基于Multisim的負電阻特性分析及應用

摘要：為了得到負阻值性質(zhì)的電路元件，采用正電阻與運算放大器進(jìn)行搭建的方法。對搭建構成的負電阻和負電阻的串并聯(lián)連接以及負電阻和正電阻的串并聯(lián)連接進(jìn)行了理論推導和Muhisim仿真實(shí)驗，兩種方法的結果一致且證明搭建構成的電路元件具有負電阻的特性。給出了一個(gè)負電阻的應用實(shí)例。得出了在存在負電阻的電阻串并聯(lián)等效變換中，負電阻的處理方法與正電阻一致的結論。
關(guān)鍵詞：負電阻；串并聯(lián)；應用；multisim

在工程實(shí)際中，負電阻十分有用，如在電源設計中可用負電阻來(lái)抵消電源內阻，使實(shí)際電源成為理想電源；在有源濾波器和振蕩器設計中，負電阻則可用來(lái)控制極點(diǎn)的位置；等等。在工程實(shí)際中不存在獨立的負電阻元件，要用其他電路元件來(lái)構成。本文用Multisim仿真軟件實(shí)現對負電阻的仿真和分析，以加深對負電阻的理解并對其理論進(jìn)行驗證。

1 負電阻的實(shí)現
在工程現實(shí)中，不存在像正電阻那樣的獨立負電阻元件，需要通過(guò)其它電路元件的合理搭建來(lái)實(shí)現。

圖1所示是一種常見(jiàn)的實(shí)現負電阻的電路，它是由正電阻和運算放大器構成。當運算放大器工作在線(xiàn)性區時(shí)，根據運放的“虛短”、“虛斷”特性及分壓關(guān)系有：

式(2)成立的條件是運算放大器必須工作在線(xiàn)性區域。如果運算放大器的輸出飽和電壓為Usat，則由式(1)可知，負電阻輸入端的電壓必須滿(mǎn)足：

由于R1、R2、R都是正電阻，因此Req為一負電阻。當R1=R2時(shí)，有Req=-R。
在負電阻的實(shí)現電路中，運算放大器反相輸入端的電阻R必須接地，說(shuō)明負電阻的兩端是有區別的。

2 負電阻特性的仿真分析
2．1 負電阻與負電阻的串并聯(lián)
圖2所示為兩個(gè)負電阻的串聯(lián)連接，由于負電阻的兩端有區別，在連接時(shí)應注意其連接端點(diǎn)。

根據運放的“虛短”、“虛斷”特性及分壓關(guān)系，可得到如下關(guān)系式

可見(jiàn)，負電阻與負電阻的串聯(lián)關(guān)系和正電阻一樣，滿(mǎn)足R=R1+R2的關(guān)系。并且，負電阻與負電阻串聯(lián)的等效電阻也是一負電阻。
由圖2還可看到，串聯(lián)負電阻的兩端不接地，具有雙向性?？梢匀我饨尤腚娐分?。
由式(3)可以推出，運算放大器工作于線(xiàn)性區的條件為