle r}$

Kredsløbstyper

Oscillator kredsløb med negativ modstand kan opdeles i to typer, der bruges med de to typer af negativ differential modstand - spændingsstyret (VCNR) og strømstyret (CCNR)

• Negativ modstand (spændingsstyret) oscillator: Da VCNR ("N" type) enheder kræver en lav impedans bias og er stabile for belastningsimpedanser mindre end r , har det ideelle oscillator kredsløb til denne enhed formen vist øverst til højre, med en spænding kilde V _-bias til at forspænde enheden i dens negative modstandsområde og parallelle resonanskredsløb belastning LC . Resonanskredsløbet har kun høj impedans ved sin resonansfrekvens, så kredsløbet vil være ustabilt og kun svinge ved denne frekvens.

• Negativ konduktans (strømstyret) oscillator: CCNR ("S" type) enheder kræver derimod en høj impedans bias og er stabile for belastningsimpedanser større end r . Det ideelle oscillator kredsløb er som det nederst til højre med en strømkilde bias I _bias (som kan bestå af en spændingskilde i serie med en stor modstand) og serie resonanskredsløb LC . Seriens LC -kredsløb har kun lav impedans ved sin resonansfrekvens og vil derfor kun svinge der.

Betingelser for svingning

De fleste oscillatorer er mere komplicerede end Gunn -diodeeksemplet, da både den aktive enhed og belastningen kan have reaktans ( X ) samt modstand ( R ). Moderne oscillatorer med negativ modstand er designet af en frekvensdomæneteknik på grund af K. Kurokawa. Kredsløbsdiagrammet forestilles at blive opdelt med et " referenceplan " (rødt), der adskiller den negative modstandsdel, den aktive enhed, fra den positive modstandsdel, resonanskredsløbet og udgangsbelastningen (højre) . Den komplekse impedans af den negative modstandsdel afhænger af frekvensen ω, men er også ulineær, generelt faldende med amplituden af ​​AC -oscillationsstrømmen I ; mens resonatordelen er lineær, afhænger kun af frekvens. Kredsløbsligningen er, så den vil kun oscillere (har nul I ) ved frekvensen ω og amplitude I, for hvilken den totale impedans er nul. Dette betyder, at størrelsen af ​​de negative og positive modstande skal være ens, og reaktanserne skal være konjugerede${\ displaystyle Z_ {N} = R_ {N} (I, \ omega)+jX_ {N} (I, \ omega) \,}$${\ displaystyle Z_ {L} = R_ {L} (\ omega)+jX_ {L} (\ omega) \,}$${\ displaystyle (Z_ {N}+Z_ {L}) I = 0 \,}$${\ displaystyle Z_ {N}+Z_ {L} \,}$

${\ displaystyle R_ {N} \ leq -R_ {L} \,}$    og    ${\ displaystyle X_ {N} =-X_ {L} \,}$

Ved steady-state-oscillation gælder lighedstegnet. Under opstart gælder uligheden, fordi kredsløbet skal have overskydende negativ modstand for at svingninger kan starte.

Alternativt kan betingelsen for oscillation udtrykkes ved hjælp af reflektionskoefficienten . Spændingsbølgeformen på referenceplanet kan opdeles i en komponent V ₁ rejser mod negativ modstand enhed og en komponent V ₂ rejser i den modsatte retning, mod resonatorens del. Reflektionskoefficienten for den aktive enhed er større end én, mens resonatordelens er mindre end én. Under drift reflekteres bølgerne frem og tilbage i en rundtur, så kredsløbet kun vil svinge, hvis ${\ displaystyle \ Gamma _ {N} = V_ {2}/V_ {1} \,}$${\ displaystyle \ Gamma _ {L} = V_ {1}/V_ {2} \,}$

${\ displaystyle | \ Gamma _ {N} \ Gamma _ {L} | \ geq 1 \,}$

Som ovenfor giver ligheden betingelsen for stabil oscillation, mens uligheden kræves under opstart for at give overdreven negativ modstand. Ovenstående betingelser er analoge med Barkhausen -kriteriet for feedbackoscillatorer; de er nødvendige, men ikke tilstrækkelige, så der er nogle kredsløb, der tilfredsstiller ligningerne, men ikke svinger. Kurokawa udledte også mere komplicerede tilstrækkelige betingelser, som ofte bruges i stedet.

Forstærkere

Negative differentialmodstandsenheder, såsom Gunn- og IMPATT -dioder, bruges også til at lave forstærkere , især ved mikrobølgefrekvenser, men ikke så almindeligt som oscillatorer. Fordi enheder med negativ modstand kun har en port (to terminaler), i modsætning til to-port- enheder såsom transistorer , skal det udgående forstærkede signal forlade enheden ved de samme terminaler, som det indgående signal kommer ind i det. Uden en eller anden måde at adskille de to signaler på er en negativ modstandsforstærker bilateral ; det forstærker i begge retninger, så det lider af følsomhed over for belastningsimpedans og feedback -problemer. For at adskille input og output signaler bruger mange negative modstandsforstærkere ikke -gensidige enheder såsom isolatorer og retningskoblinger .

Refleksionsforstærker

AC ækvivalent kredsløb for refleksionsforstærker

8–12 GHz mikrobølgeforstærker bestående af to kaskade tunneldiode refleksionsforstærkere

Et meget udbredt kredsløb er refleksionsforstærkeren , hvor adskillelsen opnås af en cirkulator . En cirkulator er en ikke- gensidig solid-state- komponent med tre porte (stik), der overfører et signal, der påføres den ene port til den næste i kun én retning, port 1 til port 2, 2 til 3 og 3 til 1. I refleksionsforstærkeren diagram indgangssignalet påføres port 1, en forspændt VCNR -negativ modstandsdiode N er fastgjort gennem et filter F til port 2, og udgangskredsløbet er forbundet til port 3. Inputsignalet sendes fra port 1 til dioden ved port 2, men det udgående "reflekterede" forstærkede signal fra dioden dirigeres til port 3, så der er lille kobling fra output til input. Den karakteristiske impedans for input- og output -transmissionslinjerne , sædvanligvis 50Ω, matches med cirkulatorens portimpedans. Formålet med filteret F er at præsentere den korrekte impedans til dioden for at indstille forstærkningen. Ved radiofrekvenser er NR -dioder ikke rene resistive belastninger og har reaktans, så et andet formål med filteret er at annullere diodereaktansen med en konjugeret reaktans for at forhindre stående bølger. ${\ displaystyle Z_ {0}}$

Filtret har kun reaktive komponenter og absorberer derfor ikke selv nogen effekt, så strøm sendes mellem dioden og portene uden tab. Indgangssignalets effekt til dioden er

${\ displaystyle P _ {\ text {in}} = V_ {I}^{2}/R_ {1} \,}$

Udgangseffekten fra dioden er

${\ displaystyle P _ {\ text {out}} = V_ {R}^{2}/R_ {1} \,}$

Så magt gevinst på forstærkeren er kvadratet på refleksion koefficient ${\ displaystyle G_ {P}}$

${\ displaystyle G _ {\ text {P}} = {P _ {\ text {out}} \ over P _ {\ text {in}}} = {V_ {R}^{2} \ over V_ {I}^{ 2}} = | \ Gamma |^{2} \,}$

${\ displaystyle | \ Gamma |^{2} = {\ Bigg |} {Z_ {N} -Z_ {1} \ over Z_ {N}+Z_ {1}} {\ Bigg |}^{2} \, }$

${\ displaystyle | \ Gamma |^{2} = {\ Bigg |} {R_ {N}+jX_ {N}-(R_ {1}+jX_ {1}) \ over R_ {N}+jX_ {N} +R_ {1}+jX_ {1}} {\ Bigg |}^{2} \,}$

${\ displaystyle R _ {\ tekst {N}}}$er den negative modstand af dioden −r . Forudsat at filteret er tilpasset dioden, så er forstærkningen ${\ displaystyle X_ {1} \; = \;-X_ {N}}$

${\ displaystyle G _ {\ text {P}} = | \ Gamma |^{2} = {(r+R_ {1})^{2}+4X_ {N}^{2} \ over (r-R_ { 1})^{2}} \,}$

VCNR refleksionsforstærkeren ovenfor er stabil for . mens en CCNR -forstærker er stabil til . Det kan ses, at refleksionsforstærkeren kan have ubegrænset forstærkning, der nærmer sig uendeligt, når det nærmer sig svingningspunktet ved . Dette er et kendetegn for alle NR-forstærkere, der står i kontrast til adfærden hos to-ports forstærkere, som generelt har en begrænset forstærkning, men ofte er betingelsesløst stabil. I praksis er forstærkningen begrænset af den bagudrettede "lækage" -kobling mellem cirkulatorportene. ${\ displaystyle R_ {1} \; <\; r}$${\ displaystyle R_ {1} \;> \; r}$${\ displaystyle R _ {\ tekst {1}}}$${\ displaystyle r}$

Masere og parametriske forstærkere er ekstremt støjsvage NR -forstærkere, der også implementeres som refleksionsforstærkere; de bruges i applikationer som radioteleskoper .

Skifte kredsløb

Negative differentialmodstandsanordninger bruges også til at skifte kredsløb , hvor enheden fungerer ulineært, og pludselig skifter fra en tilstand til en anden med hysterese . Fordelen ved at bruge en negativ modstandsenhed er, at en afslapningsoscillator , flip-flop eller hukommelsescelle kan bygges med en enkelt aktiv enhed, hvorimod standardlogikkredsløbet for disse funktioner, Eccles-Jordan multivibratoren , kræver to aktive enheder (transistorer ). Tre koblingskredsløb bygget med negative modstande er

• Astabel multivibrator - et kredsløb med to ustabile tilstande, hvor udgangen periodisk skifter frem og tilbage mellem tilstande. Tiden det forbliver i hver tilstand bestemmes af tidskonstanten for et RC -kredsløb. Derfor er det en afslapningsoscillator og kan producere firkantede eller trekantbølger .
• Monostabil multivibrator - er et kredsløb med en ustabil tilstand og en stabil tilstand. Når der i sin stabile tilstand påføres en puls på indgangen, skifter udgangen til sin anden tilstand og forbliver i den i en periode afhængig af RC -kredsløbets tidskonstant og skifter derefter tilbage til den stabile tilstand. Således kan monostabilen bruges som et timer- eller forsinkelseselement.
• Bistabel multivibrator eller flip -flop - er et kredsløb med to stabile tilstande. En puls ved indgangen skifter kredsløbet til sin anden tilstand. Derfor kan bistabler bruges som hukommelseskredsløb og digitale tællere .

Andre applikationer

Neuronale modeller

Nogle tilfælde af neuroner viser regioner med negative hældningskonduktanser (RNSC) i spændingsklemforsøg. Den negative modstand her antydes, hvis man betragter neuronen som en typisk kredsløbsmodel i Hodgkin -Huxley -stil.

Historie

Negativ modstand blev først anerkendt under undersøgelser af elektriske buer , som blev brugt til belysning i det 19. århundrede. I 1881 havde Alfred Niaudet observeret, at spændingen over lysbueelektroder faldt midlertidigt, når lysbue -strømmen steg, men mange forskere troede, at dette var en sekundær effekt på grund af temperaturen. Udtrykket "negativ modstand" blev anvendt af nogle i denne henseende, men udtrykket var kontroversielt, fordi det var kendt, at modstanden fra en passiv enhed ikke kunne være negativ. Fra 1895 begyndte Hertha Ayrton at udvide sin mand William's forskning med en række omhyggelige eksperimenter, der måler I -V -kurven for buer, fastslog, at kurven havde områder med negativ hældning, hvilket antændte kontroverser. Frith og Rodgers i 1896 med støtte fra Ayrtons introducerede begrebet differential modstand, dv/di , og det blev langsomt accepteret, at buer havde negativ differential modstand. Som anerkendelse af sin forskning blev Hertha Ayrton den første kvinde, der stemte for introduktion til Institute of Electrical Engineers .

Buesendere

George Francis FitzGerald indså først i 1892, at hvis dæmpningsmodstanden i et resonanskredsløb kunne gøres til nul eller negativ, ville det producere kontinuerlige svingninger. Samme år byggede Elihu Thomson en oscillator med negativ modstand ved at forbinde et LC -kredsløb til elektroderne i en bue, måske det første eksempel på en elektronisk oscillator. William Duddell , studerende ved Ayrton ved London Central Technical College, bragte Thomsons lysbue -oscillator til offentlighedens opmærksomhed. På grund af sin negative modstand var strømmen gennem en bue ustabil, og lysbuer ville ofte producere hvæsende, nynnende eller endda hylende lyde. I 1899, da han undersøgte denne effekt, forbandt Duddell et LC -kredsløb på tværs af en bue og den negative modstand ophidsede svingninger i det afstemte kredsløb og frembragte en musikalsk tone fra lysbuen. For at demonstrere sin opfindelse tilsluttede Duddell flere afstemte kredsløb til en bue og spillede en melodi på den. Duddell s " sang bue " oscillator var begrænset til lydfrekvenser. I 1903 øgede danske ingeniører Valdemar Poulsen og PO Pederson imidlertid frekvensen til radioområdet ved at betjene lysbuen i en brintatmosfære i et magnetfelt og opfandt Poulsen lysbuesradiosenderen , som blev brugt i vid udstrækning indtil 1920'erne.

Vakuumrør

I begyndelsen af ​​det 20. århundrede, selvom de fysiske årsager til negativ modstand ikke blev forstået, vidste ingeniører, at det kunne generere svingninger og var begyndt at anvende det. Heinrich Barkhausen i 1907 viste, at oscillatorer skal have negativ modstand. Ernst Ruhmer og Adolf Pieper opdagede, at kviksølvdamplamper kunne producere svingninger, og i 1912 havde AT&T brugt dem til at bygge forstærkende repeatere til telefonlinjer .

I 1918 opdagede Albert Hull ved GE , at vakuumrør kunne have negativ modstand i dele af deres driftsområder på grund af et fænomen kaldet sekundær emission . I et vakuumrør, når elektroner rammer pladeelektroden, kan de banke yderligere elektroner ud af overfladen i røret. Dette repræsenterer en strøm væk fra pladen, hvilket reducerer pladestrømmen. Under visse betingelser forårsager forøgelse af pladespændingen et fald i pladestrømmen. Ved at forbinde et LC -kredsløb til røret skabte Hull en oscillator, dynatronoscillatoren . Andre negative modstandsrøroscillatorer fulgte, såsom magnetron opfundet af Hull i 1920.

Den negative impedansomformer stammer fra arbejde af Marius Latour omkring 1920. Han var også en af ​​de første til at rapportere negativ kapacitans og induktans. Et årti senere blev vakuumrør NIC'er udviklet som telefonlinje repeatere på Bell Labs af George Crisson og andre, som gjorde transkontinentale telefontjeneste muligt. Transistor NIC'er, der blev banebrydende af Linvill i 1953, initierede en stor stigning i interessen for NIC'er og mange nye kredsløb og applikationer udviklet.

Solid state -enheder

Negativ differentialmodstand i halvledere blev observeret omkring 1909 i de første punktkontaktforbindelsesdioder , kaldet cat's whisker detektorer , af forskere som William Henry Eccles og GW Pickard . De bemærkede, at når krydser var forudindtaget med en jævnstrøm for at forbedre deres følsomhed som radiodetektorer, ville de nogle gange bryde ind i spontane svingninger. Effekten blev imidlertid ikke forfulgt.

Den første person, der praktisk talt udnyttede negative modstandsdioder, var den russiske radioforsker Oleg Losev , der i 1922 opdagede negativ differentialresistens i forspændte zinkit ( zinkoxid ) punktkontaktkryds . Han brugte disse til at bygge solid-state forstærkere , oscillatorer og forstærker- og regenerative radiomodtagere 25 år før opfindelsen af ​​transistoren. Senere byggede han endda en superheterodyne -modtager . Men hans præstationer blev overset på grund af succesen med vakuumrørteknologi . Efter ti år opgav han forskningen i denne teknologi (kaldet "Crystodyne" af Hugo Gernsback ), og den blev glemt.

Den første meget anvendte solid-state negativ modstandsenhed var tunneldioden , opfundet i 1957 af den japanske fysiker Leo Esaki . Fordi de har lavere parasitisk kapacitans end vakuumrør på grund af deres lille krydsstørrelse, kan dioder fungere ved højere frekvenser, og tunneldiodeoscillatorer viste sig i stand til at producere strøm ved mikrobølgefrekvenser , over området med almindelige vakuumrørsoscillatorer . Dens opfindelse satte gang i en søgning efter andre negative modstands halvlederanordninger til brug som mikrobølgeoscillatorer, hvilket resulterede i opdagelsen af IMPATT -dioden , Gunn -dioden, TRAPATT -dioden og andre. I 1969 afledte Kurokawa betingelser for stabilitet i negative modstandskredsløb. I øjeblikket er negative differentialmodstandsdiodeoscillatorer de mest udbredte kilder til mikrobølgeenergi, og mange nye enheder med negativ modstand er blevet opdaget i de seneste årtier.

Noter

Referencer

Yderligere læsning

• Gottlieb, Irving M. (1997). Praktisk oscillatorhåndbog . Elsevier. ISBN 978-0080539386. Hvordan negative differentialmodstandsenheder fungerer i oscillatorer.
• Hong, Sungook (2001). Trådløs: Fra Marconis Black-Box til Audion (PDF) . USA: MIT Press. ISBN 978-0262082983., kap. 6 Beretning om opdagelse af negativ modstand og dens rolle i tidlig radio.
• Snelgrove, Martin (2008). "Negative modstandskredsløb" . AccessScience Online Encyclopedia . McGraw-Hill . Hentet 17. maj 2012 . Elementær introduktion på én side til negativ modstand.