电工电子综合实验报告-负阻抗变换器和回转器

电工电子综合实验报告——负阻抗变换器和回转器的设计

一、摘要

本文提出了利用运算放大器实现：

（1）负阻抗变换器（NIC）的电路

（2）回转器电路

二、引言

1、理想运算放大器有着①开环电压放大倍数A为无穷大；②输入电阻为无穷大；③输出电阻为零的特性。而它在线性工作区的两个特性：“虚短”及“虚短”使得它有了广泛的应用。如比例器、加法器、减法器、积分器等。本文中则是实现了简单的负阻抗变换器和回转器。

2、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。它一般由一个有源二端网络形成一个等值的线性负阻抗。该网络可由线性集成电路或晶体管等元器件组成。

3、回转器是一种二端口网络元件，可用含晶体管或运算放大器的电路来实现。它有着①不消耗能量不存储能量②非记忆元件③线性非互异元件④电量回转作用的特点。也就是说它具有把一个端口的电压（或电流）“回转”成另一端口电流（或电压）的能力。它的一个重要用途就是将电容“回转”成电感，或反之。

三、正文

（一）实验材料与设备装置

本实验采用的是虚拟的方法，所使用的软件为Multisim7。

（二）实验过程

1、用运放设计一负阻抗变换器（NIC）电路

⑴电流反向型负阻抗变换器（INIC）（图1—1）

图1—1 INIC电路

INIC的端口特性可用T参数描述为：U1 1 0 U2 ，其中 1 0

= T=

I1 0 -1/k I2 0 -1 /k

当有负载Zl时，11’端口看进去的端口阻抗Z=U1/I1=kU2/I2，即为Z=-kZ2.

即若22’接电阻R时，端口阻抗为-kR;接电感时，端口阻抗为-kL；接电容时，端口阻抗为-kC。

⑵电压反向型负阻抗变换器（VINC）（图1—2）

图1—2 VNIC电路

VNIC的端口特性可用T参数描述为：U1 -k 0 U2 ，其中-k 0

= T=

I1 0 1 I2 0 1

当有负载Zl时，11’端口看进去的端口阻抗Z=U1/I1=kU2/I2，即为Z=-kZ2.

即若22’接电阻R时，端口阻抗为-kR;接电感时，端口阻抗为-kL；接电容时，端口阻抗为-kC。

总结：利用NIC电路可实现负电阻、负电容及负电感。

⑶实验电路INIC的开路稳定（OCS）及短路稳定（SCS）性的研究

①OCS研究：改变OCS端口的阻值，观察T矩阵中参数k的变化情况。实验线路参见图

1

—3—1a。其中SCS端口接入7V直流电源，元件R1=1000欧，R2=2000欧，R3为

可调。则K理论值为0.5。

图1—3—1a 电流反相型阻抗变换器实验电路a（INIC）

R3 U/V I R=U/I K=-R/R3

OCS端口接入小电阻临界状况

50 7.000 0.028A

500 7.000 0.028A

1000 7.000 0.028A

1001 7.000 -0.014A -500 1050 7.000 -0.013A -538.4

OCS端口接入大电阻1600.0 7.000 -8.753mA -799.7 0.4998 1800.0 7.000 -7.780mA -899.7 0.4998 2000.0 7.000 -7.002mA -999.7 0.4998 2200.0 7.000 -6.365mA -1099.7 0.4999

2400.0 7.000 -5.835mA -1199.6 0.4998 从表中数据我们不难发现当OCS端口接入的电阻值小于1000欧时，电路并不满足上面推导的T矩阵关系式，而接入大于1000欧的电阻时，电路趋于稳定，而实验测得的参数k=0.4998的误差为0.4‰，这说明该电路能很好的满足T矩阵关系式。即OCS端口只允许接高阻抗负载，即满足开路稳定。

②SCS研究：改变SCS端口的阻值，观察T矩阵中参数k的变化情况。实验线路参见图1

—3—1b。其中SCS端口接入7V直流电源，元件R1=1000欧，R2=2000欧，R3=3000欧,R4可调。则K理论值为0.5。

图1—3—1b 电流反相型阻抗变换器实验电路b（INIC）

R4 U/V I R=U/I K=-R/R3 SCS端口接

入小电阻

10 7.047 -4.699mA -1499.7 0.4999

30 7.143 -4.763mA -1499.7 0.4999

50 7.241 -4.828mA -1499.8 0.4999

70 7.342 -4.897mA -1499.3 0.4998

90 7.446 -4.966mA -1499.4 0.4998 临界状况

SCS端口接

入大电阻

667 12.593 -8.397mA -1499.7

668 -4.213 0.017A -247.8

800 -5.443 0.016A

1000 -6.997 0.014A

1200 -8.296 0.013A

从表中数据我们不难发现当SCS端口接入的电阻值大于667欧时，电路并不满足上面推导的T矩阵关系式，而接入小于667欧的电阻时，电路趋于稳定，而实验测得的参数k=0.49986的误差为0.28‰，这说明该电路能很好的满足T矩阵关系式。即SCS端口只允许接低阻抗负载，即满足短路稳定。

⑷实验电路VNIC的开路稳定（OCS）及短路稳定（SCS）性的研究

①OCS研究：改变OCS端口的阻值，观察T矩阵中参数k的变化情况。实验线路参见图1—4—1a。其中OCS端口接入8V直流电源，元件R1=1欧，R2=0.5欧，R3为可调。则K 理论值为2。