负阻抗变换器和回转器的-课程设计报告.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；并且利用负阻抗变换器实现回转器。 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 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U1和I1称为输入电压和输入电流，而把另一端口’处的U2和-I2称为输出电压和输出电流。U1、I1和U2、I2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： 图中U1和I1称为输入电压和输入电流， U2和-I2称为输出电压和输出电流。U1、I1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U1 =U2 ； I1=( )（）式中K1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-I2不仅大小与输入电流I1不同(为I1的1/ K1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U1= U2 ； I1 = 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I1相同，但输出电压U2不仅大小与输入电压U1不同(为U1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 对于VNIC，从输入端口看入的阻抗为 若倒过来，把负载ZL接在输入端口，则有U1=-I1ZL，从输出端口看入，对于CNIC，有 对于VNIC，有 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1-3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 ,即, 根据“虚断”特性，可得，带入上式可得。根据负载上的端电压和电流的参考方向，有，因此从输入端看入的输入阻抗有。因此，端的负载阻抗通过负阻抗变换器，在端可等效为负阻抗（－），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1-4图示： 图1-4 表格1：负阻抗变换器伏安特性测量数据 R3/Ω 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2000 U/V 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 I/mA -10.0 -6.002 -4.288 -3.335 -2.728 -2.309 -2.001 -1.766 -1.580 -1.501 R测/Ω -300 -500 -700 -900 -1100 -1300 -1500 -1700 -1900 -2000 R理/Ω -300 -500 -700 -900 -1100 -1300 -1500 -1700 -1900 -2000 由测量数据知，测量量与理论值非常吻合。 如果在输入端加上正弦激励，如下图1-5所示，通过示波器可以得到电压与电流反相的波形（蓝线电流，红线电压）图1-6。 图1-5 图1-6 (二)由负阻抗变换器可以构成一个具有负内阻的电压源， 其电路见下图1-7，负载端为等效负内阻电压源的输出端。 图1-7 表格2：负内阻电压源负载端电压电流测量值 R4/Ω 500 600 700 800 1000 1500 2000 3000 5000 ∞ U/V 3.753 3.601 3.501 3.430 3.335 3.216 3.139 3.105 3.062 3.000 I/mA 7.504 6.003 5.003 4.288 3.335 2.144 1.580 1.035 0.613 0 利用Excel可以做出其曲线图如下图1-8所示： 图1-8 从图中可以看出，带负内阻电压源的输出电压随输出电流的增加而增加。由此我们还可以得到启发：可以利用负阻抗变换器产生的负阻抗来