负阻抗变换器实现

实验五 负阻抗变换器的研究

一、实验目的

1． 了解负阻抗变换器的原理及其运放实现。

2． 通过负阻器加深对负电阻(阻抗)特性的认识,掌握对含有负阻的电路的分析测量方法。

二、实验原理

负阻抗变换器(NIC)是一种二端口器件，如图5—1所示。

图5—1

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 1

2121111-===

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

1211

1

22

22

1

1

-==

--== 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CNIC 和VNIC 的原理图。

（a ）

(b)

图5—2

实用上通常采用运算放大器来实现NIC 。本实验所用的CNIC 即由线性集成运算放大器(HA17741型)构成，在一定的电压、电流范围内具有良好的线性度，其原理电路如图5—3所示。

图5—3

我们把选用的运算放大器作为理想运算放大器来处理，则根据理想运算放大器的以下性质：

(1) 电压放大倍数A →∞，即运算放大器的同相、反相两个输入端如果不是直接接在理想电

压源（或受控电压源），则两个输入端的电压相等（虚短路）。 (2) 输入阻抗Z i →∞,即电入两个输入端的电流为零。应有

1U =U 2，I 3Z 1= I 4Z 2 ，I 1=I 3和I 2=I 4，因此，得

I 1Z 1=I 2Z 2

2121

2

1I K I Z Z I ==

式中，K 1=Z 2/Z 1为电流增益。 输入端口1—1’看入的阻抗为

L in Z K I K U I U Z 1

2121111-===

本实验中，取Z 1=R 1=1K Ω，Z 2=R 2=300Ω，得

10

31000300121===

R R K 当Z L =R L 时

L L in R Z K Z 3

10

111-=-

= 当Z j c

L =

1ω时

' 1310111L j C j Z K Z L in ωω=-=-

= 其中，L C

'=

⨯1031

2ω 当Z L =j ωL 时，

'1

310111C j L j Z K Z L in ωω=

-=-

= 其中，C ’=L

21

103ω⨯

三、实验内容

1． 测量负电阻的伏安特性，计算电流增益K 1及等值负阻

图5—4

(1) 接通电源，检查±15V 电压，当电源接入正常时方可进行实验。 (2) 按图5—4接线。

(3) 调节电阻箱使负载电阻R L =500Ω。

(4) CNIC 零点失调电压测量。输入短路，用数字万用表测量R 1上的电压U R1，记下U R1值，

若过大则数据处理时要进行修正。

(5) 改变稳压源输出电压为正、负不同值时分别测量U 1及U R1 记入表1。 (6) R L =1K Ω，重复上述实验，数据表格自行设计。

由前面可知，流入运算放大器输入端的电流为零，故I 1全部流过R 1因此I 1可由式

1

1

1R U I R =

算出。注意U R1的参考方向，当U R1的实际方向与参考方向相反时，测得的U R1读数为负，则I 1也为负值，即I 1的实际方向与参考方向相反。 表1 R

＝500Ω

计算负电阻的平均值n

j R R n

j a

)

_(_1

=∑=

，负电阻的理论计算值

L L R R K R 3

10

11_

-=-=' 表2 误差计算列表如下：

(7) 注意事项

a ． CNIC 的输入电压绝对值∣U 1∣<3(V)，输入电流绝对值∣I 1∣<3(mA)。

b ． 本实验也可采用正弦交流信号源。但应注意信号源内阻R S <8Ω，因CNIC 的1—1`

端口为短路稳定端口，过高的信号源内阻会使CNIC 不稳定。若R S 超过8Ω，则可在信号源输出端口并联一个电阻箱调节电阻箱的阻值使等值输出电阻小于8Ω。应该指出，并联电阻将使信号源输出电压降低，当信号源内阻R S 较大时，尤为严重，这一点要特别注意。

2．测定负内阻电压源的外特性

(1) 按图5—5接线。若稳压电源的内阻近似为零，则1—1′端口的左边部分相当于电源电

压为U s 内阻为R s +R f 1的有源二端网络(R f 1为1FUSE 的熔断丝电阻)。根据CNIC 的性质，2—2′端口的左边电路也等效于一个有源二端网络，而且等效电源电压仍为U s ，等效内阻)()(111

2

1f S f S S R R R R R R K R +-

=+-='为负电阻。