Отрицательное сопротивление

Люминесцентная лампа , устройство с отрицательным дифференциальным сопротивлением. ^{[1] [2]} Во время работы увеличение тока через люминесцентную лампу вызывает падение напряжения на ней. Если бы трубка была подключена непосредственно к линии электропередачи, падение напряжения на трубке привело бы к протеканию все большего и большего тока, вызывая вспышку дуги и саморазрушение. ^{[1] [3]} Для предотвращения этого люминесцентные лампы подключаются к линии электропередачи через балласт . Балласт добавляет к цепи положительный импеданс (сопротивление переменному току), чтобы противодействовать отрицательному сопротивлению трубки, ограничивая ток. ^[1]

В электронике , отрицательное сопротивление ( NR ) представляет собой свойство некоторых электрических цепей и устройств , в которых увеличение напряжения на клеммах результатов аппарата в уменьшении электрического тока через него. ^{[4] [5]}

Это отличается от обычного резистора, в котором увеличение приложенного напряжения вызывает пропорциональное увеличение тока из-за закона Ома , что приводит к положительному сопротивлению . ^[6] В то время как положительное сопротивление потребляет энергию от проходящего через него тока, отрицательное сопротивление производит энергию. ^{[7] [8]} При определенных условиях он может увеличивать мощность электрического сигнала, усиливая его. ^{[3] [9] [10]}

Отрицательное сопротивление - это необычное свойство, которое встречается в некоторых нелинейных электронных компонентах. В нелинейном устройстве можно определить два типа сопротивления: «статическое» или «абсолютное сопротивление», отношение напряжения к току , и дифференциальное сопротивление , отношение изменения напряжения к результирующему изменению тока . Сопротивление Термин означает отрицательное отрицательное дифференциальное сопротивление (NDR) , . Как правило, отрицательное дифференциальное сопротивление представляет собой компонент с двумя выводами, который может усиливаться , ^{[3] [11]} преобразовывая мощность постоянного тока, подаваемую на его выводы, в переменный ток.${\ Displaystyle v / я \,}$${\ displaystyle \ Delta v / \ Delta i}$${\ Displaystyle \ Delta v / \ Delta i \; <\; 0}$выходная мощность для усиления сигнала переменного тока, подаваемого на те же клеммы. ^{[7] [12]} Они используются в электронных генераторах и усилителях , ^[13] особенно на микроволновых частотах. Большая часть микроволновой энергии производится устройствами с отрицательным дифференциальным сопротивлением. ^[14] Они также могут иметь гистерезис ^[15] и быть бистабильными , поэтому используются в схемах переключения и памяти . ^[16] Примерами устройств с отрицательным дифференциальным сопротивлением являются туннельные диоды , диоды Ганна игазоразрядные трубки, такие как неоновые лампы и люминесцентные лампы . Кроме того, схемы, содержащие усилительные устройства, такие как транзисторы и операционные усилители с положительной обратной связью, могут иметь отрицательное дифференциальное сопротивление. Они используются в генераторах и активных фильтрах .

Поскольку они нелинейны, устройства с отрицательным сопротивлением имеют более сложное поведение, чем положительные «омические» сопротивления, обычно встречающиеся в электрических цепях . В отличие от большинства положительных сопротивлений, отрицательное сопротивление изменяется в зависимости от напряжения или тока, приложенного к устройству, а устройства с отрицательным сопротивлением могут иметь отрицательное сопротивление только в ограниченной части своего диапазона напряжения или тока. ^{[10] [17]} Следовательно, не существует реального «отрицательного резистора», аналогичного положительному резистору , который имеет постоянное отрицательное сопротивление в произвольно широком диапазоне токов.

Определения [ править ]

Сопротивление между двумя клеммами электрического устройства или схемы определяется его вольт-амперной ( I-V ) кривой ( характеристической кривой ), что дает ток через него для любого заданного напряжения через нее. ^[18] Большинство материалов, включая обычные (положительные) сопротивления, встречающиеся в электрических цепях, подчиняются закону Ома ; ток через них пропорционален напряжению в широком диапазоне. ^[6] Таким образом, ВАХ омического сопротивления представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат с положительным наклоном. Сопротивление - это отношение напряжения к току, обратный наклон линии (в I – V${\ Displaystyle я \,}$${\ displaystyle v \,}$графики, где напряжение - независимая переменная) и постоянно.${\ displaystyle v \,}$

Отрицательное сопротивление возникает в некоторых нелинейных (неомных) устройствах. ^[19] В нелинейном компоненте ВАХ не является прямой линией, ^{[6] [20]} поэтому не подчиняется закону Ома. ^[19] Сопротивление все еще можно определить, но сопротивление не является постоянным; он зависит от напряжения или тока в устройстве. ^{[3] [19]} Сопротивление такого нелинейного устройства можно определить двумя способами, ^{[20] [21] [22],} которые равны для омических сопротивлений: ^[23]

• Статическое сопротивление (также называемое хордальным сопротивлением , абсолютным сопротивлением или просто сопротивлением ) - это общее определение сопротивления; напряжение, деленное на ток: ^{[3] [18] [23]}

${\ Displaystyle R _ {\ mathrm {static}} = {v \ over i} \,}$.

Это обратный наклон прямой ( хорды ) от начала координат до точки на ВАХ . ^[6] В источнике питания, таком как батарея или электрический генератор , положительный ток вытекает из положительного вывода напряжения ^[26], противоположного направлению тока в резисторе, поэтому из соглашения о пассивных знаках и имеют противоположные знаки, представляющие точки, лежащие во 2-м или 4-м квадранте плоскости ВАХ (диаграмма справа) . Таким образом, источники питания формально имеют отрицательное статическое сопротивление ( ^{[23] [27] [28]}${\ Displaystyle я \,}$${\ displaystyle v \,}$${\ displaystyle R _ {\ text {static}} \; <\; 0).}$Однако на практике этот термин никогда не используется, потому что термин «сопротивление» применяется только к пассивным компонентам. ^{[29] [30] [31]} Статическое сопротивление определяет рассеиваемую мощность в компоненте. ^{[25] [30]} Пассивные устройства, потребляющие электроэнергию, обладают положительным статическим сопротивлением; а активные устройства, вырабатывающие электроэнергию, - нет. ^{[23] [27] [32]}

• Дифференциальное сопротивление (также называемое динамическим , ^{[3] [22]} или инкрементным ^[6] сопротивлением) - это производная напряжения по току; отношение небольшого изменения напряжения к соответствующему изменению тока, ^[9] обратный наклон от I-V кривой в точке:

${\ displaystyle r _ {\ mathrm {diff}} = {\ frac {dv} {di}} \,}$.

Дифференциальное сопротивление относится только к переменным во времени токам. ^[9] Точки на кривой с отрицательным наклоном (наклон вправо), означающим, что увеличение напряжения вызывает уменьшение тока, имеют отрицательное дифференциальное сопротивление ( )${\ Displaystyle г _ {\ текст {diff}} \; <\; 0}$ . ^{[3] [9] [20]} Устройства этого типа могут усиливать сигналы, ^{[3] [11] [13]} и являются тем, что обычно подразумевается под термином «отрицательное сопротивление». ^{[3] [20]}

Отрицательное сопротивление, как и положительное, измеряется в омах .

Проводимость является обратной по сопротивлению . ^{[33] [34]} Она измеряется в сименсах (ранее мксит ) , который является проводимостью резистора с сопротивлением одного Ом . ^[33] Каждый тип сопротивления, определенный выше, имеет соответствующую проводимость ^[34]

• Статическая проводимость

${\ displaystyle G _ {\ mathrm {static}} = {1 \ over R _ {\ mathrm {static}}} = {i \ over v} \,}$

• Дифференциальная проводимость

${\displaystyle g_{\mathrm {diff} }={1 \over r_{\mathrm {diff} }}={di \over dv}\,}$

Можно видеть, что проводимость имеет тот же знак, что и соответствующее сопротивление: отрицательное сопротивление будет иметь отрицательную проводимость ^{[примечание 1],} а положительное сопротивление будет иметь положительную проводимость. ^{[28] [34]}

Рис. 2: ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением ( красная область) . ^[23] Дифференциальное сопротивление в точке P - это обратный наклон касательной к графику в этой точке.${\displaystyle r_{\text{diff}}\,}$

${\displaystyle r_{\text{diff}}={\frac {\Delta v}{\Delta i}}={\frac {v_{2}-v_{1}}{i_{2}-i_{1}}}\,}$

Так как и , в точке P .${\displaystyle \Delta v\;>\;0}$${\displaystyle \Delta i\;<\;0}$ ${\displaystyle r_{\text{diff}}\;<\;0}$

Рис. 3: ВАХ источника питания. ^[23] Во 2-м квадранте ( красная область) ток вытекает из положительного вывода, поэтому электрическая энергия течет из устройства в цепь. Например, в точке P , и поэтому${\displaystyle v\;<\;0}$${\displaystyle i\;>\;0}$
${\displaystyle R_{\text{static}}={v \over i}<0\,}$

Рис. 4: ВАХ отрицательного линейного ^[8] или «активного» сопротивления ^{[24] [35] [36]} (AR, красный ) . Имеет отрицательное дифференциальное сопротивление и отрицательное статическое сопротивление (активно):

${\displaystyle R={\Delta v \over \Delta i}={v \over i}<0\,}$

Операция [ править ]

Одним из способов различения различных типов сопротивления является направление тока и электроэнергии между схемой и электронным компонентом. На приведенных ниже иллюстрациях с прямоугольником, представляющим компонент, подключенный к цепи, показано, как работают различные типы:

Переменные напряжения v и тока i в электрическом компоненте должны быть определены в соответствии с соглашением о пассивных знаках ; положительный условный ток определен для входа на клемму положительного напряжения; это означает, что мощность P, текущая из схемы в компонент, определяется как положительная, в то время как мощность, текущая из компонента в схему, является отрицательной. [25] [31] Это относится как к постоянному, так и к переменному току. На диаграмме показаны направления для положительных значений переменных.
При положительном статическом сопротивлении , поэтому v и i имеют одинаковый знак. [24] Следовательно, из приведенного выше соглашения о пассивных знаках, обычный ток (поток положительного заряда) проходит через устройство от положительного вывода к отрицательному в направлении электрического поля E (убывающий потенциал ). [25] таким образом, заряды теряют потенциальную энергию, выполняя работу с устройством, и электрическая энергия перетекает из схемы в устройство, [24] [29] где она преобразуется в тепло или другую форму энергии (желтый)${\displaystyle R_{\text{static}}\;=\;v/i\;>\;0}$ ${\displaystyle P\;=\;vi\;>\;0}$. Если напряжение переменного тока применяется, и периодически меняет направление, но мгновенное всегда течет от более высокого потенциала к более низкому потенциалу.${\displaystyle v}$${\displaystyle i}$${\displaystyle i}$
В источнике питания , , [23] , так и имеют противоположные знаки. [24] Это означает, что ток принудительно течет от отрицательной клеммы к положительной. [23] Заряды приобретают потенциальную энергию, поэтому энергия перетекает из устройства в цепь: [23] [24] . Работа (желтый) должна выполняться с зарядами каким-либо источником энергии в устройстве, чтобы заставить их двигаться в этом направлении против силы электрического поля.${\displaystyle R_{\text{static}}\;=\;v/i\;<\;0}$${\displaystyle v}$${\displaystyle i}$ ${\displaystyle P\;=\;vi\;<\;0}$
В пассивном отрицательных дифференциальном сопротивлении , только компонент переменного тока протекает в обратном направлении. Сопротивление статического положительно [6] [9] [21] Таким образом, ток течет от положительного до отрицательного: . Но ток (скорость потока заряда) уменьшается с увеличением напряжения. Таким образом, когда переменное во времени (AC) напряжение применяется в дополнение к постоянному напряжению (справа) , изменяющиеся во времени компоненты тока и напряжения имеют противоположные знаки, так что . [37] Это означает, что мгновенный переменный ток течет через устройство в направлении увеличения переменного напряжения.${\displaystyle r_{\text{diff}}\;=\;\Delta v/\Delta i\;<\;0}$${\displaystyle P\;=\;vi\;>\;0}$${\displaystyle \Delta i\,}$${\displaystyle \Delta v\,}$${\displaystyle P_{\text{AC}}\;=\;\Delta v\Delta i\;<\;0}$${\displaystyle \Delta i\,}$${\displaystyle \Delta v\,}$, поэтому мощность переменного тока перетекает из устройства в цепь. Устройство потребляет мощность постоянного тока, часть которой преобразуется в мощность сигнала переменного тока, которая может подаваться на нагрузку во внешней цепи [7] [37], позволяя устройству усиливать сигнал переменного тока, подаваемый на него. [11]

Типы и терминология [ править ]

В электронном устройстве дифференциальное сопротивление , статическое сопротивление или и то и другое могут быть отрицательными ^[24], поэтому существует три категории устройств (рис. 2–4 выше и таблица), которые можно назвать «отрицательными сопротивлениями».${\displaystyle r_{\text{diff}}\,}$${\displaystyle R_{\text{static}}\,}$

Термин «отрицательное сопротивление» почти всегда означает отрицательное дифференциальное сопротивление . ^{[3] [17] [20]} Устройства с отрицательным дифференциальным сопротивлением обладают уникальными возможностями: они могут действовать как однопортовые усилители , ^{[3] [11] [13] [38],} увеличивая мощность изменяющегося во времени сигнала, подаваемого на их порт (клеммы) или возбуждение колебаний в настроенной цепи для создания генератора. ^{[37] [38] [39]} Они также могут иметь гистерезис . ^{[15] [16]} Устройство не может иметь отрицательное дифференциальное сопротивление без источника питания.${\displaystyle r_{\text{diff}}\;<\;0}$^[40], и эти устройства можно разделить на две категории в зависимости от того, получают ли они питание от внутреннего источника или от своего порта: ^{[16] [37] [39] [41] [42]}

• Устройства с пассивным отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 2 выше): это наиболее известный тип «отрицательных сопротивлений»; пассивные двухполюсные компоненты, внутренняя ВАХ которых имеет нисходящий «изгиб», вызывающий уменьшение тока с увеличением напряжения в ограниченном диапазоне. ^{[41] [42]} I-V кривой, включая область сопротивления отрицательным, лежит в 1 - м и 3 - м квадранте плоскости ^[15] , так что устройство имеет положительное сопротивление статическим. ^[21] Примерами являются газоразрядные трубки , туннельные диоды и диоды Ганна . ^[43]Эти устройства не имеют внутреннего источника питания и, как правило, работают путем преобразования внешнего источника постоянного тока из своего порта в переменный во времени (переменный ток) ^[7], поэтому им требуется постоянный ток смещения, подаваемый на порт в дополнение к сигналу. ^{[37] [39]} Чтобы усугубить путаницу, некоторые авторы ^{[17] [43] [39]} называют эти устройства «активными», поскольку они могут усиливаться. В эту категорию также входят несколько трехконтактных устройств, например однопереходный транзистор. ^[43] Они описаны в разделе « Отрицательное дифференциальное сопротивление » ниже.

• Устройства с активным отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 4): могут быть разработаны схемы, в которых положительное напряжение, приложенное к клеммам, вызовет пропорциональный «отрицательный» ток; ток через положительный вывод, противоположный обычному резистору, в ограниченном диапазоне, ^{[3] [26] [44] [45] [46]} В отличие от вышеупомянутых устройств, наклонная вниз область I– Кривая V проходит через начало координат, поэтому лежит во 2-м и 4-м квадрантах плоскости, что означает источник питания устройства. ^[24] Усиливающие устройства, такие как транзисторы и операционные усилители, с положительной обратной связью.могут иметь отрицательное сопротивление такого типа ^{[37] [47] [26] [42]} и используются в генераторах обратной связи и активных фильтрах . ^{[42] [46]} Поскольку эти схемы вырабатывают полезную мощность из своего порта, они должны иметь внутренний источник постоянного тока или отдельное подключение к внешнему источнику питания. ^{[24] [26] [44]} В теории схем это называется «активным резистором». ^{[24] [28] [48] [49]} Хотя этот тип иногда называют «линейным», ^{[24] [50]} «абсолютным», ^[3]«идеальное» или «чистое» отрицательное сопротивление ^{[3] [46],} чтобы отличить его от «пассивных» отрицательных дифференциальных сопротивлений, в электронике его чаще называют просто положительной обратной связью или регенерацией . Они описаны в разделе « Активные резисторы » ниже.

Иногда обычные источники питания называют «отрицательными сопротивлениями» ^{[20] [27] [32] [51]} (рис. 3 выше). Хотя «статическое» или «абсолютное» сопротивление активных устройств (источников питания) можно считать отрицательным (см. Раздел « Отрицательное статическое сопротивление » ниже), большинство обычных источников питания (переменного или постоянного тока), таких как батареи , генераторы и (неположительная обратная связь) ) усилители, имеют положительное дифференциальное сопротивление ( сопротивление источника ). ^{[52] [53]} Следовательно, эти устройства не могут работать как однопортовые усилители или иметь другие возможности отрицательного дифференциального сопротивления.${\displaystyle R_{\text{static}}\,}$

Список устройств отрицательного сопротивления [ править ]

К электронным компонентам с отрицательным дифференциальным сопротивлением относятся следующие устройства:

• туннельный диод , ^{[54] [43]} резонансный туннельный диод ^[55] и другие полупроводниковые диоды, использующие туннельный механизм ^[56]
• Диод Ганна ^[57] и другие диоды, использующие механизм перенесенных электронов ^[56]
• IMPATT-диод , ^{[43] [57]} TRAPATT-диод и другие диоды, использующие механизм ударной ионизации ^[56]
• Некоторые NPN-транзисторы с обратным смещением ЭК, известные как негисторы ^[58]
• однопереходный транзистор (UJT) ^{[54] [43]}
• тиристоры ^{[54] [43]}
• триодные и тетродные вакуумные лампы, работающие в режиме динатрона ^{[9] [59]}
• Некоторые магнетронные лампы и другие микроволновые вакуумные лампы ^[60]
• мазер ^[61]
• параметрический усилитель ^[62]

Электрические разряды через газы также демонстрируют отрицательное дифференциальное сопротивление, ^{[63] [64]} включая эти устройства

• электрическая дуга ^[65]
• тиратронные лампы ^[66]
• неоновая лампа ^[6]
• люминесцентная лампа ^[2]
• другие газоразрядные трубки ^{[1] [43]}

Кроме того, активные схемы с отрицательным дифференциальным сопротивлением также могут быть построены с усилителями, такими как транзисторы и операционные усилители , с использованием обратной связи . ^{[43] [37] [47]} В последние годы был обнаружен ряд новых экспериментальных материалов и устройств с отрицательным дифференциальным сопротивлением. ^[67] Физические процессы, вызывающие отрицательное сопротивление, разнообразны, ^{[12] [56] [67],} и каждый тип устройства имеет свои собственные характеристики отрицательного сопротивления, определяемые его вольт-амперной кривой . ^{[10] [43]}

Отрицательное статическое или «абсолютное» сопротивление [ править ]

Некоторая путаница заключается в том, может ли обычное сопротивление («статическое» или «абсолютное» сопротивление ) быть отрицательным. ^{[68] [72]} В электронике термин «сопротивление» обычно применяется только к пассивным материалам и компонентам ^[30], таким как провода, резисторы и диоды . Это не может быть так, как показывает закон Джоуля . ^[29] Пассивное устройство потребляет электроэнергию, исходя из условного обозначения пассивных знаков . Следовательно, из закона Джоуля . ^{[23] [27] [29]}${\displaystyle R_{\text{static}}\;=\;v/i}$${\displaystyle R_{\text{static}}\;<\;0}$ ${\displaystyle P\;=\;i^{2}R_{\text{static}}}$ ${\displaystyle P\;\geq \;0}$${\displaystyle R_{\text{static}}\;\geq \;0}$Другими словами, никакой материал не может проводить электрический ток лучше, чем «идеальный» проводник с нулевым сопротивлением. ^{[6] [73]} Наличие пассивного устройства нарушило бы закон сохранения энергии ^[3] или второй закон термодинамики , ^{[39] [44] [68] [71]} (диаграмма) . Поэтому некоторые авторы ^{[6] [29] [69]} заявляют, что статическое сопротивление никогда не может быть отрицательным.${\displaystyle R_{\text{static}}\;=\;v/i\;<\;0}$

Однако легко показать, что отношение напряжения к току v / i на клеммах любого источника питания (переменного или постоянного тока) отрицательно. ^[27] Чтобы электрическая энергия ( потенциальная энергия ) вытекала из устройства в цепь, заряд должен проходить через устройство в направлении увеличения потенциальной энергии, обычный ток (положительный заряд) должен перемещаться от отрицательной клеммы к положительной. ^{[23] [36] [44]} Таким образом, мгновенный ток направлен вне положительной клеммы. Это противоположно направлению тока в пассивном устройстве, определяемом соглашением о пассивных знаках. Таким образом, ток и напряжение имеют противоположные знаки, а их соотношение отрицательное.

${\displaystyle R_{\mathrm {static} }={\frac {v}{i}}<0\,}$

Это также можно доказать из закона Джоуля ^{[23] [27] [68]}

${\displaystyle P=iv=i^{2}R_{\mathrm {static} }\,}$

Это показывает, что мощность может течь из устройства в цепь ( )${\displaystyle P\;<\;0}$ тогда и только тогда, когда . ^{[23] [24] [32] [68]} Называется ли эта величина «сопротивлением», когда она отрицательна, - это вопрос соглашения. Абсолютное сопротивление источников питания отрицательно ^{[3] [24],} но его нельзя рассматривать как «сопротивление» в том же смысле, что и положительное сопротивление. Отрицательное статическое сопротивление источника питания - довольно абстрактная и не очень полезная величина, поскольку она зависит от нагрузки. Из-за сохранения энергии оно всегда просто равно отрицательному статическому сопротивлению присоединенной цепи (справа) . ^[27]${\displaystyle R_{\text{static}}\;<\;0}$^[42]

Работа с зарядами должна производиться некоторым источником энергии в устройстве, чтобы заставить их двигаться к положительному выводу против электрического поля, поэтому для сохранения энергии требуется, чтобы отрицательные статические сопротивления имели источник энергии. ^{[3] [23] [39] [44]} Электропитание может поступать от внутреннего источника, который преобразует какую-либо другую форму энергии в электрическую, например, в батарее или генераторе, или от отдельного подключения к цепи внешнего источника питания ^{[44 ]} как в усилителе, таком как транзистор , электронная лампа или операционный усилитель .

Возможная пассивность [ править ]

Схема не может иметь отрицательное статическое сопротивление (быть активным) в бесконечном диапазоне напряжения или тока, потому что она должна быть способна производить бесконечную мощность. ^[10] Любая активная цепь или устройство с конечным источником питания «в конечном итоге пассивны ». ^{[49] [74] [75]} Это свойство означает, что если к нему приложено достаточно большое внешнее напряжение или ток любой полярности, его статическое сопротивление становится положительным, и он потребляет энергию ^[74]

${\displaystyle \exists V,I:|v|>V{\text{ or }}|i|>I\Rightarrow R_{\mathrm {static} }=v/i\geq 0\,}$

где - максимальная мощность, которую может производить устройство.${\displaystyle P_{max}=IV\,}$

Следовательно, концы ВАХ в конечном итоге повернутся и войдут в 1-й и 3-й квадранты. ^[75] Таким образом, диапазон кривой, имеющей отрицательное статическое сопротивление, ограничен ^[10] областью вокруг начала координат. Например, приложение напряжения к генератору или батарее (график выше), превышающее его напряжение холостого хода ^[76], изменит направление тока на противоположное, сделав его статическое сопротивление положительным, поэтому он потребляет энергию. Точно так же подача напряжения на преобразователь с отрицательным импедансом ниже напряжения V _s источника питания приведет к насыщению усилителя, что также сделает его сопротивление положительным.

Отрицательное дифференциальное сопротивление [ править ]

В устройстве или цепи с отрицательным дифференциальным сопротивлением (NDR) в некоторой части ВАХ ток уменьшается с увеличением напряжения: ^[21]

${\displaystyle r_{\mathrm {diff} }={\frac {dv}{di}}<0\,}$

I-V кривой немонотонные (имеющий пики и впадины) с регионами отрицательным наклоном , представляющих отрицательное дифференциальное сопротивление.

Пассивные отрицательные дифференциальные сопротивления имеют положительное статическое сопротивление; ^{[3] [6] [21]} они потребляют полезную мощность. Следовательно, ВАХ ограничена 1-м и 3-м квадрантами графика ^[15] и проходит через начало координат. Это требование означает (за исключением некоторых асимптотических случаев), что области отрицательного сопротивления должны быть ограничены ^{[17] [77]} и окружены областями положительного сопротивления и не могут включать начало координат. ^{[3] [10]}

Типы [ править ]

Отрицательные дифференциальные сопротивления можно разделить на два типа: ^{[16] [77]}

• Управляемое напряжение отрицательное сопротивление ( VCNR , короткое замыкание стабильно , ^{[77] [78] [примечание 2]} или « N » тип): В этом типе ток является однозначной , непрерывной функцией от напряжения, но напряжение является многозначная функция тока. ^[77] В наиболее распространенном типе есть только одна область отрицательного сопротивления, а график представляет собой кривую, имеющую форму буквы «N». По мере увеличения напряжения ток увеличивается (положительное сопротивление), пока не достигнет максимума ( i ₁ ), затем уменьшается в области отрицательного сопротивления до минимума ( i₂ ), затем снова увеличивается. Устройства с этим типом отрицательного сопротивления включают туннельный диод , ^[54] резонансный туннельный диод , ^[79] лямбда - диод , Ганна диод , ^[80] и Dynatron генераторов . ^{[43] [59]}

• Отрицательное сопротивление, управляемое током ( CCNR , стабильное разомкнутой цепи , ^{[77] [78] [примечание 2]} или тип « S »): в этом типе, двойном VCNR, напряжение является однозначной функцией тока, но ток - это многозначная функция напряжения. ^[77] В наиболее распространенном типе с одной областью отрицательного сопротивления график представляет собой кривую в форме буквы «S». К устройствам с таким типом отрицательного сопротивления относятся диод IMPATT , ^[80] UJT, ^[54] тиристоры и другие тиристоры , ^[54] электрическая дуга игазоразрядные трубки . ^[43]

Большинство устройств имеют одну область отрицательного сопротивления. Однако также могут быть изготовлены устройства с несколькими отдельными областями отрицательного сопротивления. ^{[67] [81]} Они могут иметь более двух стабильных состояний и представляют интерес для использования в цифровых схемах для реализации многозначной логики . ^{[67] [81]}

Внутренним параметром, используемым для сравнения различных устройств, является отношение максимального тока к минимальному току (PVR), ^[67] отношение тока в верхней части области отрицательного сопротивления к току в нижней части (см. Графики выше) :

${\displaystyle {\text{PVR}}=i_{1}/i_{2}\,}$

Чем он больше, тем больше потенциальный выход переменного тока для данного постоянного тока смещения и, следовательно, выше эффективность.

Усиление [ править ]

Схема туннельного диодного усилителя. Поскольку общее сопротивление, сумма двух последовательно соединенных сопротивлений ( ) отрицательна, увеличение входного напряжения вызовет уменьшение тока. Рабочая точка схемы - это точка пересечения диодной кривой (черная) и линией нагрузки резистора (синяя) . ^[82] Небольшое увеличение входного напряжения (зеленый цвет) смещение линии нагрузки вправо приводит к значительному уменьшению тока через диод и, таким образом, к значительному увеличению напряжения на диоде .${\displaystyle r\,>\,R}$${\displaystyle R\;-\;r}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle v_{i}}$ ${\displaystyle v_{o}}$

Устройство с отрицательным дифференциальным сопротивлением может усиливать сигнал переменного тока, приложенный к нему ^{[11] [13],} если сигнал смещен постоянным напряжением или током, чтобы находиться в пределах области отрицательного сопротивления его ВАХ . ^{[7] [12]}

Туннельный диод цепи (см схему) является примером. ^[82] Туннельный диод TD имеет управляемое напряжением отрицательное дифференциальное сопротивление. ^[54] Батарея добавляет постоянное напряжение (смещение) на диод, поэтому он работает в диапазоне отрицательного сопротивления и обеспечивает питание для усиления сигнала. Допустим, отрицательное сопротивление в точке смещения равно . Для стабильности должно быть меньше . ^[36] Используя формулу для делителя напряжения , выходное напряжение переменного тока равно ^[82]${\displaystyle V_{b}}$${\displaystyle \Delta v/\Delta i\,=\,-r}$${\displaystyle R\,}$${\displaystyle r\,}$

${\displaystyle v_{o}={\frac {-r}{R-r}}v_{i}={\frac {r}{r-R}}v_{i}\,}$  так что усиление напряжения является  ${\displaystyle G_{v}={\frac {r}{r-R}}\,}$

В обычном делителе напряжения сопротивление каждой ветви меньше сопротивления всей цепи, поэтому выходное напряжение меньше входного. Здесь из-за отрицательного сопротивления общее сопротивление переменного тока меньше, чем сопротивление одного диода, поэтому выходное напряжение переменного тока больше, чем входное . Коэффициент усиления по напряжению больше единицы и неограниченно увеличивается по мере приближения .${\displaystyle r-R\,}$${\displaystyle r\,}$${\displaystyle v_{o}}$${\displaystyle v_{i}}$${\displaystyle G_{v}\,}$${\displaystyle R\,}$${\displaystyle r\,}$

Объяснение увеличения мощности [ править ]

На схемах показано, как устройство с отрицательным дифференциальным сопротивлением со смещением может увеличивать мощность подаваемого на него сигнала, усиливая его, хотя у него всего два вывода. Благодаря принципу суперпозиции напряжение и ток на клеммах устройства можно разделить на составляющую смещения постоянного тока ( )${\displaystyle V_{bias},\;I_{bias}}$ и составляющую переменного тока ( )${\displaystyle \Delta v,\;\Delta i}$ .

${\displaystyle v(t)=V_{\text{bias}}+\Delta v(t)\,}$

${\displaystyle i(t)=I_{\text{bias}}+\Delta i(t)\,}$

Поскольку положительное изменение напряжения вызывает отрицательное изменение тока , переменный ток и напряжение в устройстве сдвинуты по фазе на 180 ° . ^{[7] [57] [36] [84]} Это означает, что в эквивалентной схеме переменного тока (справа) мгновенный переменный ток Δ i протекает через устройство в направлении увеличения переменного потенциала Δ v , как в генераторе . ^[36] Следовательно, рассеиваемая мощность переменного тока отрицательна ; Электроэнергия переменного тока вырабатывается устройством и поступает во внешнюю цепь. ^[85]${\displaystyle \Delta v\,}$${\displaystyle \Delta i\,}$

${\displaystyle P_{\text{AC}}=\Delta v\Delta i=r_{\text{diff}}|\Delta i|^{2}<0\,}$

При правильной внешней цепи, устройство может увеличить мощность сигнала переменного тока доставляется к нагрузке, служащее в качестве усилителя , ^[36] или возбуждение колебаний в колебательном контуре , чтобы сделать генератор . В отличие от двухпортового усилительного устройства, такого как транзистор или операционный усилитель, усиленный сигнал покидает устройство через те же два терминала ( порта ), что и входной сигнал. ^[86]

В пассивном устройстве вырабатываемая мощность переменного тока поступает из входного постоянного тока смещения ^[21], устройство поглощает мощность постоянного тока, часть которой преобразуется в мощность переменного тока за счет нелинейности устройства, усиливая приложенный сигнал. Следовательно, выходная мощность ограничена мощностью смещения ^[21].

${\displaystyle |P_{\text{AC}}|\leq I_{\text{bias}}V_{\text{bias}}\,}$

Область отрицательного дифференциального сопротивления не может включать источник, потому что тогда она сможет усилить сигнал без приложенного постоянного тока смещения, создавая мощность переменного тока без входной мощности. ^{[3] [10] [21]} Устройство также рассеивает некоторую мощность в виде тепла, равную разнице между входящей и выходной мощностью переменного тока.

Устройство также может иметь реактивное сопротивление, поэтому разность фаз между током и напряжением может отличаться от 180 ° и может меняться в зависимости от частоты. ^{[8] [42] [87]} Пока реальная составляющая импеданса является отрицательной (фазовый угол от 90 ° до 270 °), ^[84] устройство будет иметь отрицательное сопротивление и может усиливаться. ^{[87] [88]}

Максимальная выходная мощность переменного тока ограничена размером области отрицательного сопротивления ( на графиках выше) ^{[21] [89]}${\displaystyle v_{1},\;v_{2},\;i_{1},\;and\;i_{2}}$

${\displaystyle P_{AC(rms)}\leq {\frac {1}{8}}(v_{2}-v_{1})(i_{1}-i_{2})\,}$

Коэффициент отражения [ править ]

Общий (АС) модель цепи отрицательного сопротивления: отрицательное дифференциальное сопротивление устройство , подключено к внешней цепи , представленной которая имеет положительное сопротивление, . Оба могут иметь реактивное сопротивление ( )${\displaystyle Z_{\text{N}}(j\omega )\;}$${\displaystyle Z_{\text{L}}(j\omega )\,}$${\displaystyle R_{\text{L}}>0\,}$ ${\displaystyle X_{\text{L}},\;X_{\text{N}}}$

Причина того, что выходной сигнал может оставлять отрицательное сопротивление через тот же порт, что и входной сигнал, заключается в том, что согласно теории линий передачи переменное напряжение или ток на клеммах компонента можно разделить на две противоположно движущиеся волны, падающую волну. , которая движется к устройству, и отраженная волна , которая движется от устройства. ^[90] Отрицательное дифференциальное сопротивление в цепи может усиливаться, если величина его коэффициента отражения , то есть отношение отраженной волны к падающей, больше единицы. ^{[17] [85]}${\displaystyle V_{I}\,}$ ${\displaystyle V_{R}\,}$ ${\displaystyle \Gamma \,}$

${\displaystyle |\Gamma |\equiv {\bigg |}{\frac {V_{R}}{V_{I}}}{\bigg |}>1\,}$   где   ${\displaystyle \Gamma \equiv {\frac {Z_{N}-Z_{L}}{Z_{N}+Z_{L}}}\,}$

«Отраженный» (выходной) сигнал имеет большую амплитуду, чем падающий; устройство имеет «коэффициент отражения». ^[17] Коэффициент отражения определяется импедансом переменного тока устройства с отрицательным сопротивлением , и импедансом цепи, подключенной к нему ,. ^[85] Если и тогда и прибор усилится. На диаграмме Смита , графическом помощнике, широко используемом при проектировании высокочастотных цепей, отрицательное дифференциальное сопротивление соответствует точкам за пределами единичного круга , границы обычной диаграммы, поэтому необходимо использовать специальные «расширенные» диаграммы. ^{[17] [91]}${\displaystyle Z_{N}(j\omega )\,=\,R_{N}\,+\,jX_{N}}$${\displaystyle Z_{L}(j\omega )\,=\,R_{L}\,+\,jX_{L}}$${\displaystyle R_{N}\,<\,0}$${\displaystyle R_{L}\,>\,0\,}$${\displaystyle |\Gamma |\,>\,0\,}$${\displaystyle |\Gamma |\,=\,1\,}$

Условия стабильности [ править ]

Поскольку это нелинейно, цепь с отрицательным дифференциальным сопротивлением может иметь несколько точек равновесия (возможных рабочих точек постоянного тока), которые лежат на ВАХ . ^[92] Точка равновесия будет стабильной , поэтому цепь сходится к ней в некоторой окрестности точки, если ее полюса находятся в левой половине s-плоскости (LHP), в то время как точка нестабильна, вызывая колебания цепи. или «защелкнуться» (сходиться к другой точке), если его полюса находятся на оси jω или правой полуплоскости (RHP) соответственно. ^{[93] [94]} Напротив, линейная схема имеет единственную точку равновесия, которая может быть стабильной или нестабильной. ^{[95] [96]} Точки равновесия определяются цепью смещения постоянного тока, а их стабильность определяется импедансом переменного тока внешней цепи. Однако из-за разной формы кривых условия стабильности для типов отрицательного сопротивления VCNR и CCNR различаются: ^{[86] [97]}${\displaystyle Z_{L}(j\omega )\,}$

• В отрицательном сопротивлении CCNR (S-типа) функция сопротивления однозначная. Таким образом, устойчивость определяется полюсами уравнения импеданса цепи в: . ^{[98] [99]}${\displaystyle R_{N}\,}$${\displaystyle Z_{L}(j\omega )\;+\;Z_{N}(j\omega )\;=\;0\,}$

Для нереактивных цепей ( )${\displaystyle X_{L}\;=\;X_{N}\;=\;0\,}$ достаточным условием стабильности является положительное полное сопротивление ^[100]

${\displaystyle Z_{L}+Z_{N}=R_{L}+R_{N}=R_{L}-r>0\,}$

так что CCNR стабильна для ^{[16] [77] [97]}

Поскольку CCNR стабильны без нагрузки, их называют «стабильными при разомкнутой цепи» . ^{[77] [78] [86] [101] [примечание 2]}

• В отрицательном сопротивлении VCNR (типа N) функция проводимости однозначна. Следовательно, устойчивость определяется полюсами уравнения проводимости . ^{[98] [99]} По этой причине VCNR иногда называют отрицательной проводимостью . ^{[16] [98] [99]}${\displaystyle G_{N}\;=\;1/R_{N}}$${\displaystyle Y_{L}(j\omega )\;+\;Y_{N}(j\omega )\;=\;0}$

Как и выше, для нереактивных цепей достаточным условием стабильности является положительная общая проводимость цепи ^[100]

${\displaystyle Y_{L}+Y_{N}=G_{L}+G_{N}={1 \over R_{L}}+{1 \over R_{N}}={1 \over R_{L}}+{1 \over -r}>0\,}$

${\displaystyle {1 \over R_{L}}>{1 \over r}\,}$

так что VCNR стабилен для ^{[16] [97]}

Поскольку VCNR стабильны даже при коротком замыкании на выходе, их называют «устойчивыми к короткому замыканию» . ^{[77] [78] [101] [примечание 2]}

Для обычных цепей отрицательного сопротивления с реактивным сопротивлением стабильность должна быть определена стандартными испытаниями, такими как критерий стабильности Найквиста . ^{[102] В} качестве альтернативы, в конструкции высокочастотной схемы значения, при которых схема является стабильной, определяются графическим методом с использованием «кружков стабильности» на диаграмме Смита . ^[17]${\displaystyle Z_{L}(j\omega )}$

Операционные регионы и приложения [ править ]

Для простого нереакционноспособных устройств с отрицательным сопротивлением и различными рабочими областями устройства можно проиллюстрировать на нагрузочных линии на I-V кривого ^[77] (см графики) .${\displaystyle R_{N}\;=\;-r}$${\displaystyle X_{N}\;=\;0}$

Линия нагрузки постоянного тока (DCL) представляет собой прямую линию, определяемую цепью смещения постоянного тока, с уравнением

${\displaystyle V=V_{S}-IR\,}$

где - напряжение питания смещения постоянного тока, а R - сопротивление источника питания. Возможные рабочие точки постоянного тока (точки Q ) возникают там, где линия нагрузки постоянного тока пересекает кривую ВАХ . Для стабильности ^[103]${\displaystyle V_{S}}$

• Для VCNR требуется смещение с низким импедансом ( )${\displaystyle R\;<\;r}$ , такое как источник напряжения .
• Для CCNR требуется смещение с высоким импедансом ( ),${\displaystyle R\;>\;r}$ такое как источник тока или источник напряжения, включенный последовательно с высоким сопротивлением.

Линия нагрузки переменного тока ( L ₁ - L ₃ ) представляет собой прямую линию, проходящую через точку Q, наклон которой представляет собой дифференциальное (AC) сопротивление, обращенное к устройству. Увеличение поворачивает грузовую марку против часовой стрелки. Схема работает в одном из трех возможных регионов (см. Диаграммы) , в зависимости от . ^[77]${\displaystyle R_{L}\,}$${\displaystyle R_{L}\,}$${\displaystyle R_{L}\,}$

• Стабильный участок (зеленый) (показан линией L ₁ ): когда линия нагрузки лежит в этой области, она пересекает ВАХ в одной точке Q ₁ . ^[77] Для нереактивных цепей это стабильное равновесие ( полюса в LHP), поэтому цепь является стабильной.В этой области работают усилители с отрицательным сопротивлением. Однако из-за гистерезиса с устройством накопления энергии, таким как конденсатор или катушка индуктивности, цепь может стать нестабильной, чтобы создать нелинейный релаксационный генератор ( нестабильный мультивибратор ) или моностабильный мультивибратор . ^[104]
  • VCNR стабильны, когда .${\displaystyle R_{L}\;<\;r}$
  • CCNR стабильны, когда .${\displaystyle R_{L}\;>\;r}$
• Точка неустойчивости (линия L ₂ ): когда линия нагрузки касается кривой ВАХ . Полное дифференциальное (переменное) сопротивление цепи равно нулю (полюса на оси jω ), поэтому оно нестабильно и при настроенном контуре может колебаться. В этой точке работают линейные осцилляторы . Практические осцилляторы фактически запускаются в нестабильной области ниже, с полюсами в RHP, но по мере увеличения амплитуды колебания становятся нелинейными, и из-за возможной пассивности отрицательное сопротивление r уменьшается с увеличением амплитуды, поэтому колебания стабилизируются на амплитуде ^{[105 ]} .${\displaystyle R_{L}\;=\;r}$ ${\displaystyle r\;=\;R_{L}}$
• Бистабильная область (красная) (проиллюстрирована линией L ₃ ): в этой области линия нагрузки может пересекать ВАХ в трех точках. ^[77] Центральная точка ( Q ₁ ) является точкой неустойчивого равновесия (полюса в RHP), в то время как две внешние точки, Q ₂ и Q _3, являются стабильными равновесиями . Таким образом, при правильном смещении схема может быть бистабильной , она будет сходиться к одной из двух точек Q ₂ или Q ₃ и может переключаться между ними с помощью входного импульса. Цепи переключения, такие как триггеры( бистабильные мультивибраторы ) и триггеры Шмидта работают в этой области.
  • VCNR могут быть бистабильными, когда ${\displaystyle R_{L}\;>\;r}$
  • CCNR могут быть бистабильными, когда ${\displaystyle R_{L}\;<\;r}$

Активные резисторы - отрицательное сопротивление от обратной связи [ править ]

Типичные ВАХ «активных» отрицательных сопротивлений: ^{[35] [106]} N-типа (слева) и S-типа (в центре) , генерируемых усилителями обратной связи. Они имеют отрицательное дифференциальное сопротивление ( красная область) и вырабатывают энергию (серая область) . Приложение достаточно большого напряжения или тока любой полярности к порту перемещает устройство в его нелинейную область, где насыщение усилителя приводит к тому, что дифференциальное сопротивление становится положительным ( черная часть кривой) и выше шин напряжения питания.${\displaystyle \pm V_{S}\,}$статическое сопротивление становится положительным, и устройство потребляет электроэнергию. Отрицательное сопротивление зависит от коэффициента усиления контура (справа) .${\displaystyle A\beta \,}$

Пример усилителя с положительной обратной связью, имеющего на входе отрицательное сопротивление. Входной ток i равен входному сопротивлению . Если он будет иметь отрицательное входное сопротивление.
${\displaystyle i={{v-Av} \over R_{1}}+{v \over R_{\text{in}}}\,}$

${\displaystyle R={v \over i}={R_{1} \over {1+R_{1}/R_{\text{in}}-A}}}$
${\displaystyle A>1+R_{1}/R_{\text{in}}\,}$

В дополнение к пассивным устройствам с внутренним отрицательным дифференциальным сопротивлением, указанным выше, схемы с усилительными устройствами, такими как транзисторы или операционные усилители, могут иметь отрицательное сопротивление на своих портах. ^{[3] [37]} входной или выходной импеданс усилителя с достаточно положительной обратной связью применяется к нему может быть отрицательным. ^{[47] [38] [107] [108]} Если - входное сопротивление усилителя без обратной связи, - это коэффициент усиления усилителя и - передаточная функция тракта обратной связи, входное сопротивление с положительной шунтирующей обратной связью равно ^[3]${\displaystyle R_{i}\,}$${\displaystyle A\,}$${\displaystyle \beta (j\omega )\,}$^[109]

${\displaystyle R_{\text{if}}={\frac {R_{\text{i}}}{1-A\beta }}\,}$

Поэтому, если усиление контура больше единицы, оно будет отрицательным. Схема действует как «отрицательный линейный резистор» ^{[3] [45] [50] [110]} в ограниченном диапазоне, ^[42] с кривой ВАХ, имеющей отрезок прямой линии через начало координат с отрицательным наклоном (см. Графики) . ^{[67] [24] [26] [35] [106]} Он имеет как отрицательное дифференциальное сопротивление, так и активен.${\displaystyle A\beta \,}$${\displaystyle R_{if}\,}$

${\displaystyle {\Delta v \over \Delta i}={v \over i}=R_{\text{if}}<0\,}$

и, таким образом, подчиняется закону Ома, как если бы он имел отрицательное значение сопротивления −R , ^{[67] [46]} во всем линейном диапазоне (такие усилители также могут иметь более сложные ВАХ с отрицательным сопротивлением, которые не проходят через начало координат).

В теории схем они называются «активными резисторами». ^{[24] [28] [48] [49]} Применение напряжения на клеммах вызывает пропорциональный ток отказ от положительной клеммы, противоположное обычному резистора. ^{[26] [45] [46]} Например, подключение аккумулятора к клеммам может привести к заряду аккумулятора, а не разрядке. ^[44]

Рассматриваемые как однопортовые устройства, эти схемы функционируют аналогично компонентам пассивного отрицательного дифференциального сопротивления, описанным выше, и, как и они, могут использоваться для изготовления однопортовых усилителей и генераторов ^{[3] [11]} с такими преимуществами, как:

• поскольку они являются активными устройствами, им не требуется внешнее смещение постоянного тока для обеспечения питания, и они могут быть связаны по постоянному току ,
• количество отрицательного сопротивления можно изменять, регулируя усиление контура ,
• они могут быть элементами линейной схемы; ^{[8] [42] [50],} если работа ограничена прямым сегментом кривой около начала координат, напряжение пропорционально току, поэтому они не вызывают гармонических искажений .

I-V кривой может иметь управляемый напряжением (тип «N») или управляемый током ( «S» типа) отрицательное сопротивление, в зависимости от того, подключен ли контур обратной связи в «шунта» или «серии». ^[26]

Также могут быть созданы отрицательные реактивные сопротивления (см. Ниже) , поэтому цепи обратной связи могут использоваться для создания «активных» элементов линейной цепи, резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности с отрицательными значениями. ^{[37] [46]} Они широко используются в активных фильтрах ^{[42] [50],} потому что они могут создавать передаточные функции, которые не могут быть реализованы с помощью элементов положительной схемы. ^[111] Примеры схем с этим типом отрицательного сопротивления являются преобразователем отрицательного импеданса (NIC), Gyrator , Деб интегратора, ^{[50] [112]} зависит от частоты отрицательного сопротивления (FDNR), ^[46]и обобщенный преобразователь иммитанса (GIC). ^{[42] [98] [113]}

Осцилляторы обратной связи [ править ]

Если LC-цепь подключена к входу усилителя с положительной обратной связью, как показано выше, отрицательное дифференциальное входное сопротивление может компенсировать положительное сопротивление потерь, присущее настроенной схеме. ^[114] Если это фактически создаст настроенную цепь с нулевым сопротивлением переменному току ( полюса на оси jω ). ^{[39] [107]} Спонтанные колебания будут возбуждены в настроенном контуре на его резонансной частоте , поддерживаясь мощностью от усилителя. Так работают осцилляторы с обратной связью, такие как осцилляторы Хартли или Колпитца . ^[41]${\displaystyle R_{\text{if}}}$${\displaystyle r_{\text{loss}}}$${\displaystyle R_{\text{if}}\;=\;-r_{\text{loss}}}$^[115] Эта модель отрицательного сопротивления представляет собой альтернативный способ анализа работы генератора обратной связи. ^{[14] [36] [104] [108] [116] [117] [118]} Все цепи линейных генераторов имеют отрицательное сопротивление ^{[36] [84] [104] [117],} хотя в большинстве генераторов обратной связи настроенная цепь является неотъемлемая часть цепи обратной связи, поэтому цепь не имеет отрицательного сопротивления на всех частотах, а только вблизи частоты колебаний. ^[119]

Улучшение Q [ править ]

Настроенная схема, подключенная к отрицательному сопротивлению, которое компенсирует некоторые, но не все, ее сопротивление паразитных потерь (поэтому ) не будет колебаться, но отрицательное сопротивление уменьшит демпфирование в цепи (смещение ее полюсов к оси jω ), увеличивая ее Q фактор, поэтому он имеет более узкую полосу пропускания и большую избирательность . ^{[114] [120] [121] [122]} Повышение добротности, также называемое регенерацией , было впервые использовано в регенеративном радиоприемнике, изобретенном Эдвином Армстронгом в 1912 году ^{[107] [121]}${\displaystyle |R_{\text{if}}|\;<\;r_{\text{loss}}}$а затем в «Q-множителях». ^[123] Он широко используется в активных фильтрах. ^[122] Например, в радиочастотных интегральных схемах для экономии места используются встроенные индукторы , состоящие из спирального проводника, изготовленного на кристалле. Они имеют высокие потери и низкую добротность, поэтому для создания схем с высокой добротностью их добротность увеличивается за счет приложения отрицательного сопротивления. ^{[120] [122]}

Хаотические схемы [ править ]

Цепи, которые демонстрируют хаотическое поведение, можно рассматривать как квазипериодические или непериодические генераторы, и, как и все генераторы, для обеспечения питания в цепи требуется отрицательное сопротивление. ^[124] Схема Чуа , простая нелинейная схема, широко используемая в качестве стандартного примера хаотической системы, требует нелинейного активного резистора, иногда называемого диодом Чуа . ^[124] Обычно это синтезируется с использованием схемы преобразователя отрицательного импеданса. ^[124]

Конвертер отрицательного импеданса [ править ]

Типичным примером схемы с «активным сопротивлением» является преобразователь отрицательного импеданса (NIC) ^{[45] [46] [115] [125],} показанный на схеме. Два резистора и операционный усилитель составляют неинвертирующий усилитель с отрицательной обратной связью и коэффициентом усиления 2. ^[115] Выходное напряжение операционного усилителя равно${\displaystyle R_{\text{1}}}$

${\displaystyle v_{o}=v(R_{1}+R_{1})/R_{1}=2v\,}$

Таким образом, если на вход подается напряжение, то же напряжение применяется «в обратном направлении» , заставляя ток течь через него из входа. ^[46] Ток${\displaystyle v\,}$${\displaystyle Z}$

${\displaystyle i={\frac {v-v_{o}}{Z}}={\frac {v-2v}{Z}}=-{\frac {v}{Z}}\,}$

Таким образом, входной импеданс схемы равен ^[76]

${\displaystyle z_{\text{in}}={\frac {v}{i}}=-Z\,\!}$

Схема преобразует полное сопротивление в отрицательное. Если это номинальный резистор , в линейном диапазоне операционного усилителя входной импеданс действует как линейный «отрицательный резистор» номинального значения . ^[46] Входной порт схемы подключен к другой схеме, как если бы это был компонент. Сетевая карта может нейтрализовать нежелательное положительное сопротивление в другой цепи ^[126], например, они были первоначально разработаны для компенсации сопротивления в телефонных кабелях, выступающих в качестве повторителей . ^[115]${\displaystyle Z}$${\displaystyle Z}$${\displaystyle R}$${\displaystyle V_{\text{S}}/2\;<\;v\;<\;-V_{\text{S}}/2}$${\displaystyle -R}$

Отрицательная емкость и индуктивность [ править ]

Заменив в приведенной выше схеме конденсатор ( ) или катушку индуктивности ( ) , можно также синтезировать отрицательные емкости и индуктивности. ^{[37] [46]} Отрицательный емкость будет иметь I-V соотношение и импеданс из${\displaystyle Z}$${\displaystyle C}$${\displaystyle L}$ ${\displaystyle Z_{\text{C}}(j\omega )}$

${\displaystyle i=-C{dv \over dt}\qquad \qquad Z_{C}=-1/j\omega C\,}$

где . Приложение положительного тока к отрицательной емкости вызовет ее разряд ; его напряжение уменьшится . Аналогичным образом , отрицательная индуктивность будет иметь I-V характеристику и импеданс от${\displaystyle C\;>\;0}$${\displaystyle Z_{\text{L}}(j\omega )}$

${\displaystyle v=-L{di \over dt}\qquad \qquad Z_{L}=-j\omega L\,}$

Цепь, имеющая отрицательную емкость или индуктивность, может использоваться для устранения нежелательной положительной емкости или индуктивности в другой цепи. ^[46] Цепи сетевой карты использовались для компенсации реактивного сопротивления на телефонных кабелях.

Есть еще один способ взглянуть на них. В отрицательной емкости ток будет на 180 ° противоположен по фазе току в положительной емкости. Вместо того, чтобы опережать напряжение на 90 °, он будет отставать от напряжения на 90 °, как в катушке индуктивности. ^[46] Следовательно, отрицательная емкость действует как индуктивность, в которой полное сопротивление имеет обратную зависимость от частоты ω; уменьшается, а не увеличивается, как реальная индуктивность ^[46]. Точно так же отрицательная индуктивность действует как емкость, сопротивление которой увеличивается с частотой. Отрицательные емкости и индуктивности - это схемы "не Фостера", которые нарушают теорему Фостера о реактивном сопротивлении . ^[127] Одно из приложений изучается - создать активную согласованную сеть.который может согласовывать антенну с линией передачи в широком диапазоне частот, а не только на одной частоте, как в существующих сетях. ^[128] Это позволило бы создавать небольшие компактные антенны, которые имели бы широкую полосу пропускания , ^[128] превышающую предел Чу – Харрингтона .

Осцилляторы [ править ]

Устройства с отрицательным дифференциальным сопротивлением широко используются для изготовления электронных генераторов . ^{[7] [43] [129]} В генераторе отрицательного сопротивления устройство с отрицательным дифференциальным сопротивлением, такое как IMPATT-диод , диод Ганна или микроволновая вакуумная трубка, подключено к электрическому резонатору, например LC-цепи , кристаллу кварца , диэлектрику. резонатор или объемный резонатор ^[117] с источником постоянного тока для смещения устройства в область отрицательного сопротивления и обеспечения питания. ^{[130] [131]}Резонатор, такой как LC-контур, «почти» осциллятор; он может накапливать колеблющуюся электрическую энергию, но поскольку все резонаторы имеют внутреннее сопротивление или другие потери, колебания затухают и затухают до нуля. ^{[21] [39] [115]} Отрицательное сопротивление нейтрализует положительное сопротивление резонатора, создавая, по сути, резонатор без потерь, в котором возникают спонтанные непрерывные колебания на резонансной частоте резонатора . ^{[21] [39]}

Использует [ редактировать ]

Генераторы отрицательного сопротивления в основном используются на высоких частотах в микроволновом диапазоне или выше, поскольку генераторы обратной связи плохо работают на этих частотах. ^{[14] [116]} Микроволновые диоды используются в генераторах малой и средней мощности для таких приложений, как радарные скоростные пушки и гетеродины для спутниковых приемников . Они являются широко используемым источником микроволновой энергии и практически единственным твердотельным источником миллиметровых волн ^[132] и терагерцовой энергии ^[129]. Вакуумные микроволновые лампы с отрицательным сопротивлением, такие какмагнетроны производят более высокую выходную мощность ^[117] в таких приложениях, как радиолокационные передатчики и микроволновые печи . Осцилляторы релаксации более низкой частоты могут быть изготовлены с помощью UJT и газоразрядных ламп, таких как неоновые лампы .

Модель генератора с отрицательным сопротивлением не ограничивается однопортовыми устройствами, такими как диоды, но также может применяться к схемам генератора с обратной связью с двухпортовыми устройствами, такими как транзисторы и лампы . ^{[116] [117] [118] [133]} Кроме того, в современных высокочастотных генераторах транзисторы все чаще используются в качестве однопортовых устройств с отрицательным сопротивлением, таких как диоды. На микроволновых частотах транзисторы с определенной нагрузкой, приложенной к одному порту, могут стать нестабильными из-за внутренней обратной связи и показать отрицательное сопротивление на другом порте. ^{[37] [88] [116]}Таким образом, высокочастотные транзисторные генераторы проектируются путем приложения реактивной нагрузки к одному порту для создания отрицательного сопротивления транзистора и подключения другого порта через резонатор для создания генератора отрицательного сопротивления, как описано ниже. ^{[116] [118]}

Генератор на диоде Ганна [ править ]

Линии нагрузки генератора на диоде Ганна .
DCL : Линия нагрузки постоянного тока, которая устанавливает точку Q.
SSL : отрицательное сопротивление при запуске при небольшой амплитуде. Так как полюса находятся в RHP и амплитуда колебаний увеличивается. LSL : линия нагрузки с большим сигналом. Когда колебание тока приближается к краям области отрицательного сопротивления (зеленый) , пики синусоидальной волны искажаются («срезаются») и уменьшаются до тех пор, пока не сравняются .${\displaystyle r\;<\;R}$
${\displaystyle r}$${\displaystyle R}$

Обычный генератор на диоде Ганна (принципиальные схемы) ^[21] иллюстрирует, как работают генераторы с отрицательным сопротивлением. Диод D имеет отрицательное сопротивление, управляемое напряжением (тип "N"), и источник напряжения смещает его в область отрицательного сопротивления, где находится его дифференциальное сопротивление . Дроссель RFC предотвращает переменный ток от протекающих через источник смещения. ^[21] - эквивалентное сопротивление из-за демпфирования и потерь в последовательно настроенной цепи плюс любое сопротивление нагрузки. Анализ цепи переменного тока с помощью закона Кирхгофа по напряжению дает дифференциальное уравнение для переменного тока ^[21]${\displaystyle V_{\text{b}}}$${\displaystyle dv/di\;=\;-r}$ ${\displaystyle R}$${\displaystyle LC}$${\displaystyle i(t)}$

${\displaystyle {\frac {d^{2}i}{dt^{2}}}+{\frac {R-r}{L}}{\frac {di}{dt}}+{\frac {1}{LC}}i=0\,}$

Решение этого уравнения дает решение вида ^[21]

${\displaystyle i(t)=i_{0}e^{\alpha t}\cos(\omega t+\phi )\,}$     где    ${\displaystyle \alpha ={\frac {r-R}{2L}}\quad \omega ={\sqrt {{\frac {1}{LC}}-\left({\frac {r-R}{2L}}\right)^{2}}}\,}$

Это показывает , что ток через цепь, изменяется со временем о DC точке Q , . При запуске с ненулевого начального тока ток колеблется синусоидально на резонансной частоте ω настроенного контура, с постоянной амплитудой, возрастающей или уменьшающейся экспоненциально , в зависимости от значения α . Способность схемы выдерживать устойчивые колебания зависит от баланса между и , положительным и отрицательным сопротивлением в цепи: ^[21]${\displaystyle i(t)}$${\displaystyle I_{\text{bias}}}$${\displaystyle i(t)\;=\;i_{0}}$ ${\displaystyle R}$${\displaystyle r}$

1. ${\displaystyle r<R\Rightarrow \alpha <0\,}$: ( полюса в левой полуплоскости) Если отрицательное сопротивление диода меньше положительного сопротивления настроенной цепи, демпфирование положительное. Любые колебания в цепи будут терять энергию в виде тепла в сопротивлении и затухать экспоненциально до нуля, как в обычной настроенной цепи. ^[39] Таким образом, цепь не колеблется.${\displaystyle R}$
2. ${\displaystyle r=R\Rightarrow \alpha =0\,}$: (полюса на оси jω ) Если положительное и отрицательное сопротивления равны, общее сопротивление равно нулю, поэтому демпфирование равно нулю. Диод добавляет энергии ровно столько, чтобы компенсировать потерю энергии в настроенной цепи и нагрузке, поэтому колебания в цепи после запуска будут продолжаться с постоянной амплитудой. ^[39] Это состояние во время установившейся работы генератора.
3. ${\displaystyle r>R\Rightarrow \alpha >0\,}$: (полюса в правой полуплоскости) Если отрицательное сопротивление больше положительного, демпфирование отрицательное, поэтому колебания будут экспоненциально расти по энергии и амплитуде. ^[39] Это состояние при запуске.

Практические осцилляторы спроектированы в области (3) выше, с чистым отрицательным сопротивлением, чтобы начать колебания. ^[118] Широко используемое эмпирическое правило - сделать . ^{[17] [134]} При включении питания электрический шум в цепи дает сигнал для начала спонтанных колебаний, которые нарастают по экспоненте. Однако колебания не могут расти вечно; нелинейность диода в конечном итоге ограничивает амплитуду.${\displaystyle R\;=\;r/3}$${\displaystyle i_{0}}$

При больших амплитудах схема является нелинейной, поэтому приведенный выше линейный анализ не применим строго и дифференциальное сопротивление не определено; но схему можно понять, рассматривая ее как «среднее» сопротивление за цикл. Поскольку амплитуда синусоидальной волны превышает ширину области отрицательного сопротивления, а размах напряжения распространяется на области кривой с положительным дифференциальным сопротивлением, среднее отрицательное дифференциальное сопротивление становится меньше, и, таким образом, общее сопротивление и демпфирование становятся менее отрицательными и со временем становится положительным. Следовательно, колебания стабилизируются с амплитудой, при которой затухание становится равным нулю, то есть когда . ^[21]${\displaystyle r}$${\displaystyle r}$${\displaystyle R\;-\;r}$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle r\;=\;R}$

Диоды Ганна имеют отрицательное сопротивление в диапазоне от –5 до –25 Ом. ^[135] В осцилляторах где близко к ; достаточно мал, чтобы позволить генератору запуститься, размах напряжения будет в основном ограничиваться линейным участком ВАХ , форма выходного сигнала будет почти синусоидальной, а частота будет наиболее стабильной. В схемах, в которых это намного ниже , размах распространяется дальше в нелинейную часть кривой, искажение ограничения выходной синусоидальной волны более велико ^[134], а частота будет все больше зависеть от напряжения питания.${\displaystyle R}$${\displaystyle r}$${\displaystyle R}$${\displaystyle r}$

Типы схем [ править ]

Цепи генератора отрицательного сопротивления можно разделить на два типа, которые используются с двумя типами отрицательного дифференциального сопротивления - управляемым напряжением (VCNR) и управляемым током (CCNR) ^{[91] [103]}

• Отрицательное сопротивление (управляемое напряжение) генератор: Так как устройства (типа «N») VC требуют смещений с низким импедансом и стабильны в течение полных сопротивлений нагрузки меньше , чем г , ^[103] схема идеального генератора для данного устройства имеет вид , показанные в правом верхнем угле, с источником напряжения V _{смещения} для смещения устройства в область отрицательного сопротивления и нагрузкой LC параллельного резонансного контура . Резонансный контур имеет высокое сопротивление только на своей резонансной частоте, поэтому контур будет нестабильным и будет колебаться только на этой частоте.

• Генератор с отрицательной проводимостью (управляемый током): устройства CCNR (типа "S"), напротив, требуют высокого импеданса смещения и стабильны при импедансах нагрузки больше, чем r . ^[103] Идеальная схема генератора похожа на схему внизу справа, с источником тока смещения I _bias (который может состоять из источника напряжения, включенного последовательно с большим резистором) и последовательного резонансного контура LC . Последовательный LC-контур имеет низкое сопротивление только на своей резонансной частоте и поэтому будет колебаться только там.

Условия колебания [ править ]

Большинство генераторов сложнее, чем пример с диодом Ганна, поскольку и активное устройство, и нагрузка могут иметь реактивное сопротивление ( X ), а также сопротивление ( R ). Современные генераторы отрицательного сопротивления разработаны К. Курокавой методом частотной области . ^{[88] [118] [136]} Представляется, что принципиальная схема разделена « плоскостью отсчета » (красный), которая отделяет часть с отрицательным сопротивлением, активное устройство, от части с положительным сопротивлением, резонансный контур и выходную нагрузку ( правильно) . ^[137] комплексное сопротивление отрицательного сопротивления части${\displaystyle Z_{N}=R_{N}(I,\omega )+jX_{N}(I,\omega )\,}$зависит от частоты ω, но также является нелинейным, обычно уменьшаясь с амплитудой переменного тока колебаний I ; в то время как резонаторная часть линейна, зависит только от частоты. ^{[88] [117] [137]} Уравнение схемы таково, что она будет колебаться (иметь ненулевое значение I ) только с частотой ω и амплитудой I, для которых полный импеданс равен нулю. ^[88] Это означает, что величины отрицательного и положительного сопротивлений должны быть равны, а реактивные сопротивления должны быть сопряженными ^{[85] [117] [118] [137]}${\displaystyle Z_{L}=R_{L}(\omega )+jX_{L}(\omega )\,}$${\displaystyle (Z_{N}+Z_{L})I=0\,}$${\displaystyle Z_{N}+Z_{L}\,}$

${\displaystyle R_{N}\leq -R_{L}\,}$    а также    ${\displaystyle X_{N}=-X_{L}\,}$

Для установившихся колебаний применяется знак равенства. Во время запуска действует неравенство, потому что цепь должна иметь избыточное отрицательное сопротивление для начала колебаний. ^{[85] [88] [118]}

В качестве альтернативы условие колебания можно выразить с помощью коэффициента отражения . ^[85] Форма волны напряжения в плоскости отсчета может быть разделена на составляющую V _1, движущуюся к устройству с отрицательным сопротивлением, и составляющую V _2, движущуюся в противоположном направлении, к части резонатора. Коэффициент отражения активного устройства больше единицы, а резонаторной части меньше единицы. Во время работы волны отражаются туда и обратно, поэтому цепь будет колебаться, только если ^{[85] [117] [137]}${\displaystyle \Gamma _{N}=V_{2}/V_{1}\,}$${\displaystyle \Gamma _{L}=V_{1}/V_{2}\,}$

${\displaystyle |\Gamma _{N}\Gamma _{L}|\geq 1\,}$

Как и выше, равенство дает условие устойчивых колебаний, в то время как неравенство требуется во время запуска для обеспечения избыточного отрицательного сопротивления. Приведенные выше условия аналогичны критерию Баркгаузена для осцилляторов с обратной связью; они необходимы, но недостаточны ^[118], поэтому есть некоторые схемы, которые удовлетворяют уравнениям, но не колеблются. Курокава также вывел более сложные достаточные условия ^[136], которые часто используются вместо них. ^{[88] [118]}

Усилители [ править ]

Устройства с отрицательным дифференциальным сопротивлением, такие как диоды Ганна и IMPATT, также используются для изготовления усилителей , особенно на микроволновых частотах, но не так часто, как генераторы. ^[86] Поскольку устройства с отрицательным сопротивлением имеют только один порт (два вывода), в отличие от двухпортовых устройств, таких как транзисторы , исходящий усиленный сигнал должен выходить из устройства через те же выводы, что и входящий сигнал. ^{[12] [86]} Без какого-либо способа разделения двух сигналов усилитель отрицательного сопротивления является двусторонним ; он усиливается в обоих направлениях, поэтому страдает от чувствительности к сопротивлению нагрузки и проблемам с обратной связью. ^[86]Для разделения входных и выходных сигналов во многих усилителях с отрицательным сопротивлением используются невзаимные устройства, такие как изоляторы и направленные ответвители . ^[86]

Усилитель отражения [ править ]

Одна из широко используемых схем - это усилитель отражения, в котором разделение осуществляется циркулятором . ^{[86] [138] [139] [140]} Циркулятор - это невзаимный твердотельный компонент с тремя портами (разъемами), который передает сигнал, подаваемый на один порт, на другой только в одном направлении, порт 1 - порт 2, 2. на 3 и с 3 на 1. На схеме усилителя отражения входной сигнал подается на порт 1, смещенный VCNR диод отрицательного сопротивления N подключен через фильтр F.к порту 2, а выходная схема подключена к порту 3. Входной сигнал передается из порта 1 на диод в порту 2, но исходящий «отраженный» усиленный сигнал от диода направляется в порт 3, поэтому его мало связь между выходом и входом. Характеристическое сопротивление входных и выходных линий передачи , обычно 50 Ом, согласовано с импедансом порта циркулятора. Назначение фильтра F - предоставить диоду правильный импеданс для установки усиления. На радиочастотах диоды NR не являются чисто резистивными нагрузками и имеют реактивное сопротивление, поэтому вторая цель фильтра - нейтрализовать реактивное сопротивление диода с сопряженным реактивным сопротивлением для предотвращения стоячих волн. ^{[140] [141]}${\displaystyle Z_{0}}$

В фильтре есть только реактивные компоненты, поэтому он не потребляет энергию, поэтому мощность передается между диодом и портами без потерь. Мощность входного сигнала на диод составляет

${\displaystyle P_{\text{in}}=V_{I}^{2}/R_{1}\,}$

Выходная мощность диода

${\displaystyle P_{\text{out}}=V_{R}^{2}/R_{1}\,}$

Таким образом, коэффициент усиления усилителя является квадратом коэффициента отражения ^{[138] [140] [141]}${\displaystyle G_{P}}$

${\displaystyle G_{\text{P}}={P_{\text{out}} \over P_{\text{in}}}={V_{R}^{2} \over V_{I}^{2}}=|\Gamma |^{2}\,}$

${\displaystyle |\Gamma |^{2}={\Bigg |}{Z_{N}-Z_{1} \over Z_{N}+Z_{1}}{\Bigg |}^{2}\,}$

${\displaystyle |\Gamma |^{2}={\Bigg |}{R_{N}+jX_{N}-(R_{1}+jX_{1}) \over R_{N}+jX_{N}+R_{1}+jX_{1}}{\Bigg |}^{2}\,}$

${\displaystyle R_{\text{N}}}$- отрицательное сопротивление диода −r . Если предположить, что фильтр согласован с диодом, то ^[140] коэффициент усиления равен${\displaystyle X_{1}\;=\;-X_{N}}$

${\displaystyle G_{\text{P}}=|\Gamma |^{2}={(r+R_{1})^{2}+4X_{N}^{2} \over (r-R_{1})^{2}}\,}$

Усилитель отражения VCNR, указанный выше, стабилен для . ^{[140], в} то время как усилитель CCNR стабилен для . Можно видеть, что усилитель отражения может иметь неограниченное усиление, приближающееся к бесконечности по мере приближения к точке колебания в . ^[140] Это характеристика всех усилителей NR, ^[139] контрастирующая с поведением двухпортовых усилителей, которые обычно имеют ограниченное усиление, но часто безоговорочно стабильны. На практике усиление ограничивается обратной связью «утечки» между портами циркулятора.${\displaystyle R_{1}\;<\;r}$${\displaystyle R_{1}\;>\;r}$${\displaystyle R_{\text{1}}}$${\displaystyle r}$

Мазеры и параметрические усилители - это усилители NR с чрезвычайно низким уровнем шума, которые также реализованы как усилители отражения; они используются в таких приложениях, как радиотелескопы . ^[141]

Коммутационные схемы [ править ]

Устройства с отрицательным дифференциальным сопротивлением также используются в схемах переключения, в которых устройство работает нелинейно, скачкообразно переходя из одного состояния в другое с гистерезисом . ^[15] Преимущество использования устройства с отрицательным сопротивлением состоит в том, что релаксационный генератор , триггер или ячейка памяти могут быть построены с одним активным устройством ^[81], тогда как стандартная логическая схема для этих функций, мультивибратор Эклза-Джордана , требуется два активных устройства (транзисторы). Три коммутационные цепи, построенные с отрицательными сопротивлениями:

• Астабильный мультивибратор - схема с двумя нестабильными состояниями, при которых выход периодически переключается туда и обратно между состояниями. Время, в течение которого он остается в каждом состоянии, определяется постоянной времени RC-цепи. Следовательно, это релаксационный осциллятор , который может генерировать прямоугольные или треугольные волны .
• Моностабильный мультивибратор - это схема с одним нестабильным состоянием и одним стабильным состоянием. Когда в стабильном состоянии на вход подается импульс, выход переключается в другое состояние и остается в нем в течение периода времени, зависящего от постоянной времени RC-цепи, затем переключается обратно в стабильное состояние. Таким образом, моностабильный блок можно использовать как таймер или элемент задержки.
• Бистабильный мультивибратор или триггер - это схема с двумя устойчивыми состояниями. Импульс на входе переключает схему в другое состояние. Поэтому бистаблицы можно использовать как в схемах памяти, так и в цифровых счетчиках .

Другие приложения [ править ]

Нейронные модели [ править ]

В некоторых случаях нейроны демонстрируют области отрицательной наклонной проводимости (RNSC) в экспериментах с фиксацией напряжения. ^[142] Отрицательное сопротивление здесь подразумевается, если рассматривать нейрон как типичную модель схемы в стиле Ходжкина-Хаксли .

История [ править ]

Отрицательное сопротивление было впервые обнаружено при исследовании электрических дуг , которые использовались для освещения в 19 веке. ^[143] В 1881 году Альфред Ниоде ^[144] заметил, что напряжение на электродах дуги временно снижается по мере увеличения тока дуги, но многие исследователи думали, что это вторичный эффект, связанный с температурой. ^[145] Некоторые применяли термин «отрицательное сопротивление», но этот термин был спорным, поскольку было известно, что сопротивление пассивного устройства не может быть отрицательным. ^{[68] [145] [146]} Начиная с 1895 года Герта Айртон, расширив исследования своего мужа Уильяма серией кропотливых экспериментов по измерению ВАХ дуг, установила, что кривая имеет участки с отрицательным наклоном, что вызвало споры. ^{[65] [145] [147]} Фрит и Роджерс в 1896 г. ^{[145] [148]} при поддержке Айртонов ^[65] ввели понятие дифференциального сопротивления, dv / di , и постепенно было принято, что дуги имеют отрицательный дифференциал. сопротивление. В знак признания ее исследований Герта Айртон стала первой женщиной, проголосовавшей за вступление в Институт инженеров-электриков . ^[147]

Датчики дуги [ править ]

Джордж Фрэнсис Фицджеральд впервые осознал в 1892 году, что, если демпфирующее сопротивление в резонансном контуре можно сделать нулевым или отрицательным, это приведет к непрерывным колебаниям. ^{[143] [149]} В том же году Элиху Томсон построил генератор отрицательного сопротивления, подключив LC-цепь к электродам дуги, ^{[105] [150],} возможно, первый пример электронного генератора. Уильям Дадделл , студент Айртона из Лондонского центрального технического колледжа, привлек внимание общественности к дуговому генератору Томсона. ^{[105] [143] [147]} Из-за отрицательного сопротивления ток через дугу был нестабильным, и дуга зажигаласьчасто издавал шипящие, гудящие или даже воющие звуки. В 1899 году, исследуя этот эффект, Дадделл подключил LC-цепь через дугу, и отрицательное сопротивление возбудило колебания в настроенной цепи, создавая музыкальный тон от дуги. ^{[105] [143] [147]} Чтобы продемонстрировать свое изобретение, Даддел подключил несколько настроенных цепей к дуге и сыграл на ней мелодию. ^{[143] [147]} Генератор « поющей дуги » Дадделла был ограничен звуковыми частотами. ^[105] Однако в 1903 году датские инженеры Вальдемар Поульсен и П.О. Педерсон увеличили частоту до радиодиапазона, управляя дугой в атмосфере водорода в магнитном поле,^[151] изобрел дуговой радиопередатчик Поульсена , который широко использовался до 1920-х годов. ^{[105] [143]}

Вакуумные лампы [ править ]

К началу 20 века, хотя физические причины отрицательного сопротивления не были поняты, инженеры знали, что оно может генерировать колебания, и начали применять его. ^[143] Генрих Баркгаузен в 1907 году показал, что осцилляторы должны иметь отрицательное сопротивление. ^[84] Эрнст Румер и Адольф Пипер обнаружили, что лампы на парах ртути могут создавать колебания, и к 1912 году AT&T использовала их для создания усилительных повторителей для телефонных линий . ^[143]

В 1918 году Альберт Халл из GE обнаружил, что электронные лампы могут иметь отрицательное сопротивление в некоторых частях своего рабочего диапазона из-за явления, называемого вторичной эмиссией . ^{[9] [36] [152]} В вакуумной трубке, когда электроны ударяются о пластинчатый электрод, они могут выбивать дополнительные электроны с поверхности в трубку. Это представляет собой ток вдали от пластины, уменьшая ток пластины. ^[9] При определенных условиях увеличение напряжения на пластине вызывает уменьшение тока пластины. Подключив LC-контур к трубке, Халл создал генератор, динатронный генератор.. Затем последовали и другие ламповые генераторы с отрицательным сопротивлением, такие как биотрон, изобретенный Джоном Скоттом-Таггартом в 1919 году, ^{[153] [154] [155]} и магнетрон, изобретенный Халлом в 1920 году ^[60].

Преобразователь отрицательного импеданса был разработан Мариусом Латуром около 1920 года. ^{[156] [157]} Он также был одним из первых, кто сообщил об отрицательной емкости и индуктивности. ^[156] Десять лет спустя сетевые адаптеры с электронными лампами были разработаны Джорджем Криссоном и другими в качестве повторителей телефонных линий в Bell Labs , ^{[26] [127],} что сделало возможной трансконтинентальную телефонную связь. ^[127] Транзисторные сетевые карты, впервые разработанные Линвиллом в 1953 году, вызвали значительный рост интереса к сетевым адаптерам и разработали множество новых схем и приложений. ^{[125] [127]}

Твердотельные устройства [ править ]

Отрицательное дифференциальное сопротивление в полупроводниках было обнаружено примерно в 1909 году в первых диодах с точечным переходом , названных детекторами кошачьих усов , такими исследователями, как Уильям Генри Экклс ^{[158] [159]} и GW Пикард . ^{[159] [160]} Они заметили, что, когда переходы смещались постоянным напряжением для повышения их чувствительности в качестве радиодетекторов, они иногда прерывались спонтанными колебаниями. ^[160] Однако эффект не был достигнут.

Первым, кто применил на практике диоды с отрицательным сопротивлением, был российский радиолог Олег Лосев , который в 1922 году обнаружил отрицательное дифференциальное сопротивление в смещенных точечных контактах из цинкита ( оксида цинка ). ^{[160] [161] [162] [163] [164]} Он использовал их для создания твердотельных усилителей , генераторов , усилительных и регенеративных радиоприемников , за 25 лет до изобретения транзистора. ^{[158] [162] [164] [165]} Позже он даже построил супергетеродинный приемник . ^[164]Однако его достижения не были замечены из-за успеха ламповой технологии. Через десять лет он отказался от исследований этой технологии (названной Хьюго Гернсбэком «Crystodyne» ) ^[165], и о ней забыли. ^[164]

Первым широко используемым твердотельным устройством с отрицательным сопротивлением был туннельный диод , изобретенный в 1957 году японским физиком Лео Эсаки . ^{[67] [166]} Поскольку они имеют более низкую паразитную емкость, чем вакуумные лампы, из-за их небольшого размера перехода, диоды могут работать на более высоких частотах, а туннельные диодные генераторы, как оказалось, способны производить мощность на сверхвысоких частотах, превышающих диапазон обычных ламповых генераторов . Его изобретение положило начало поиску других полупроводниковых устройств с отрицательным сопротивлением для использования в качестве микроволновых генераторов ^{[167], что} привело к открытию диода IMPATT ,Диод Ганна, диод TRAPATT и другие. В 1969 году Курокава вывел условия устойчивости в цепях с отрицательным сопротивлением. ^[136] В настоящее время диодные генераторы с отрицательным дифференциальным сопротивлением являются наиболее широко используемыми источниками микроволновой энергии ^[80], и в последние десятилетия было обнаружено множество новых устройств с отрицательным сопротивлением. ^[67]

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]