回转器的设计

回转器的设计

狄萃 0804210103

摘要：在微电子器件中，电容易于集成，而电感难于集成，解决大电感的集成便成了一个问题。由于回转器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，因此可联想到回转器可以将电容“回转”成电感，因此就有了此次的研究——关于回转

器的设计。我首先是从电流反向型负阻抗变换器开始设计的，接着引用已研究出的负阻抗变

换器来设计回转器。其中采用的核心器件是我们所学过的运算放大器。通过设计出的线路，进行仿真验证线路，以及试验台上的操作。最终根据所得数据，进行处理分析，得到回转器

的回转参数，并实验将电容“回转”成电感。这在工程上是具有重大意义的。

关键词：运算放大器负阻抗变换器回转器 T参数回转参数等效电感

The Design Of Gyrator

Dicui 0804210103

Abstract: In microelectronic devices, the capacitor is easy to integrate, while the integrated inductor is difficult to address the large inductance of integration has become a problem. As the gyrator has put a port voltage (or current) "turn" into another port current (or voltage) capability, so you can think of can be gyrator capacitance "turn" into the inductor, so there will be a current of Research - on the gyrator design. I first reverse from the current type negative impedance converter start designing, and went on to quote a negative impedance converter has been developed to design the rotary device. One device used in the core of what we have learned of the op amp. Through the design of the circuit to circuit simulation, as well as test stand operations. Ultimately in the light of the data processing analysis. The rotary device to be rotation parameters, and experiment will capacitance "turn" into the inductor. This project is of great significance. Keyword: Operational Amplifier;Gyro-conductance; Gyrator; T parameter; Input impedance；Equivalent inductor

引言：该课题是对回转器的研究与设计，最终将得出回转参数，并通过将电容回

转成模拟电感来验证设计的成果。回转器是电路理论中具有实用价值的器件，在

自动控制、仪器仪表、信号变换以及传感器信号采集与处理等电路中实现大时间

常数的一种新方法。黄锦安所编的第二版《电路》教材中给出了符号，对其端口

处伏安关系进行了理论推导，为了使回转器能在教学环节中理论联系实际，我们

进行了回转器的设计，随着实验设施的更新、扩充，我们对回转器进行了仿真分析，同时根据回转器能使容性负载和感性负载互为逆变的原理，通过运算放大器

的回馈作用，使其在自动控制等方面得到了广泛的应用。

一: 实验原理

1 负阻抗变换器

++

-

T=

U

2

电流反向负转换器能转换电流的方向并保持电压的极性不变。 用运算放大器运算放大器构成的电流反向型负阻抗变换器:

图（一）

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Z 1上的端电压和电流的参考方向，有 ， 因此从输入端U 1看入的输入阻抗 。

因此，U 2端的负载阻抗Z 1通过负阻抗变换器，在U 1端可等效为负阻抗（－Z 1），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 ）。其电路伏安特性如图：

图（二）

Z 11u 0130240u u i R u i R =-=-p n u u =12u u =13i i =24i i =12i i =.

.

2

21

U I Z =-..

121..1

2

in U U Z Z I I

===-

2 回转器

图（三）

或 r：回转电阻 g:回转电导，且 r = 1/g

图（四）

当时：

即:通过回转器“回转”后，其等效电感为L=r^2·C。

用负阻抗变换器实现回转器：

图（五）

根据负阻抗变换器的特性，3－3’端口的输入阻抗的并联值，即：

4--4’端口的阻抗与R的串联值，即：

1--1’端口的阻抗与R的并联值，即：

回转电阻r=R.

二：实验仪器和设备

数字示波器1台功率函数发生器1台

直流稳压电源1台可调电阻箱 1只

可调电容箱 1只数字万用表 1只

直流毫安表1只交流毫伏表 1只

运算放大器 2只

三：实验内容及步骤

1 回转电导的测量

（1）实验线路：

图（六）

正弦激励源，电压Us=3V f=1kHz 输出端接可调电阻箱RL 下图中R取100?虚线部分：

图（七）

图（八）

（2）实验数据：

g=0.0099998s

测量相对误差：go=0.01

E =(|g-go|)/go*100%=(0.01-0.0099998)/0.01*100%=0.002%

从测试记录可知， g’和g’’的值都非常接近0.01，以至g也非常接近0.01（即：1/R），所以可以认为该电路图设计的是比较成功的，与理论所算的电导值是符合的。

实验的思考：

从数据中可以看出随着可变电阻的增大，U1是减小的，U2是增大的，I1增大，I2减小，但是我们也可以看到，对于第三组数据，即：RL=300?时，数据有些变化，U1、I2均突然变小，但是最后不影响我们讨论的g，这不知道是偶然还是必然。另外也可以发现，当电阻值取的越大时，电压和电流值都将变化很小了。

2回转器模拟电感的测量

实验基本电路仍上图，仅负载电阻 R 改用进电容箱，在电路输入端口串联一采样电阻Ro=100?，以用示波器测试电路的输入电流．示波器( 上线) 按正弦激励输入端，以测试其输入电压波形，（下线) 接采样电阻 Ro 两端，以测

试其输入电流波形，其等效电路如图 5所示．改变电源频率，和负载电容C．可从示波器上读出电路输入端口①①上的电压与电流闻的相位差，并算出模拟电感的理论值与测试值( 亦可用交流电桥测量) 。

图：

表：

从表中可以看出，当频率 f =200Hz，c=1.000uF时，模拟等效电感的感抗XL=2*3.14Fl=1260>>100,即：XL>>RO,故从电路输入端口看，电路近于纯电感，其端口电压与电流间的相位差为90度。

示波器上所得的图为：

图（九）

从上图可以看出：回转器入端电超前于电流9 0 度，电路呈纯电感性质。因此，通过回转器仿真分析可以得出，回转器将电容回转成了电感。

四结论

电阻经负阻抗转换器后，电阻成为负阻；容性负载经负阻抗转换后变成感性负载。

通过对原理的研究，进行线路的设计，以及参数的设计，再将其到仿真软件上进行仿真，可以得出所设计的电路图是基本满足要求的，也可以得出结论我们所需要测量出的回转参数g，以及它就是R的倒数这样的结论。

通过对将负载电容成功“回转”成一个模拟纯电感，我们可以得出结论：回转器能回转阻抗的特性。而此将广泛用于大规模集成电路，因为在一个极小的单晶片上制造尺寸小，且无损耗的电感元件非常困难，但电容元件却易于制作，利用回转器将电容元件回转为电感元件，即能实现上述要求。

致谢在做此次实验研究过程中，除了查阅了大量资料，还有跟一些做同样研究的同学讨论外，还要感谢我们的电路老师——黄锦安，他在课堂上给我们讲解了回转器，介绍了一些基本的知识，同时也勾起了我的兴趣，所以才有了此次的研究。同时还要感谢我们的电路实验老师——孙建红，我们在集体上机仿真时，讨论了一些困惑的问题，为我在课外继续研究省了很多麻烦，少走了一些弯路。当然还有一些同学，总之，向这些人表示感谢。

参考文献

1 黄锦安主编电路

2 江泽佳主编．电路原理( 下册 ) 北京：高等教育出版社．

3 黄修志主编．线性电路分析．北京高等教育出版社 .

4 华中理工大学电工基础教研室编．电路实验指导书．北京高等教育出版社.

5 邱关源主编．电路( 上册) ．北京：人民教育出版社．

6 徐伟，张晓光. 电路分析和模拟技术【M】.香港：现代知识出版社.