[科普中國(guó)]-負(fù)阻抗

負(fù)阻抗是電路理論中的一個(gè)重要基本概念，在工程實(shí)踐中有廣泛的應(yīng)用。負(fù)阻抗的產(chǎn)生除某些非線性元件（如隧道二極管）在某個(gè)電壓或電流的范圍內(nèi)具有負(fù)阻特性外，一般都由一個(gè)有源的雙端口網(wǎng)絡(luò)來(lái)形成一個(gè)等值的線性負(fù)阻抗。

負(fù)阻特性負(fù)阻特性也稱為負(fù)微分電阻特性，是指一些電路或電子元件在某特定埠的電流增加時(shí)，電壓反而減少的特性。

簡(jiǎn)介編輯

負(fù)阻特性也稱為負(fù)微分電阻特性，是指一些電路或電子元件在某特定埠的電流增加時(shí)，電壓反而減少的特性。一般的電阻在電流增加時(shí)，電壓也會(huì)增加，負(fù)阻特性恰好與電阻的特性相反。電壓隨電流變化的情形可以用微分電阻（differential resistance）r表示：

r = dV / dI沒(méi)有一個(gè)單一的電子元件，可以在所有工作范圍都呈現(xiàn)負(fù)阻特性，不過(guò)有些二極管（例如隧道二極管（英語(yǔ)：tunnel diode））在特定工作范圍下會(huì)有負(fù)阻特性。 圖一用共振隧道二極管（英語(yǔ)：resonant-tunneling diode）說(shuō)明其負(fù)阻特性。有些氣體在放電（英語(yǔ)：Gas discharge）時(shí)也會(huì)出現(xiàn)負(fù)阻特性。而一些硫族化物的玻璃、有機(jī)半導(dǎo)體及導(dǎo)電聚合物也有類似的負(fù)阻特性。負(fù)阻元件在電子學(xué)中可制作雙穩(wěn)態(tài)的切換電路及頻率接近微波頻率的震蕩電路。

性質(zhì)編輯

右圖繪出一個(gè)理想負(fù)電阻的電流-電壓關(guān)系，其斜率為負(fù)值。而一般電阻的斜率為正值。隧道二極管和耿氏二極管的電流-電壓關(guān)系圖中都有一個(gè)區(qū)域，其微分電阻為負(fù)值。這些元件和電阻一様也有二個(gè)端子，不過(guò)不是線性元件。單接合面晶體管若和其他元件組合成電路時(shí)，也會(huì)有負(fù)電阻的特性。若要有理想負(fù)電阻的特性，電路中需要有主動(dòng)元件提供能量。因?yàn)楫?dāng)電流流過(guò)負(fù)電阻時(shí)，負(fù)電阻即為一能量源。

依歐姆定律，電阻二端的電壓和電流成正比，其電流-電壓關(guān)系的圖形斜率為正，且會(huì)通過(guò)原點(diǎn)。理想負(fù)電阻其電流-電壓關(guān)系的圖形斜率為負(fù)，且會(huì)通過(guò)原點(diǎn)，因此只在圖中的第二和第四象限出現(xiàn)。像隧道二極管之類的元件，其斜率為負(fù)的部份未通過(guò)原點(diǎn)，因此隧道二極管中沒(méi)有能量源。

歷史編輯

以往研究時(shí)有注意到氣體放電元件及一些真空管（例如負(fù)耗阻性管（英語(yǔ)：dynatron））會(huì)有負(fù)阻效應(yīng)[4]。不過(guò)實(shí)用且有經(jīng)濟(jì)效益的元件一直到固態(tài)電子技術(shù)普及后才出現(xiàn)。典型的負(fù)阻抗電路—負(fù)阻抗變換器（英語(yǔ)：negative impedance converter）—是由約翰·林維爾（英語(yǔ)：John G. Linvill）在1953年發(fā)明[5]。而典型差動(dòng)電阻為負(fù)值的元件—隧道二極管—?jiǎng)t是由江崎玲于奈在1958年發(fā)明[6]。

實(shí)際元件編輯

二極管隧道二極管有重?fù)诫s的半導(dǎo)體接面，其轉(zhuǎn)換曲線為"N"型，部份區(qū)域有負(fù)阻特性。真空管也可以設(shè)計(jì)成有負(fù)阻特性。其他有負(fù)阻特性的二極管一般會(huì)有"S"型轉(zhuǎn)換曲線。當(dāng)對(duì)元件施加偏壓，使工作點(diǎn)在負(fù)阻區(qū)域時(shí)，這些元件可以作為放大器，也可以對(duì)元件施加偏壓，使得在電壓變化時(shí)，元件可以在二個(gè)狀態(tài)之間快速的切換。

運(yùn)算放大器利用由運(yùn)算放大器組成的負(fù)阻抗轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生負(fù)電阻的電路。二個(gè)電阻R1及運(yùn)算放大器構(gòu)成了一個(gè)負(fù)回授的非反向型放大器，增益為2。若Z = R，假設(shè)運(yùn)算放大器為理想元件，則電路的輸入電阻為

Rin = -Z = -R電路的輸入埠可以視為是一個(gè)負(fù)電阻。

一般情形下也可以調(diào)整Z，使電路產(chǎn)生類似負(fù)電容或負(fù)電感的特性1。

應(yīng)用編輯

振蕩器許多振蕩電路會(huì)使用一埠的負(fù)阻元件，例如負(fù)耗阻性管、隧道二極管及耿氏二極管等。在振蕩電路中，像LC電路、石英晶體諧振器或諧振腔等會(huì)和有施加偏壓的負(fù)阻元件相接。負(fù)阻元件可以抵消振蕩電路中電阻帶來(lái)的能量損失，使振蕩電路可以持續(xù)振蕩。這類電路多半是用在微波波長(zhǎng)的振蕩電路。振蕩電路也會(huì)使用一些功率擴(kuò)大元件（如真空管）的負(fù)阻．像負(fù)耗阻性管振蕩器（英語(yǔ)：dynatron oscillator）即為一例。

混頻器及頻率轉(zhuǎn)換器隧道二極管高度非線性的特性可用在混頻器中，隧道混頻器若配合偏壓，使隧道二極管工作在負(fù)阻的區(qū)域，隧道混頻器的轉(zhuǎn)換增益至少會(huì)提高20 dB。

天線設(shè)計(jì)無(wú)線電天線設(shè)計(jì)的領(lǐng)域也會(huì)用到負(fù)阻的概念，一般會(huì)稱為負(fù)阻抗。天線上常會(huì)配合主動(dòng)元件，再利用一到多個(gè)主動(dòng)元件來(lái)產(chǎn)生顯著的負(fù)阻抗。

阻抗消除負(fù)阻抗也可以用來(lái)抵消正阻抗的影響，例如抵消電壓源中的內(nèi)阻或是使電流源的內(nèi)阻變成無(wú)限大。此技術(shù)已用在電路線的中繼器及類似Howland電流源（Howland current source）、Deboo 積分器（Deboo integrator）及負(fù)載抵消電路等。

負(fù)阻抗負(fù)阻抗是電路理論中的一個(gè)重要基本概念，在工程實(shí)踐中有廣泛的應(yīng)用。負(fù)阻抗的產(chǎn)生除某些非線性元件（如隧道二極管）在某個(gè)電壓或電流的范圍內(nèi)具有負(fù)阻特性外，一般都由一個(gè)有源的雙端口網(wǎng)絡(luò)來(lái)形成一個(gè)等值的線性負(fù)阻抗。

根據(jù)伏安特性的不同，具有負(fù)阻抗的器件可分兩大類；一類是伏安特性及其電流隨電壓?jiǎn)沃底兓?，?dāng)電壓升高到一定值時(shí)，電流反而迅速下降，這一段電壓升高，電流反而下降的特性稱為電壓控制型負(fù)阻抗特性，它等效的交流電源類似于交流恒壓源，如隧道二極管等器件就具有這類特性。另一類的伏安特性電壓隨電流單值變化，當(dāng)電流升高到一定值時(shí)，電壓反而下降，這一段電流升高，電壓反而下降的特性稱為電流控制型負(fù)阻抗特性，它等效的交流電源類似于交流恒流源，如單結(jié)晶體管、工作于雪崩擊穿壓的晶體三報(bào)管等器件具有這類特性。另外，由晶體三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等器件的輸出特性曲線可知，其負(fù)載線的斜率也為負(fù)值，所以有源器件也呈現(xiàn)負(fù)阻抗特性，當(dāng)有源器件構(gòu)成放大器時(shí)，它能向負(fù)載提供能量。

負(fù)阻抗變換器廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域直流放大電路。在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中，特別是在一些測(cè)量?jī)x器和自動(dòng)化控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所