12.5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ (NIC)

Иногда возникает необходимость использования отрицательного сопротивления или источника напряжения с отрицательным внутренним сопротивлением. По определению сопротивление где направления тока и напряжения совпадают. Если же в двухполюснике направления протекающего тока и приложенного напряжения не совпадают, отношение будет отрицательным. Говорят, что такой двухполюсник обладает отрицательным сопротивлением. Отрицательные

Рис. 12.21. Эквивалентная схема преобразователя INIC с управляемыми источниками тока.

Рис. 12.22. Схема преобразователя INIC на операционном усилителе.

сопротивления могут быть получены только с применением активных схем, которые называют преобразователями отрицательного сопротивления (NIC). Существует два типа преобразователей: для изменения знака напряжения при неизменном направлении тока (UNIC) и для изменения знака тока при неизменном знаке напряжения (INIC). Схемная реализация INIC достаточно проста. Его идеализированные уравнения имеют следующий вид:

Эта уравнения соответствуют источнику напряжения, управляемому напряжением, и источнику тока, управляемому током (рис. 12.21). Два таких источника могут быть реализованы с помощью всего лишь одного операционного усилителя. Соответствующая схема преобразователя INIC приведена на рис. 12.22.

На входах идеального операционного усилителя напряжения равны, т.е. и при этом Выходное напряжение операционного усилителя в этом случае определяется как

При этом входной ток усилителя, как и требуется, будет равен

При выводе последних соотношений предполагалось, что схема находится в устойчивом состоянии. Однако, поскольку операционный усилитель охвачен одновременно положительной и отрицательной обратными связями, следует принять меры, чтобы выполнялись условия устойчивости. Рассчитаем, какая часть выходного напряжения поступает на каждый из входов операционного усилителя. Для этого рассмотрим схему на рис. 12.23. Здесь -внутренние сопротивления подключенных к преобразователю схем. В этом случае напряжение отрицательной обратной связи

а напряжение положительной обратной связи

Для обеспечения устойчивости схемы необходимо, чтобы удовлетворялось условие

Пример практического применения преобразователя INIC приведен на рис. 12.24. Этот преобразователь предназначен для

Рис. 12.23. Нагруженный преобразователь

Рис. 12.24. Схема получения отрицательного сопротивления. Отрицательное сопротивление

получения отрицательного активного сопротивления. При подаче на вход положительного сигнала напряжение равно [это следует из формул (12.16)] и ток будет положительным. Из формул (12.16) следует также, что

Таким образом, входной ток схемы будет отрицательным, хотя напряжение положительно. Следовательно, входное сопротивление схемы отрицательное:

Схема сохраняет устойчивость, пока внутреннее сопротивление источника напряжения меньше сопротивления Такое же отрицательное сопротивление может быть получено, если преобразователь будет включен в обратном направлении (т.е. при подключении сопротивления на вход схемы и подаче входного напряжения на ее выход).

Поскольку уравнения (12.16) удовлетворяются и для переменных токов, активное сопротивление в них можно заменить полным сопротивлением и при этом также получить необходимое отрицательное полное сопротивление.

Преобразователь INIC можно использовать в качестве источника напряжения с отрицательным выходным сопротивлением. Источник напряжения с напряжением холостого хода и выходным сопротивлением при наличии нагрузки выдает напряжение . В обычном источнике положительно; при увеличении нагрузки выходное напряжение будет уменьшаться. В схеме источника напряжения с отрицательным выходным сопротивлением, наоборот, при увеличении нагрузки напряжение будет возрастать.

Рис. 12.25. Источник напряжения с отрицательным выходным сопротивлением. Выходное напряжение Выходное сопротивление

Этой особенностью обладает схема на рис. 12.25. Соответствующее ей уравнение имеет вид

Отсюда следует, что при

Возможность использования отрицательного сопротивления расширяет границы применимости последовательного и параллельного соединения сопротивлений. Например, можно так рассчитать источник напряжения с отрицательным сопротивлением, чтобы скомпенсировать сопротивление длинной линии передачи выходного напряжения. При этом на выходе линии получим напряжение с нулевым выходным сопротивлением.