负阻抗变换器的研究

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1、实验五负阻抗变换器的研究一、实验目的1．了解负阻抗变换器的原理及其运放实现。2．通过负阻器加深对负电阻(阻抗)特性的认识,掌握对含有负阻的电路的分析测量方法。二、实验原理负阻抗变换器(NIC)是一种二端口器件，如图5—1所示。图5—1通常，把端口1—1’处的U1和I1称为输入电压和输入电流，而把端口2—2’处的U2和-I2称为输出电压和输出电流。U1、I1和U2、I2的指定参考方向如图5—1中所示。根据输入电压和电流与输出电压和电流的相互关系，负阻抗变换器可分为电流反向型(CNIC)和电压反向型(VNIC)两种，对于CNIC，有U1=U2I1=()（）式

2、中K1为正的实常数，称为电流增益。由上式可见，输出电压与输入电压相同，但实际输出电流-I2不仅大小与输入电流I1不同(为I1的1/K1倍)而且方向也相反。换言之，当输入电流的实际方向与它的参考方向一致时，输出电流的实际方向与它的参考方向相反(即和I2的参考方向相同)。对于VNIC，有U1=U2I1=式中K2是正的实常数，称为电压增益。由上式可见，输出电流-I2与输入电流I1相同，但输出电压U2不仅大小与输入电压U1不同(为U1的1/K2倍)而且方向也相反。若在NIC的输出端口2—2’接上负载ZL，则有U2=-I2ZL。对于CNIC，从输入端口1—1’看入

3、的阻抗为对于VNIC，从输入端口1—1`看入的阻抗为若倒过来，把负载ZL接在输入端口1—1’，则有U1=-I1ZL，从输出端口2—2’看入，对于CNIC，有对于VNIC，有综上所述，NIC是这样一种二端口器件，它把接在一个端口的阻抗变换成另一端口的负阻抗。NIC可用受控源来实现，图5—2（a）和（b）分别给出了实现CNIC和VNIC的原理图。（a）(b)图5—2实用上通常采用运算放大器来实现NIC。本实验所用的CNIC即由线性集成运算放大器(HA17741型)构成，在一定的电压、电流范围内具有良好的线性度，其原理电路如图5—3所示。图5—3我们把选用的运

4、算放大器作为理想运算放大器来处理，则根据理想运算放大器的以下性质：(1)电压放大倍数A→∞，即运算放大器的同相、反相两个输入端如果不是直接接在理想电压源（或受控电压源），则两个输入端的电压相等（虚短路）。(2)输入阻抗Zi→∞,即电入两个输入端的电流为零。应有=U2，I3Z1=I4Z2，I1=I3和I2=I4，因此，得　　I1Z1=I2Z2式中，K1=Z2/Z1为电流增益。输入端口1—1’看入的阻抗为本实验中，取Z1=R1=1KΩ，Z2=R2=300Ω，得当ZL=RL时当时其中，当ZL=jωL时，其中，C’=三、实验内容1．测量负电阻的伏安特性，计算电流

5、增益K1及等值负阻图5—4(1)接通电源，检查15V电压，当电源接入正常时方可进行实验。(2)按图5—4接线。(3)调节电阻箱使负载电阻RL=500Ω。　(4)CNIC零点失调电压测量。输入短路，用数字万用表测量R1上的电压UR1，记下UR1值，若过大则数据处理时要进行修正。(2)改变稳压源输出电压为正、负不同值时分别测量U1及UR1记入表1。(3)RL=1KΩ，重复上述实验，数据表格自行设计。由前面可知，流入运算放大器输入端的电流为零，故I1全部流过R1因此I1可由式算出。注意UR1的参考方向，当UR1的实际方向与参考方向相反时，测得的UR1读数为负，

6、则I1也为负值，即I1的实际方向与参考方向相反。表1RL＝500ΩU1(V)321-1-2-3UR1(V)I1=UR1/R1(mA)R-=U1/I1（Ω）计算负电阻的平均值，负电阻的理论计算值表2误差计算列表如下：RL(Ω)(Ω)(Ω)ΔR_=－(Ω)(ΔR_／)×100%5001000(7)注意事项a．CNIC的输入电压绝对值½U1½<3(V)，输入电流绝对值½I1½<3(mA)。b．本实验也可采用正弦交流信号源。但应注意信号源内阻RS<8Ω，因CNIC的1—1`端口为短路稳定端口，过高的信号源内阻会使CNIC不稳定。若RS超过8Ω，则可在信号源输出端

7、口并联一个电阻箱调节电阻箱的阻值使等值输出电阻小于8Ω。应该指出，并联电阻将使信号源输出电压降低，当信号源内阻RS较大时，尤为严重，这一点要特别注意。2．测定负内阻电压源的外特性(1)按图5—5接线。若稳压电源的内阻近似为零，则1—1′端口的左边部分相当于电源电压为Us内阻为Rs+的有源二端网络(为的熔断丝电阻)。根据CNIC的性质，2—2′端口的左边电路也等效于一个有源二端网络，而且等效电源电压仍为Us，等效内阻为负电阻。图5—5换言之，2—2′端口的左边电路就是一个具有负内阻的电压源。按照图5—5所示的电压、电流参考方向，有U2=U1=Us－I1(R

8、s+Rf1)而I1=K1I2，得上式的等效电路如图5—6（a）所示。(a)(b)