負(fù)阻抗變換器和回轉(zhuǎn)器1

本文格式為Word版，下載可任意編輯——負(fù)阻抗變換器和回轉(zhuǎn)器1負(fù)阻抗變換器和回轉(zhuǎn)器設(shè)計

運(yùn)算放大器的應(yīng)用

摘要抗變換器和回轉(zhuǎn)器是兩個具有實用意義的器件。本文從理論和仿

真分析兩方面研究負(fù)阻抗變換器的性能并得到一些實用的結(jié)論。并且對負(fù)阻抗進(jìn)行了詳細(xì)的分類探討，從不同角度分析了負(fù)阻抗變換器的實現(xiàn)。進(jìn)而探討如何用兩個負(fù)阻抗變換器實現(xiàn)回轉(zhuǎn)器，以及探討回轉(zhuǎn)器在實現(xiàn)模擬電感上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞運(yùn)算放大器；復(fù)阻抗變換器；回轉(zhuǎn)器；模擬電感；

姓名：賴森鋒學(xué)號：0804210127

引言

近代電路理論和電工電子技術(shù)的發(fā)展，在實踐中又研究了大量種新型元件，例如負(fù)阻抗變換器(negative-impedanceconvertor，NIC)和回轉(zhuǎn)器，負(fù)阻抗變換器（NIC）是一種二端口器件，是電路理論中的一個重要的基本概念，在工程實踐中也有廣泛的應(yīng)用。負(fù)阻抗變換器（NIC）一般由一個有源雙口網(wǎng)絡(luò)形成一個等值的線性負(fù)阻抗。該網(wǎng)絡(luò)由線性集成電路或晶體管等元件組成。負(fù)阻抗變換器可分為電流反相型（INIC）和電壓反相型(VNIC)。通過此次研究與設(shè)計，了解負(fù)阻抗變換器的原理及其運(yùn)算放大器的實現(xiàn)，加深對負(fù)電阻(阻抗)特性的認(rèn)識。同時研究INIC和VNIC接法的開路穩(wěn)定性及短路穩(wěn)定性。它們不但在理論上，而且在實踐上都有很重要的意義。負(fù)阻抗變換器能夠起逆變阻抗的作用，即具有把一個正阻抗變?yōu)樨?fù)阻抗的才干，分電流反向型和電壓反向型。

回轉(zhuǎn)器能回轉(zhuǎn)阻抗的特性，廣泛用于大規(guī)模集成電路。由于在一個微小的單晶片上制造尺寸小且無損耗的電感元件十分困難，但電容元件卻易于制作，利用回轉(zhuǎn)器將電容元件回轉(zhuǎn)為電感元件，即能實現(xiàn)上述要求。本文首先研究了負(fù)阻抗變換器的一些基本性質(zhì)，然后介紹如何利用負(fù)阻抗變換器實現(xiàn)回轉(zhuǎn)器，進(jìn)而指出其應(yīng)用。

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正文

一．負(fù)阻抗變換器的電路理論

工程中常有一些非線性元件在一定的工作區(qū)域浮現(xiàn)負(fù)阻抗的特性（如隧道二極管等），可以利用運(yùn)算放大器二端口網(wǎng)絡(luò)可以形成一個等效的線性負(fù)阻抗，而這種由有源元件組成的網(wǎng)絡(luò)稱作負(fù)阻抗變換器。

依照有源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即輸入電壓、電流與輸出電壓、電流的關(guān)系，負(fù)阻抗變換器尋?？梢孕纬蓛煞N類型，分別叫做電流反向型負(fù)阻抗變換器（INIC）（如圖1所示）和電壓反向型負(fù)阻抗變換器（VNIC）（如圖2所示）。圖1圖2

1.對于INIC,做出如下分析

1）INIC參數(shù)推導(dǎo)有運(yùn)算放大器“虛短〞，“虛斷〞特性，分析易得：

U1=U2，I3R1=I4R2，I1=I3和I2=I4，因此，得I1R1=I2R2

式中，K=R2/R1為電流增益。

2

因此，易得

由上式可見，輸出電壓與輸入電壓一致，但實際輸出電流-I2不僅大小與輸入電流I1不同(為I1的1/K倍)而且方向也相反。換言之，當(dāng)輸入電流的實際方向與它的參考方向一致時，輸出電流的實際方向與它的參考方向相反(即和I2的參考方向一致)。

輸入端口1—1’看入的阻抗為

仿真電路為下圖，為圖3

2）INIC的OCS與SCS特性研究

取電壓3V，R1=R2=1kΩ，Z1=1Ω，改變Z2，測得的數(shù)據(jù)如表一：Z2（kΩ）10U2（V）3.00153.002-0.6040.604-513.004-3.0083.007-10.83.005-3.7603.759-0.80.53.007-6.0186.017-0.50.23.016-1515-0.20.1-1.90924-190.125T參數(shù)矩陣

I1（mA）-0.304I2（mA）0.303Zin=U1/I1-10（kΩ）

由表1分析得，當(dāng)運(yùn)放的輸出端負(fù)載很小時，電壓電流均不穩(wěn)定，不滿足T參

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數(shù)矩陣，而負(fù)載較大時，電壓電流穩(wěn)定，Zin與Z2滿足基本關(guān)系式，滿足T參數(shù)矩陣，這滿足負(fù)阻抗變換器的開路穩(wěn)定（OCS）。

取電壓3V，R1=R2=1kΩ，Z2=1kΩ，改變Z1，測得的數(shù)據(jù)如表二：Z1（Ω）U1（V）U2（V）I1（mA）I2（mA）Zin=U1/I1（kΩ）

由表2分析得，當(dāng)運(yùn)放的輸入端負(fù)載很大時，電壓電流不穩(wěn)定，不滿足T參數(shù)矩陣，而負(fù)載較小時，電壓電流穩(wěn)定，Zin與Z2滿足基本關(guān)系式，滿足T參數(shù)矩陣，這滿足負(fù)阻抗變換器的短路穩(wěn)定（SCS）。2.對于VNIC，有電路如圖4：

13.0033.003-3.0053.007-1103.0303.031-3.0323.034-11003.3343.335-3.3363.338-15006.0026.003-6.0046.009-1800-7.664-10.49513-11-0.61000-8.996-10.49512-11-0.91)VNIC參數(shù)推導(dǎo)

由運(yùn)算放大器“虛短〞，“虛斷〞特性，分析易得

4

，

又由于：

，可得即

因此，整理得：

T參數(shù)矩陣

由上式可見，輸出電流-I2與輸入電流I1一致，但輸出電壓U2不

僅大小與輸入電壓U1不同(為U1的1/K倍)而且方向也相反。若在NIC的輸出端口2—2’接上負(fù)載ZL，則有U2=-I2ZL。

輸入端口1—1’看入的阻抗為

2）VNIC的OCS與SCS特性研究

取電壓3V，R1=1kΩ，R2=4kΩ，Z1=1Ω，改變Z2，測得的數(shù)據(jù)如表一：Z2（kΩ）U2（V）I1（mA）I2（mA）Zin=U1/I1（Ω）

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10-12.010-1.2131.212-24705-12.015-2.4152.415-2421-12.054-1212-