负阻抗变换器和回转器的设计

负阻抗变换器和回转器的设计

班级：10042101 姓名：卞翔宇 学号：1004210118

摘要：随着近代电路理论和电工电子技术的发展，在实践中又研究了许多种新型元件，负阻抗变换器（NIC ）就是其中之一，它不但在理论上，而且在实践上都有很重要的意义。通过了解负阻抗变换器（NIC ）和变换器，研究NIC 的性能，利用其作为负内阻电源性能设计回转器。负阻抗是电路理论中的一个重要基本概念，在工程实践中有广泛的应用。负阻的产生除某些非线性元件在某个电压或电流的范围内具有负阻特性外，一般都由—个有源双口网络来形成—个等效的线性负阻抗。该网络由线性集成电路或晶体管等元件组成，这样的网络称作负阻抗变换器。对一种由运算放大器电路构成的我阻抗变换器（ＮＩＣ）做了较详细的研制，给出了该电路在开路、负载以及它与电阻做串、并联联接时的各种直流特性的理论分析和实验结果，实验结果与理论分析一致，最后给出了几种由ＮＩＣ构成的正弦振荡器电路，以及这种电路的调示特点及方法。 关键词：复阻抗变换器 回转器 运算放大器 二端口网络

引言：预习运算放大器的工作原理； 预习用运算放大器构成负阻抗变换器的基本原理； 要求学生掌握示波器、信号发生器几相关仪器的使用。回转器是理想回转器的简称。它是一种新型的双口元件，其特性表现为它能将一端口上的电压（或电流“回转”为另一端口上的电流（或电压）。用回转器可以把一个电容回转成一个电感元件，同样可以把一个电感回转成一个电容。设计要求用运算放大器设计一个负阻抗变换器（NIC ）电路，研究电流反相型复阻抗变换器（INIC ）和电压反相型复阻抗变换器（VNIC ）的特性，并用运算放大器设计一个回转器电路，测量其回转参数g 。实负阻抗变换器（NIC ）是一种二端口器件，是电路理论中的一个重要的基本概念，在工程实践中也有广泛的应用。实验中应注意1．信号发生器（ 电源）的输出，应由小到大调节，不宜过大。 否则，运算放大器不能正常工作，甚至损坏。用示波器观测波形时，要考虑接地点的选择。

回转器的工作条件是u1、i1的波形必须是正弦波，为了避免运放进入饱和状态使波形失真，必须减小输入信号电压的幅度，所以在实验过程中，应该用示波器监视回转器输入端口的波形。

正文：负阻抗模型按二端口网络输入电压，电流与输出电压和电流的关系，可分为电流反相型（INIC ）和电压反相型（VNIC ）复阻抗变换器两种。通常，把端口1—1’处的U 1和I 1称为输入电压和输入电流，而把端口2—2’

处的U 2和-I 2称为输出电压和输出电流。U 1、I 1和U 2、I 2的指定参考方向如图5—1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(CNIC)和电压反向型(VNIC)两种，对于CNIC ，有 U 1 =U 2 I 1=( 1K -)（2I -）

式中K 1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-I 2不仅大小与输入电流I 1不同(为I 1的1/ K 1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I 2的参考方向相同)。对于VNIC ，有

U 1= 2K - U 2 I 1 = 2I -

式中K 2是正的实常数，称为电压增益。由上式可见，输出电流-I 2与输入电流I 1相同，但输出电压U 2不仅大小与输入电压U 1不同(为U 1的1/K 2倍)而且方向也相反。若在NIC 的输出端口2—2’接上负载Z L ，则有U 2= -I 2Z L 。对于CNIC ，从输入端口1—1’

看入的阻抗为 L in Z K I K U I U Z 12121111-=== 对于VNIC ，从输入端口1—1`看入的阻抗为

L in Z K I U K I U K I U Z 22

22222111-==--== 若倒过来，把负载Z L 接在输入端口1—1’，则有U 1=-I 1Z L ，从输出端口2—2’看入，

对于CNIC ，有

L in Z K I U K I K U I U Z 111111

12221-==== 对于VNIC ，有 L in Z K I K U I U K I U Z 2

12111222211-==--== 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。

NIC 可用受控源来实现，图5—2（a ）和（b ）分别给出了实现INIC 和VNIC 的原理图。

INIC 仿真图

Z11=4 Z12=-4 Z21=2 Z22=-2

VNIC仿真图

Z11=360 Z12=445 Z21=180 Z22=223

回转器有把一个端口上的电流“回转”为另一端口上的电压或相反过程的性质。正是由于这一性质，使回转器具有把一个电容（电感）回转为一个电感（电容）的本领。用电容元件来模拟电感器是回转器的主要应用之一，特别是模拟大电感量和低损耗的电感器。

理想回转器视为二端口，端口电压、电流用方程表示

u1＝-ri2 u2＝ri1 (16-11)

或写为

i1=gu2 i2＝-gu1 (16-12)

式中r、g分别有电阻和电导量纲。称回转电阻和回转电导，简称回转常数。如图回转器可计算的g=-1/R5=0.001S-1

下图为回转器设计电路仿真图

根据改变U1电压所得数据得出下列表格

两个波形图大致相同，模拟成功。

结论：实负阻抗变换器（NIC）是一种二端口器件，是电路理论中的一个重要的基本

概念，在工程实践中也有广泛的应用。加深对负阻抗概念的认识，掌握对含有负阻抗电路分析研究方法。运用电流反相型复阻抗变换器（INIC）和电压反相型复阻抗变换器（VNIC）的设计电路了解负阻抗变换器的组成原理及其应用并证明了电流反相型复阻抗变换器（INIC）和电压反相型复阻抗变换器（VNIC）的开路稳定（OCS）及短路稳定（SCS）性。熟练运用矩阵掌握负阻抗变换器的各种测试方法。参考设计思考设计出回转器电路了解回转器的基本特性及应用。运用控制变量法学习测量回转器的基本参数g。运用示波器的原理大致验证了回转器把电容能回转成电感的特性。了解和掌握负阻抗变换器的组成原理及其应用。并通过实验具体观察实验现象。负阻抗转换器的负载为电阻R 时，从输入端看入，相当于一个负电阻（－R）。即当输入电流增大时，其端口电压下降；反之，端口电压增大。负阻抗转换器的负载为R与C串联连接的容性负载，并在输入端并联电阻R，则该电路的输入阻抗可等值为R与L串联的感性负载，等值电感C R^2 。u1＝-ri2 u2＝ri1 (16-11)

i1=gu2 i2＝-gu1 (16-12)

从式中可见，回转器有把一个端口电流“回转”为另一端口电压或相反过程的性质。这一性质使回转器具有把电容回转为电感的本领，在微电子器件中为用易于集成的电容实现难于集成的电感提供可能。

感谢：感谢编著《电工仪表与电路实验技术》的马鑫金老师。

参考文献：《电工仪表与电路实验技术》