负阻抗变换器

负阻抗变换器第一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五实验目的

学习和了解负阻抗变换器的特性和应用。研究如何用运算放大器构成负阻抗变换器。了解有源器件在线性范围内工作的条件。第二页，共四十八页，编辑于2023年，星期五实验原理负转换器是一种双口器件，共有两种类型：电流反向负转换器（INC）和电压反向负转换器（VNC）。

电流反向负转换器，如图5.15.1（a）所示，其电压－电流关系为：图5.15.1（a）电流反向负转换器图5.15.1（b）电压反向负转换器

第三页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

上式表明，流入与流出电流反向负转换器的电流方向相反，输入电压与输出电压极性相同。即电流反向负转换器能转换电流的方向并保持电压的极性不变。 同理，电压反向负转换器，如图5.15.1（b）所示，其电压－电流关系为：

由上式可知，电压反向负转换器的特点是，转换输入电压的极性，而保持电流的方向不变。

第四页，共四十八页，编辑于2023年，星期五负阻抗变换器是用一个运算放大器构成的电流反向型负阻抗变换器，电路图如图5.15.2虚线部分所示。

图5.15.2

负阻抗变换器第五页，共四十八页，编辑于2023年，星期五 运算放大器输出端电压，再根据理想运算放大器，同相输入端“＋”和反相输入端“－”之间的“虚短”特性，可得，即；根据“虚断”特性，可得，。带入上式可得，根据负载Z1上的端电压和电流的参考方向，有，因此从输入端U1看入的输入阻抗。 第六页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

因此，U2端的负载阻抗Z1通过负阻抗变换器，在U1端可等效为负阻抗（－Z1），即从输入端的特性而言，上述端口相当于一个负阻抗元件。例如，当负载为电阻R，则从输入端看入，相当于一个负电阻（－R）。其电路伏安特性如图5.15.3所示。

第七页，共四十八页，编辑于2023年，星期五图5.15.3 负电阻的u－i特性第八页，共四十八页，编辑于2023年，星期五如果在图5.15.2所示具有负阻抗变换器的电路中，若负载Z1为R与C串联连接的容性负载，并在输入端并联电阻R，则该电路的输入阻抗可等值为R与L串联的感性负载，即：

令 所以，等值电感为：第九页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

同理，若负载为电阻R与电感L串联连接，并在输入端并联电阻R，则该电路的输入阻抗Zin可等值为电阻R与电容C串联的阻抗，等值电容。研究RLC串联电路的方波响应，由于实际电感元件本身存在直流电阻，因此，响应类型只能观察到有阻尼的情况。图5.15.4是利用具有负电阻的方波电源作为激励，由于电源的负电阻可以和电感器的电阻相抵消，因此，响应类型还可以出现无阻尼等幅振荡和负阻尼发散振荡的情况。第十页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

图5.15.4 RLC串联阶跃响应电路第十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

经负阻抗转换器转换后，

RS与R两个电阻一正一负，性质相反。因此，响应类型还可以出现无阻尼等幅振荡和负阻尼发散振荡的情况。

RS<R增幅振荡；RS=R等幅振荡；RS>R减幅振荡。

第十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

为了使得二阶瞬态重复，在示波器上得到稳定的波形，采用了方波输入的方法，因为功率函数发生器的接地端和示波器的接地端都已接在了插座的接地端上，在观察电容上的电压信号时所以必须电容的一端接到功率函数发生器的负端，即接地端。若要观察电阻上的电压信号时，（它与电流信号的波形相同），则必须交换电容和电阻的位置，将电阻的一端接到功率函数发生器的负端。第十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期五实验仪器数字示波器

1台功率函数发生器 1台直流稳压电源 1台可调电阻箱

1只可调电容箱

1只数字万用表

1只直流毫安表

1只交流毫伏表 1只第十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期五数字示波器第十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期五功率函数发生器第十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期五直流稳压电源第十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期五可调电阻箱第十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期五可调电容箱第十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期五数字万用表第二十页，共四十八页，编辑于2023年，星期五直流毫安表第二十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五交流毫伏表第二十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期五实验步骤电源输出电压固定，改变负载，读电压、电流，计算负阻抗。 按图5.15.2所示电路接线，电源电压固定为8V左右，R0为51Ω，负载Z1用电阻箱分别取1kΩ、1.2KΩ、1.4KΩ、1.6KΩ、1.8KΩ、2KΩ。分别记录以上几种情况下的电压表读数u1、电流表读数i1。将实验数据填入表1中，算出等值负阻抗，并与理论值相比较。 第二十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期五Z1/Ω100012001400160018002000u1/Vi1/mA等效电阻

理论值测量值/Ω第二十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期五负载固定，改变输入电压u1，测取负阻抗，伏安特性曲线；按图5.15.2所示电路接线，R0为51Ω，负载Z1取1kΩ，在1V～8V范围内，改变电源电压。依次取5个工作点，分别记录以上几种情况下的电压表、电流表读数。将实验数据填入表1中。u1/Vi1/mA等效电阻/Ω理论值－1000测量值第二十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期五阻抗逆变作用的观察与测量。按图5.15.5所示电路接线，为采样电阻，阻值取1kΩ，R0为51Ω，正弦信号输入，频率大致取3kHz，幅值取7V～8V左右，电阻R取1kΩ，电容C取0.1µF。 用双线示波器观察输入端的电压与电流的波形及相位关系。第二十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期五实验报告对任务1～3，按要求列出数据表格，测量、记录并计算相应的量，作出特性曲线，记录观察的波形，并与理论值相比较。对任务4，记下三种情况下的电阻值，记录三种情况下的波形，并从理论上分析讨论。第二十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期五实验现象负阻抗转换器的负载为电阻R时，从输入端看入，相当于一个负电阻（－R）。即当输入电流增大时，其端口电压下降；反之，端口电压增大。负阻抗转换器的负载为R与C串联连接的容性负载，并在输入端并联电阻R，则该电路的输入阻抗可等值为R与L串联的感性负载，等值电感。用示波器观察波形：电压相位超前电流相位。第二十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期五实验结果分析用无源元件能实现线性定常的负阻吗？答：不能。负阻抗元件在工作时是吸收还是发出功率？它的能量从何而来？答：负阻抗元件在工作时是发出功率的，它的能量 由运算放大器提供。第二十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期五实验相关知识预习知识及要求 相关知识点 注意事项 第三十页，共四十八页，编辑于2023年，星期五预习要求预习运算放大器的工作原理。预习用运算放大器构成负阻抗变换器的基本原理。预习二阶电路的构成及其特性。第三十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五相关知识点含运算放大器的电阻电路 负阻抗变换器 二阶电路 第三十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期五注意事项负阻抗变换器的电源极性及工作电压不能接错，以免损坏运算放大器。为保证精度，两个R0分别用一个固定电阻和一个电阻箱来实现其阻值相等。注意负阻抗变换器输入、输出端电流流向，电流表不要接反。信号发生器的输出不能太大，应由小到大，以免运算放大器不能正常工作，甚至损坏。第三十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期五用示波器观察时，两路输入信号要共地。第三十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期五实验标准报告一、实验目的学习和了解负阻抗变换器的特性和应用。研究如何用运算放大器构成负阻抗变换器。了解有源器件在线性范围内工作的条件。第三十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期五二、实验内容测量负阻阻值。测量负阻的伏安特性。用示波器观察电容经阻抗逆变后的电压和电流波形。第三十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期五三、实验仪器、设备 有源电路实验板 1块 数字示波器 1台 信号发生器 1台 直流稳压电源 1台 电阻箱 1只 电容箱 1只 数字万用表 1只 直流毫安表 1只第三十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期五四、实验用详细电路图1．负阻抗变换器第三十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期五2.阻抗逆变作用观察与测量电路第三十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期五五、实验原理及计算公式：负阻抗变换器是用一块运算放大器构成的电流反向型负阻抗变换器。其电路图如图5.15.2虚线部分所示。图5.15.2 负阻抗变换器第四十页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

运算放大器输出端电压，再根据理想运算放大器，同相输入端“＋”和反相输入端“－”之间的“虚短”特性，可得，即；根据“虚断”特性，可得，。带入上式可得，。 根据负载Z1上的端电压和电流的参考方向，有，因此从输入端U1看入的输入阻抗：

。第四十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五若负载Z1为R与C串联连接的容性负载，并在输入端并联电阻R，则该电路的输入阻抗可等值为R与L串联的感性负载，等值电感。这是因为，负载阻抗Z1经负阻抗变换器变换成（－Z1），输入阻抗Zin可看作R与负阻抗（－Z1）的并联等值阻抗，即第四十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期五令 ，故其等值电感。六、实验数据记录、计算电压固定，改变负载，读电压、电流，计算负阻抗；按图接线，电源电压固定为8V左右，R0为51Ω，负载Z1用电阻箱分别取1kΩ、1.2kΩ、1.4kΩ、1.6kΩ、1.8kΩ、2kΩ。分别记录以上几种情况下的电压表读数u1、电流表读数i1。实验后，将实验数据填入表1中，计算等值负阻抗，并与理论值相比较。第四十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期五Z1/Ω100012001400160018002000U1/V8.0568.0538.0518.0478.0458.043I1/mA－8.2－6.82－5.85－5.12－4.55－4.1等效电阻（Ω）理论值－1000－1200－1400－1600－1800－2000测量值－982.4－1180.8－1376.21571.7－1768.1－1961.7表5.15.1

负阻抗测试第四十四页，共四十八页，