Resistência negativa - Negative resistance

Lâmpada fluorescente , um dispositivo com resistência diferencial negativa. Em operação, um aumento na corrente através do tubo fluorescente causa uma queda na voltagem através dele. Se o tubo fosse conectado diretamente à linha de força, a queda da tensão do tubo faria com que mais e mais corrente fluísse, fazendo com que o arco se expusesse e se destruísse. Para evitar isso, tubos fluorescentes são conectados à linha de alimentação por meio de um reator . O reator adiciona impedância positiva (resistência AC) ao circuito para neutralizar a resistência negativa do tubo, limitando a corrente.

Na eletrônica , a resistência negativa ( NR ) é uma propriedade de alguns circuitos elétricos e dispositivos nos quais um aumento na tensão nos terminais do dispositivo resulta em uma diminuição na corrente elétrica através dele.

Isso está em contraste com um resistor comum no qual um aumento da tensão aplicada causa um aumento proporcional na corrente devido à lei de Ohm , resultando em uma resistência positiva . Enquanto uma resistência positiva consome energia da corrente que passa por ela, uma resistência negativa produz energia. Sob certas condições, pode aumentar a potência de um sinal elétrico, amplificando -o.

A resistência negativa é uma propriedade incomum que ocorre em alguns componentes eletrônicos não lineares . Em um dispositivo não linear, dois tipos de resistência podem ser definidos: 'estática' ou 'resistência absoluta', a proporção da tensão para a corrente , e a resistência diferencial , a proporção de uma mudança na tensão para a mudança resultante na corrente . A resistência termo negativo significa resistência diferencial negativa (NDR) , . Em geral, uma resistência diferencial negativa é um componente de dois terminais que pode amplificar , convertendo a energia CC aplicada a seus terminais em energia de saída CA para amplificar um sinal CA aplicado aos mesmos terminais. Eles são usados ​​em osciladores e amplificadores eletrônicos , principalmente em frequências de micro - ondas . A maior parte da energia de microondas é produzida com dispositivos de resistência diferencial negativa. Eles também podem ter histerese e ser biestáveis e, portanto, são usados ​​em circuitos de comutação e memória . Exemplos de dispositivos com resistência diferencial negativa são diodos túnel , diodos Gunn , e tubos de descarga de gás tais como as lâmpadas de néon , e luzes fluorescentes . Além disso, os circuitos que contêm dispositivos de amplificação, como transistores e amplificadores operacionais com feedback positivo, podem ter resistência diferencial negativa. Eles são usados ​​em osciladores e filtros ativos .

Por serem não lineares, os dispositivos de resistência negativa têm um comportamento mais complicado do que as resistências "ôhmicas" positivas normalmente encontradas em circuitos elétricos . Ao contrário da maioria das resistências positivas, a resistência negativa varia dependendo da tensão ou corrente aplicada ao dispositivo, e os dispositivos de resistência negativa só podem ter resistência negativa em uma porção limitada de sua faixa de tensão ou corrente. Portanto, não há um "resistor negativo" real análogo a um resistor positivo , que tem uma resistência negativa constante em uma faixa de corrente arbitrariamente ampla.

Um diodo Gunn , um dispositivo semicondutor com resistência diferencial negativa usado em osciladores eletrônicos para gerar microondas

Definições

Uma curva I – V , mostrando a diferença entre a resistência estática (inclinação inversa da linha B) e a resistência diferencial (inclinação inversa da linha C) em um ponto (A) .

A resistência entre dois terminais de um dispositivo ou circuito elétrico é determinada por sua curva corrente-tensão ( I-V ) ( curva característica ), fornecendo a corrente que passa por ele para qualquer tensão dada . A maioria dos materiais, incluindo as resistências comuns (positivas) encontradas em circuitos elétricos, obedecem à lei de Ohm ; a corrente através deles é proporcional à tensão em uma ampla faixa. Portanto, a curva I – V de uma resistência ôhmica é uma linha reta através da origem com inclinação positiva. A resistência é a razão entre a tensão e a corrente, a inclinação inversa da linha (em gráficos I – V onde a tensão é a variável independente) e é constante.

A resistência negativa ocorre em alguns dispositivos não lineares ( não hmicos). Em um componente não linear, a curva I – V não é uma linha reta, portanto, não obedece à lei de Ohm. A resistência ainda pode ser definida, mas a resistência não é constante; varia com a tensão ou corrente através do dispositivo. A resistência de tal dispositivo não linear pode ser definida de duas maneiras, que são iguais para resistências ôhmicas:

Os quadrantes do plano I – V , mostrando regiões que representam dispositivos passivos (branco) e dispositivos ativos ( vermelho )
  • Resistência estática (também chamada de resistência cordal , resistência absoluta ou apenas resistência ) - Esta é a definição comum de resistência; a tensão dividida pela corrente:
.
É a inclinação inversa da linha ( corda ) da origem até o ponto na curva I – V. Em uma fonte de energia, como uma bateria ou gerador eléctrico , a corrente positiva flui para fora do terminal de tensão positiva, oposto ao sentido da corrente em um resistor, de modo que a partir da convenção de sinal passivo e têm sinais opostos, que representa os pontos que se encontram na segunda ou 4 quadrante da I-V plano (direita diagrama) . Assim, as fontes de energia formalmente têm resistência estática negativa (no entanto, este termo nunca é usado na prática, porque o termo "resistência" só se aplica a componentes passivos. A resistência estática determina a dissipação de energia em um componente. Dispositivos passivos , que consomem energia elétrica, têm resistência estática positiva; enquanto dispositivos ativos , que produzem energia elétrica, não.
  • Resistência diferencial (também chamada de resistência dinâmica ou incremental ) - É a derivada da tensão em relação à corrente; a razão de uma pequena mudança na tensão para a mudança correspondente na corrente, a inclinação inversa da curva I – V em um ponto:
.
A resistência diferencial só é relevante para correntes que variam com o tempo. Os pontos na curva onde a inclinação é negativa (diminuindo para a direita), significando que um aumento na tensão causa uma diminuição na corrente, têm resistência diferencial negativa ( ) . Dispositivos deste tipo podem amplificar sinais e são o que geralmente se entende pelo termo "resistência negativa".

A resistência negativa, assim como a resistência positiva, é medida em ohms .

A condutância é o recíproco da resistência . É medido em siemens (anteriormente mho ), que é a condutância de um resistor com resistência de um ohm . Cada tipo de resistência definida acima tem uma condutância correspondente

  • Condutância estática
  • Condutância diferencial

Pode-se ver que a condutância tem o mesmo sinal de sua resistência correspondente: uma resistência negativa terá uma condutância negativa enquanto uma resistência positiva terá uma condutância positiva.

Fig. 1: Curva I – V de resistência linear ou "ôhmica", o tipo comum de resistência encontrado em circuitos elétricos. A corrente é proporcional à tensão, então tanto a resistência estática quanto a diferencial são positivas
Fig. 2: Curva I – V com resistência diferencial negativa ( região vermelha ) . A resistência diferencial em um ponto P é a inclinação inversa da reta tangente ao gráfico naquele ponto


Uma vez que e , no ponto
P .
Fig. 3: Curva I – V de uma fonte de alimentação. No segundo quadrante ( região vermelha ), a corrente flui do terminal positivo, de modo que a energia elétrica flui do dispositivo para o circuito. Por exemplo, no ponto P , e , então
Fig. 4: Curva I – V de uma resistência linear negativa ou "ativa" (AR, vermelho ) . Possui resistência diferencial negativa e resistência estática negativa (está ativo):

Operação

Uma maneira pela qual os diferentes tipos de resistência podem ser distinguidos é nas direções da corrente e da energia elétrica entre um circuito e um componente eletrônico. As ilustrações abaixo, com um retângulo representando o componente conectado a um circuito, resumem como os diferentes tipos funcionam:

As variáveis ​​de tensão ve corrente i em um componente elétrico devem ser definidas de acordo com a convenção de sinais passivos ; a corrente convencional positiva é definida para entrar no terminal de tensão positiva; isso significa que a potência P fluindo do circuito para o componente é definida como positiva, enquanto a energia fluindo do componente para o circuito é negativa. Isso se aplica à corrente DC e AC. O diagrama mostra as direções para valores positivos das variáveis. Passive sign convention.svg
Em uma resistência estática positiva , , então v e i têm o mesmo sinal. Portanto, a partir da convenção do sinal passivo acima, a corrente convencional (fluxo de carga positiva) passa pelo dispositivo do terminal positivo para o negativo, na direção do campo elétrico E ( potencial decrescente ). de modo que os encargos perder potencial energético fazendo trabalho no dispositivo, e energia elétrica flui do circuito no dispositivo, onde é convertida em calor ou alguma outra forma de energia (amarelo) . Se a tensão de CA é aplicada, e direcção periodicamente inversa, mas a instantânea sempre flui a partir do mais elevado potencial para o potencial mais baixo. Animação de carga elétrica 2.gif
Em uma fonte de energia , , por isso e têm sinais opostos. Isso significa que a corrente é forçada a fluir do terminal negativo para o positivo. As acusações ganhar energia potencial, por isso, o poder flui para fora do dispositivo no circuito: . O trabalho (amarelo) deve ser feito nas cargas por alguma fonte de energia no dispositivo para fazê-las se mover nesta direção contra a força do campo elétrico. Animação da fonte de energia elétrica 2.gif
Numa passiva resistência diferencial negativo , apenas a componente AC da corrente flui na direcção inversa. A resistência estática é positiva para os fluxos de corrente de positivo para negativo: . Mas a corrente (taxa de fluxo de carga) diminui à medida que a tensão aumenta. Portanto, quando uma tensão variável no tempo (CA) é aplicada além de uma tensão CC (direita) , a corrente variável e os componentes de tensão têm sinais opostos . Isso significa que a corrente CA instantânea flui através do dispositivo na direção de aumentar a tensão CA , de modo que a energia CA flui do dispositivo para o circuito. O dispositivo consome energia CC, parte da qual é convertida em energia de sinal CA que pode ser fornecida a uma carga no circuito externo, permitindo que o dispositivo amplifique o sinal CA aplicado a ele. Resistência diferencial negativa animation.gif

Tipos e terminologia

r diff  > 0
Resistência diferencial positiva
r diff  <0
Resistência diferencial negativa
R estático  > 0
Passivo:
Consome
potência líquida
Resistências positivas:
  • Resistores
  • Diodos ordinários
  • Componentes mais passivos
Resistências diferenciais negativas passivas:
  • Diodos de túnel
  • Diodos Gunn
  • Tubos de descarga de gás
R estático  <0
Ativo:
Produz
potência líquida
Fontes de energia:
  • Baterias
  • Geradores
  • Transistores
  • Componentes mais ativos

Amplificadores de feedback positivo de "resistores ativos" usados ​​em:
  • Osciladores de feedback
  • Conversores de impedância negativa
  • Filtros ativos

Em um dispositivo eletrônico, a resistência diferencial , a resistência estática ou ambas podem ser negativas, portanto, existem três categorias de dispositivos (fig. 2–4 acima e tabela) que podem ser chamados de "resistências negativas".

O termo "resistência negativa" quase sempre significa resistência diferencial negativa . Os dispositivos de resistência diferencial negativa têm recursos exclusivos: eles podem atuar como amplificadores de uma porta , aumentando a potência de um sinal variável no tempo aplicado à sua porta (terminais) ou excitar oscilações em um circuito sintonizado para formar um oscilador. Eles também podem ter histerese . Não é possível que um dispositivo tenha resistência diferencial negativa sem uma fonte de alimentação, e esses dispositivos podem ser divididos em duas categorias, dependendo se obtêm energia de uma fonte interna ou de sua porta:

Diagrama de resistência negativa. GIF
  • Dispositivos passivos de resistência diferencial negativa (fig. 2 acima): São os tipos mais conhecidos de "resistências negativas"; componentes passivos de dois terminais cuja curva I – V intrínseca tem uma "torção" para baixo, fazendo com que a corrente diminua com o aumento da tensão em uma faixa limitada. A curva I – V , incluindo a região de resistência negativa, encontra-se no primeiro e no terceiro quadrantes do plano, de modo que o dispositivo tem resistência estática positiva. Exemplos são tubos de descarga de gás , diodos de túnel e diodos de Gunn . Esses dispositivos não têm fonte de alimentação interna e, em geral, funcionam convertendo a alimentação DC externa de sua porta em alimentação de variação no tempo (AC), portanto, eles exigem uma corrente de polarização DC aplicada à porta além do sinal. Para aumentar a confusão, alguns autores chamam esses dispositivos "ativos", pois podem amplificar. Esta categoria também inclui alguns dispositivos de três terminais, como o transistor unijunction. Eles são abordados na seção Resistência diferencial negativa abaixo.
Resistências diferenciais negativas ativas.svg
  • Dispositivos de resistência diferencial negativa ativa (fig. 4): Os circuitos podem ser projetados nos quais uma tensão positiva aplicada aos terminais causará uma corrente "negativa" proporcional; uma corrente fora do terminal positivo, o oposto de um resistor comum, em uma faixa limitada. Ao contrário dos dispositivos acima, a região descendente da curva I-V passa pela origem, portanto, fica na 2ª e 4ª quadrantes do plano, significando que as fontes de energia do dispositivo. Dispositivos de amplificação como transistores e amplificadores operacionais com feedback positivo podem ter esse tipo de resistência negativa e são usados ​​em osciladores de feedback e filtros ativos . Uma vez que esses circuitos produzem energia de rede a partir de suas portas, eles devem ter uma fonte de energia CC interna ou então uma conexão separada a uma fonte de energia externa. Na teoria do circuito, isso é chamado de "resistor ativo". Embora esse tipo às vezes seja referido como resistência negativa "linear", "absoluta", "ideal" ou "pura" para distingui-lo das resistências diferenciais negativas "passivas", na eletrônica é mais frequentemente chamado simplesmente de feedback positivo ou regeneração . Eles são abordados na seção Resistores ativos abaixo.
Uma bateria tem resistência estática negativa (vermelha) acima de sua faixa normal de operação, mas resistência diferencial positiva.

Ocasionalmente, as fontes de energia comuns são chamadas de "resistências negativas" (fig. 3 acima). Embora a resistência "estática" ou "absoluta" dos dispositivos ativos (fontes de energia) possa ser considerada negativa (consulte a seção Resistência estática negativa abaixo), a maioria das fontes de energia comuns (CA ou CC), como baterias , geradores e (feedback não positivo ) amplificadores, têm resistência diferencial positiva (a resistência da fonte ). Portanto, esses dispositivos não podem funcionar como amplificadores de uma porta ou ter os outros recursos de resistências diferenciais negativas.

Lista de dispositivos de resistência negativa

Os componentes eletrônicos com resistência diferencial negativa incluem estes dispositivos:

Descargas elétricas através de gases também apresentam resistência diferencial negativa, incluindo esses dispositivos

Além disso, circuitos ativos com resistência diferencial negativa também podem ser construídos com dispositivos de amplificação como transistores e amplificadores operacionais , usando feedback . Vários novos materiais e dispositivos experimentais de resistência diferencial negativa foram descobertos nos últimos anos. Os processos físicos que causam resistência negativa são diversos, e cada tipo de dispositivo tem suas próprias características de resistência negativa, especificadas por sua curva de corrente-tensão .

Resistência estática negativa ou "absoluta"

Um resistor estático positivo (à esquerda) converte energia elétrica em calor, aquecendo seus arredores. Mas uma resistência estática negativa não pode funcionar assim ao contrário (direita) , convertendo o calor ambiente do ambiente em energia elétrica, porque violaria a segunda lei da termodinâmica que requer uma diferença de temperatura para produzir trabalho. Portanto, uma resistência estática negativa deve ter alguma outra fonte de energia.

Um ponto de alguma confusão é se a resistência comum (resistência "estática" ou "absoluta" ) pode ser negativa. Na eletrônica, o termo "resistência" costuma ser aplicado apenas a materiais e componentes passivos - como fios, resistores e diodos . Estes não podem ter como mostrado a lei de Joule . Um dispositivo passivo consome energia elétrica, portanto, da convenção de signos passivos . Portanto, da lei de Joule . Em outras palavras, nenhum material pode conduzir melhor a corrente elétrica do que um condutor "perfeito" com resistência zero. Para um dispositivo passivo ter violaria tanto a conservação de energia ou a segunda lei da termodinâmica , (diagrama) . Portanto, alguns autores afirmam que a resistência estática nunca pode ser negativa.

De KVL , a resistência estática de uma fonte de alimentação ( R S ), como uma bateria, é sempre igual ao negativo da resistência estática de sua carga ( R L ).

No entanto, é facilmente mostrado que a relação entre a tensão e a corrente v / i nos terminais de qualquer fonte de alimentação (CA ou CC) é negativa. Para que a energia elétrica ( energia potencial ) flua de um dispositivo para o circuito, a carga deve fluir através do dispositivo na direção do aumento da energia potencial, a corrente convencional (carga positiva) deve passar do terminal negativo para o positivo. Portanto, a direção da corrente instantânea está fora do terminal positivo. Isso é oposto à direção da corrente em um dispositivo passivo definido pela convenção de sinal passivo, de modo que a corrente e a tensão têm sinais opostos e sua razão é negativa

Isso também pode ser provado pela lei de Joule

Isso mostra que a energia pode fluir de um dispositivo para o circuito ( ) se e somente se . Se essa quantidade é ou não referida como "resistência" quando negativa, é uma questão de convenção. A resistência absoluta das fontes de energia é negativa, mas não deve ser considerada "resistência" no mesmo sentido que as resistências positivas. A resistência estática negativa de uma fonte de alimentação é uma quantidade bastante abstrata e não muito útil, pois varia com a carga. Devido à conservação de energia , é sempre simplesmente igual ao negativo da resistência estática do circuito conectado (direita) .

O trabalho deve ser feito nas cargas por alguma fonte de energia no dispositivo, para fazê-las se moverem em direção ao terminal positivo contra o campo elétrico, de modo que a conservação da energia requer que as resistências estáticas negativas tenham uma fonte de energia. A energia pode vir de uma fonte interna que converte alguma outra forma de energia em energia elétrica como em uma bateria ou gerador, ou de uma conexão separada a um circuito de fonte de alimentação externo como em um dispositivo de amplificação como um transistor , tubo de vácuo ou op amp .

Passividade eventual

Um circuito não pode ter resistência estática negativa (estar ativo) em uma faixa infinita de tensão ou corrente, porque ele teria que ser capaz de produzir potência infinita. Qualquer circuito ativo ou dispositivo com uma fonte de energia finita é " eventualmente passivo ". Esta propriedade significa que se uma tensão externa grande o suficiente ou corrente de qualquer polaridade for aplicada a ele, sua resistência estática torna-se positiva e ele consome energia

onde é a potência máxima que o dispositivo pode produzir.

Portanto, as extremidades da curva I – V irão eventualmente virar e entrar no primeiro e terceiro quadrantes. Assim, o intervalo da curva com resistência estática negativa é limitado, confinado a uma região em torno da origem. Por exemplo, aplicar uma voltagem a um gerador ou bateria (gráfico acima) maior do que sua voltagem de circuito aberto inverterá a direção do fluxo de corrente, tornando sua resistência estática positiva, de modo que consome energia. Do mesmo modo, a aplicação de uma voltagem para o conversor de impedância negativa abaixo maior do que a sua tensão de fonte de alimentação V s fará com que o amplificador de saturar, também tornando a sua resistência positiva.

Resistência diferencial negativa

Em um dispositivo ou circuito com resistência diferencial negativa (NDR), em alguma parte da curva I – V a corrente diminui à medida que a tensão aumenta:

A curva I – V é não monotônica (tendo picos e vales) com regiões de inclinação negativa representando resistência diferencial negativa.

Resistência diferencial negativa
Tensão controlada (tipo N)
Corrente controlada (tipo S)

As resistências diferenciais negativas passivas têm resistência estática positiva ; eles consomem energia líquida. Portanto, a curva I – V está confinada ao primeiro e terceiro quadrantes do gráfico e passa pela origem. Este requisito significa (excluindo alguns casos assintóticos) que a (s) região (ões) de resistência negativa devem ser limitadas e circundadas por regiões de resistência positiva e não podem incluir a origem.

Tipos

As resistências diferenciais negativas podem ser classificadas em dois tipos:

  • Resistência negativa controlada por tensão ( VCNR , curto-circuito estável ou tipo " N "): Neste tipo, a corrente é uma função contínua e de valor único da tensão, mas a tensão é uma função de vários valores da corrente. No tipo mais comum, há apenas uma região de resistência negativa, e o gráfico é uma curva com a forma geral da letra "N". Conforme a tensão é aumentada, a corrente aumenta (resistência positiva) até atingir um máximo ( i 1 ), então diminui na região de resistência negativa para um mínimo ( i 2 ), então aumenta novamente. Dispositivos com esse tipo de resistência negativa incluem o diodo de túnel , o diodo de tunelamento ressonante , o diodo lambda , o diodo Gunn e os osciladores de dinatron .
  • Resistência negativa controlada por corrente ( CCNR , circuito aberto estável ou tipo " S "): Neste tipo, o dual do VCNR, a tensão é uma função de valor único da corrente, mas a corrente é uma função multivalorada da tensão . No tipo mais comum, com uma região de resistência negativa, o gráfico é uma curva com o formato da letra "S". Dispositivos com este tipo de resistência negativa incluem o diodo IMPATT , UJT, SCRs e outros tiristores , arco elétrico e tubos de descarga de gás .

A maioria dos dispositivos possui uma única região de resistência negativa. No entanto, dispositivos com várias regiões de resistência negativa separadas também podem ser fabricados. Eles podem ter mais de dois estados estáveis ​​e são de interesse para uso em circuitos digitais para implementar lógica multivalorada .

Um parâmetro intrínseco usado para comparar diferentes dispositivos é a razão de corrente de pico a vale (PVR), a razão da corrente no topo da região de resistência negativa para a corrente na parte inferior (veja os gráficos acima) :

Quanto maior for, maior será a saída CA potencial para uma determinada corrente de polarização CC e, portanto, maior será a eficiência

Amplificação

Circuito amplificador de diodo de túnel. Como a resistência total, a soma das duas resistências em série ( ) é negativa, então um aumento na tensão de entrada causará uma diminuição na corrente. O ponto de operação do circuito é a interseção entre a curva do diodo (preta) e a linha de carga do resistor (azul) . Um pequeno aumento na tensão de entrada, (verde) movendo a linha de carga para a direita, causa uma grande diminuição na corrente através do diodo e, portanto, um grande aumento na tensão através do diodo .

Um dispositivo de resistência diferencial negativa pode amplificar um sinal CA aplicado a ele se o sinal for polarizado com uma tensão ou corrente CC para ficar dentro da região de resistência negativa de sua curva I – V.

O circuito de diodo de túnel (veja o diagrama) é um exemplo. O diodo túnel TD tem resistência diferencial negativa controlada por tensão. A bateria adiciona uma tensão constante (polarização) ao diodo para que ele opere em sua faixa de resistência negativa e fornece energia para amplificar o sinal. Suponha que a resistência negativa no ponto de polarização seja . Para estabilidade deve ser menor que . Usando a fórmula para um divisor de tensão , a tensão de saída CA é

  então o ganho de voltagem é  

Em um divisor de tensão normal, a resistência de cada ramo é menor que a resistência do todo, então a tensão de saída é menor que a de entrada. Aqui, devido à resistência negativa, a resistência CA total é menor que a resistência do diodo sozinho, então a tensão de saída CA é maior do que a entrada . O ganho de tensão é maior que um e aumenta sem limite conforme se aproxima .

Explicação do ganho de potência

Uma tensão CA aplicada a um NDR polarizado. Como a mudança na corrente e na tensão têm sinais opostos (mostrados por cores) , a dissipação de energia CA Δ v Δ i é negativa , o dispositivo produz energia CA em vez de consumi-la.
Circuito CA equivalente do NDR conectado ao circuito externo. O NDR atua como uma fonte de corrente CA dependente de valor Δ i = Δ v / r . Como a corrente e a tensão estão 180 ° fora de fase, a corrente CA instantânea Δ i flui para fora do terminal com tensão CA positiva Δ v . Portanto, adiciona à fonte CA a corrente Δ i S através da carga R , aumentando a potência de saída.

Os diagramas ilustram como um dispositivo de resistência diferencial negativa polarizada pode aumentar a potência de um sinal aplicado a ele, amplificando-o, embora tenha apenas dois terminais. Devido ao princípio de superposição, a tensão e a corrente nos terminais do dispositivo podem ser divididas em um componente de polarização CC ( ) e um componente CA ( ) .

Uma vez que uma mudança positiva na tensão causa uma mudança negativa na corrente , a corrente CA e a tensão no dispositivo estão 180 ° fora de fase . Isso significa que no circuito equivalente CA (direita) , a corrente CA instantânea Δ i flui através do dispositivo no sentido de aumentar o potencial CA Δ v , como ocorreria em um gerador . Portanto, a dissipação de energia CA é negativa ; A energia CA é produzida pelo dispositivo e flui para o circuito externo.

Com o circuito externo adequado, o dispositivo pode aumentar a potência do sinal CA entregue a uma carga, servindo como um amplificador , ou excitar oscilações em um circuito ressonante para formar um oscilador . Ao contrário de um dispositivo de amplificação de duas portas , como um transistor ou amplificador operacional, o sinal amplificado sai do dispositivo pelos mesmos dois terminais ( porta ) quando o sinal de entrada entra.

Em um dispositivo passivo, a energia CA produzida vem da corrente de polarização CC de entrada, o dispositivo absorve energia CC, parte da qual é convertida em energia CA pela não linearidade do dispositivo, amplificando o sinal aplicado. Portanto, a potência de saída é limitada pela potência de polarização

A região de resistência diferencial negativa não pode incluir a origem, porque ela seria capaz de amplificar um sinal sem corrente de polarização CC aplicada, produzindo energia CA sem entrada de energia. O dispositivo também dissipa alguma energia na forma de calor, igual à diferença entre a energia CC de entrada e a saída CA.

O dispositivo também pode ter reatância e, portanto, a diferença de fase entre a corrente e a tensão pode ser diferente de 180 ° e pode variar com a frequência. Enquanto o componente real da impedância for negativo (ângulo de fase entre 90 ° e 270 °), o dispositivo terá resistência negativa e poderá amplificar.

A potência de saída CA máxima é limitada pelo tamanho da região de resistência negativa ( nos gráficos acima)

Coeficiente de reflexão

Modelo geral (AC) de um circuito de resistência negativa: um dispositivo de resistência diferencial negativa , conectado a um circuito externo representado por que tem resistência positiva ,. Ambos podem ter reatância ( )

A razão pela qual o sinal de saída pode deixar uma resistência negativa através da mesma porta em que o sinal de entrada entra é que, da teoria da linha de transmissão , a tensão ou corrente CA nos terminais de um componente pode ser dividida em duas ondas que se movem em oposição, a onda incidente , que viaja em direção ao dispositivo e a onda refletida , que viaja para longe do dispositivo. Uma resistência diferencial negativa em um circuito pode amplificar se a magnitude de seu coeficiente de reflexão , a razão entre a onda refletida e a onda incidente, for maior que um.

  Onde  

O sinal "refletido" (saída) tem amplitude maior do que o incidente; o dispositivo tem "ganho de reflexão". O coeficiente de reflexão é determinado pela impedância AC do dispositivo de resistência negativa,, e a impedância do circuito conectado a ele ,. Se e então e o dispositivo irá amplificar. No gráfico de Smith , um auxiliar gráfico amplamente utilizado no projeto de circuitos de alta frequência, a resistência diferencial negativa corresponde a pontos fora do círculo unitário , o limite do gráfico convencional, portanto, gráficos "expandidos" especiais devem ser usados.

Condições de estabilidade

Por ser não linear, um circuito com resistência diferencial negativa pode ter vários pontos de equilíbrio (possíveis pontos de operação DC), que se encontram na curva I – V. Um ponto de equilíbrio será estável , então o circuito converge para ele dentro de alguma vizinhança do ponto, se seus pólos estão na metade esquerda do plano s (LHP), enquanto um ponto é instável, fazendo com que o circuito oscile ou "trava up "(convergem para outro ponto), se seus pólos estiverem no eixo ou no meio plano direito (RHP), respectivamente. Em contraste, um circuito linear tem um único ponto de equilíbrio que pode ser estável ou instável. Os pontos de equilíbrio são determinados pelo circuito de polarização CC e sua estabilidade é determinada pela impedância CA do circuito externo. No entanto, devido aos diferentes formatos das curvas, a condição de estabilidade é diferente para os tipos de resistência negativa VCNR e CCNR:

  • Em uma resistência negativa CCNR (tipo S), a função de resistência é de valor único. Portanto, a estabilidade é determinada pelos pólos da equação de impedância do circuito: .
Para circuitos não reativos ( ) uma condição suficiente para estabilidade é que a resistência total seja positiva
então o CCNR é estável por

.

Como os CCNRs são estáveis ​​sem carga, eles são chamados de "estáveis ​​em circuito aberto" .
  • Em uma resistência negativa VCNR (tipo N), a função de condutância é de valor único. Portanto, a estabilidade é determinada pelos pólos da equação de admitância . Por esse motivo, o VCNR é algumas vezes chamado de condutância negativa .
Como acima, para circuitos não reativos, uma condição suficiente para estabilidade é que a condutância total no circuito seja positiva
então o VCNR é estável por

.

Como os VCNRs são estáveis ​​até mesmo com uma saída em curto-circuito, eles são chamados de "estáveis ​​em curto-circuito" .

Para circuitos gerais de resistência negativa com reatância , a estabilidade deve ser determinada por testes padrão como o critério de estabilidade de Nyquist . Alternativamente, no projeto de circuito de alta frequência, os valores para os quais o circuito é estável são determinados por uma técnica gráfica usando "círculos de estabilidade" em um gráfico de Smith .

Regiões operacionais e aplicativos

Para dispositivos de resistência negativa não reativa simples com e as diferentes regiões de operação do dispositivo podem ser ilustrados por linhas de carga na curva I – V (ver gráficos) .

Linhas de carga e regiões de estabilidade VCNR (tipo N)
Linhas de carga CCNR (tipo S) e regiões de estabilidade

A linha de carga DC (DCL) é uma linha reta determinada pelo circuito de polarização DC, com a equação

onde é a tensão de alimentação de polarização CC e R é a resistência da alimentação. Os possíveis pontos de operação DC ( pontos Q ) ocorrem onde a linha de carga DC cruza a curva I – V. Para estabilidade

  • Os VCNRs requerem uma polarização de baixa impedância ( ) , como uma fonte de tensão .
  • Os CCNRs requerem uma polarização de alta impedância ( ) , como uma fonte de corrente ou fonte de tensão em série com uma alta resistência.

A linha de carga CA ( L 1 - L 3 ) é uma linha reta que passa pelo ponto Q cuja inclinação é a resistência diferencial (CA) voltada para o dispositivo. Aumentar gira a linha de carga no sentido anti-horário. O circuito opera em uma das três regiões possíveis (ver diagramas) , dependendo de .

  • Região estável (verde) (ilustrada pela linha L 1 ): Quando a linha de carga está nesta região, ela cruza acurva I – V em um ponto Q 1 . Para circuitos não reativos, é um equilíbrio estável ( pólos no LHP), portanto, o circuito é estável. Os amplificadores de resistência negativaoperam nesta região. No entanto, devido à histerese , com um dispositivo de armazenamento de energia como um capacitor ou indutor, o circuito pode se tornar instável para fazer um oscilador de relaxamento não linear( multivibrador astável ) ou um multivibrador monoestável .
    • Os VCNRs são estáveis ​​quando .
    • Os CCNRs são estáveis ​​quando .
  • Ponto instável (Linha L 2 ): Quando a linha de carga é tangente à curva I – V. A resistência diferencial total (AC) do circuito é zero (pólos no eixo ), por isso é instável e com um circuito sintonizado pode oscilar. Os osciladores lineares operam neste ponto. Os osciladores práticos realmente começam na região instável abaixo, com pólos no RHP, mas conforme a amplitude aumenta, as oscilações tornam-se não lineares e, devido à passividade eventual, a resistência negativa r diminui com o aumento da amplitude, de modo que as oscilações se estabilizam em uma amplitude onde .
  • Região biestável (vermelha) (ilustrada pela linha L 3 ): Nesta região, a linha de carga pode cruzar acurva I – V em três pontos. O ponto central ( Q 1 ) é um ponto de equilíbrio instável (pólos no RHP), enquanto os dois pontos externos, Q 2 e Q 3 são equilíbrios estáveis . Assim, com a polarização correta, o circuito pode ser biestável , ele convergirá para um dos dois pontos Q 2 ou Q 3 e pode ser alternado entre eles com um pulso de entrada. Circuitos de comutação como flip-flops ( multivibradores biestáveis ) e gatilhos Schmidt operam nesta região.
    • VCNRs podem ser biestáveis ​​quando
    • Os CCNRs podem ser biestáveis ​​quando

Resistores ativos - resistência negativa de feedback

Curvas I – V típicas de resistências negativas "ativas": tipo N (esquerda) e tipo S (centro) , geradas por amplificadores de feedback. Estes possuem resistência diferencial negativa ( região vermelha ) e produzem potência (região cinza) . Aplicar uma tensão ou corrente suficientemente grande de qualquer polaridade à porta move o dispositivo para sua região não linear, onde a saturação do amplificador faz com que a resistência diferencial se torne positiva ( parte preta da curva) e acima dos trilhos de tensão de alimentação a resistência estática torna-se positiva e o dispositivo consome energia. A resistência negativa depende do ganho do loop (direita) .
Um exemplo de um amplificador com feedback positivo que possui resistência negativa em sua entrada. A corrente de entrada i é assim que a resistência de entrada é . Se tiver resistência de entrada negativa.



Além dos dispositivos passivos com resistência diferencial negativa intrínseca acima, os circuitos com dispositivos de amplificação como transistores ou amplificadores operacionais podem ter resistência negativa em suas portas. A impedância de entrada ou saída de um amplificador com feedback positivo suficiente aplicado a ele pode ser negativa. Se for a resistência de entrada do amplificador sem feedback, é o ganho do amplificador e é a função de transferência do caminho de feedback, a resistência de entrada com feedback shunt positivo é

Portanto, se o ganho do loop for maior que um, será negativo. O circuito atua como um "resistor linear negativo" em uma faixa limitada, com a curva I – V tendo um segmento de linha reta através da origem com inclinação negativa (ver gráficos) . Ele tem resistência diferencial negativa e está ativo

e, portanto, obedece à lei de Ohm como se tivesse um valor negativo de resistência −R , em sua faixa linear (tais amplificadores também podem ter curvas I-V de resistência negativa mais complicadas que não passam pela origem).

Na teoria do circuito, eles são chamados de "resistores ativos". Aplicar uma tensão nos terminais causa uma corrente proporcional saindo do terminal positivo, o oposto de um resistor comum. Por exemplo, conectar uma bateria aos terminais faria com que a bateria carregasse em vez de descarregar.

Considerados como dispositivos de uma porta, esses circuitos funcionam de forma semelhante aos componentes de resistência diferencial negativa passiva acima e, como eles, podem ser usados ​​para fazer amplificadores e osciladores de uma porta com as vantagens de:

  • por serem dispositivos ativos, eles não requerem polarização DC externa para fornecer energia e podem ser acoplados DC ,
  • a quantidade de resistência negativa pode ser variada ajustando o ganho de loop ,
  • eles podem ser elementos de circuito linear; se a operação estiver confinada ao segmento reto da curva próximo à origem, a tensão é proporcional à corrente, de modo que não causam distorção harmônica .

A curva I – V pode ter resistência negativa controlada por tensão (tipo "N") ou controlada por corrente (tipo "S"), dependendo se o loop de feedback está conectado em "shunt" ou "série".

Reatâncias negativas (abaixo) também podem ser criadas, então circuitos de feedback podem ser usados ​​para criar elementos de circuito linear "ativo", resistores, capacitores e indutores, com valores negativos. Eles são amplamente usados ​​em filtros ativos porque podem criar funções de transferência que não podem ser realizadas com elementos de circuito positivo. Exemplos de circuitos com este tipo de resistência negativa são o conversor de impedância negativa (NIC), girador , integrador Deboo, resistência negativa dependente de frequência (FDNR) e conversor de imitância generalizada (GIC).

Osciladores de feedback

Se um circuito LC estiver conectado à entrada de um amplificador de feedback positivo como o acima, a resistência de entrada diferencial negativa pode cancelar a resistência de perda positiva inerente ao circuito sintonizado. Se isso criará, com efeito, um circuito sintonizado com resistência AC zero ( pólos no eixo ). A oscilação espontânea será excitada no circuito sintonizado em sua frequência ressonante , sustentada pela potência do amplificador. É assim que os osciladores de feedback , como os osciladores Hartley ou Colpitts, funcionam. Este modelo de resistência negativa é uma maneira alternativa de analisar a operação do oscilador de feedback. Todos os circuitos osciladores lineares têm resistência negativa, embora na maioria dos osciladores de feedback o circuito sintonizado seja parte integrante da rede de feedback, de modo que o circuito não tem resistência negativa em todas as frequências, mas apenas próximo à frequência de oscilação.

Aprimoramento Q

Um circuito sintonizado conectado a uma resistência negativa que cancela parte, mas não toda a sua resistência de perda parasita (então ) não irá oscilar, mas a resistência negativa diminuirá o amortecimento no circuito (movendo seus pólos em direção ao eixo ), aumentando seu Q fator para que tenha uma largura de banda mais estreita e mais seletividade . O aprimoramento Q, também chamado de regeneração , foi usado pela primeira vez no receptor de rádio regenerativo inventado por Edwin Armstrong em 1912 e mais tarde em "multiplicadores Q". É amplamente utilizado em filtros ativos. Por exemplo, os circuitos integrados de RF usam indutores integrados para economizar espaço, consistindo em um condutor espiral fabricado no chip. Eles têm perdas altas e Q baixo, portanto, para criar circuitos sintonizados com Q alto, seu Q é aumentado pela aplicação de resistência negativa.

Circuitos caóticos

Os circuitos que exibem comportamento caótico podem ser considerados osciladores quase periódicos ou não periódicos e, como todos os osciladores, requerem uma resistência negativa no circuito para fornecer energia. O circuito de Chua , um circuito não linear simples amplamente usado como o exemplo padrão de um sistema caótico, requer um componente de resistor ativo não linear, às vezes chamado de diodo de Chua . Isso geralmente é sintetizado usando um circuito conversor de impedância negativa.

Conversor de impedância negativa

Conversor de impedância negativa (esquerda) e curva I – V (direita) . Possui resistência diferencial negativa na região vermelha e fontes de energia na região cinza.

Um exemplo comum de um circuito de "resistência ativa" é o conversor de impedância negativa (NIC) mostrado no diagrama. Os dois resistores e o amplificador operacional constituem um amplificador não inversor de feedback negativo com ganho de 2. A tensão de saída do amplificador operacional é

Portanto, se uma tensão é aplicada à entrada, a mesma tensão é aplicada "para trás" , fazendo com que a corrente flua através dela para fora da entrada. A corrente é

Portanto, a impedância de entrada do circuito é

O circuito converte a impedância em negativa. Se for um resistor de valor , dentro da faixa linear do amplificador operacional, a impedância de entrada atua como um "resistor negativo" linear de valor . A porta de entrada do circuito é conectada a outro circuito como se fosse um componente. Uma NIC pode cancelar a resistência positiva indesejada em outro circuito, por exemplo, eles foram originalmente desenvolvidos para cancelar a resistência em cabos telefônicos, servindo como repetidores .

Capacitância e indutância negativas

Substituindo o circuito acima por um capacitor ( ) ou indutor ( ) , capacitâncias e indutâncias negativas também podem ser sintetizadas. Uma capacitância negativa terá uma relação I – V e uma impedância de

onde . Aplicar uma corrente positiva a uma capacitância negativa fará com que ela descarregue ; sua tensão diminuirá . Da mesma forma, uma indutância negativa terá uma característica I – V e uma impedância de

Um circuito com capacitância negativa ou indutância pode ser usado para cancelar a capacitância positiva indesejada ou indutância em outro circuito. Circuitos NIC foram usados ​​para cancelar a reatância em cabos telefônicos.

Também existe uma outra maneira de encará-los. Em uma capacitância negativa, a corrente será 180 ° oposta em fase à corrente em uma capacitância positiva. Em vez de levar a tensão em 90 °, ele atrasará a tensão em 90 °, como em um indutor. Portanto, uma capacitância negativa atua como uma indutância na qual a impedância tem uma dependência reversa da frequência ω; diminuindo em vez de aumentar como uma indutância real Da mesma forma, uma indutância negativa atua como uma capacitância que tem uma impedância que aumenta com a frequência. Capacitâncias e indutâncias negativas são circuitos "não Foster" que violam o teorema da reatância de Foster . Uma aplicação que está sendo pesquisada é a criação de uma rede de correspondência ativa que poderia combinar uma antena com uma linha de transmissão em uma ampla faixa de frequências, em vez de apenas uma única frequência como nas redes atuais. Isso permitiria a criação de pequenas antenas compactas que teriam ampla largura de banda , excedendo o limite Chu-Harrington .

Osciladores

Um oscilador que consiste em um diodo Gunn dentro de um ressonador de cavidade . A resistência negativa do diodo excita oscilações de microondas na cavidade, que irradiam através da abertura em um guia de ondas (não mostrado) .

Dispositivos de resistência diferencial negativa são amplamente usados ​​para fazer osciladores eletrônicos . Em um oscilador de resistência negativa, um dispositivo de resistência diferencial negativa, como um diodo IMPATT , diodo Gunn ou tubo de vácuo de micro-ondas é conectado através de um ressonador elétrico , como um circuito LC , um cristal de quartzo , ressonador dielétrico ou ressonador de cavidade com uma fonte DC para polarize o dispositivo em sua região de resistência negativa e forneça energia. Um ressonador como um circuito LC é "quase" um oscilador; ele pode armazenar energia elétrica oscilante, mas como todos os ressonadores têm resistência interna ou outras perdas, as oscilações são amortecidas e decaem para zero. A resistência negativa cancela a resistência positiva do ressonador, criando com efeito um ressonador sem perdas, no qual oscilações contínuas espontâneas ocorrem na frequência ressonante do ressonador .

Usos

Os osciladores de resistência negativa são usados ​​principalmente em altas frequências na faixa de microondas ou acima, uma vez que os osciladores de feedback funcionam mal nessas frequências. Os diodos de micro-ondas são usados ​​em osciladores de baixa a média potência para aplicações como canhões de radar de velocidade e osciladores locais para receptores de satélite . Eles são uma fonte amplamente utilizada de energia de microondas e virtualmente a única fonte de estado sólido de ondas milimétricas e energia terahertz . Tubos de vácuo de microondas de resistência negativa , como magnetrons, produzem saídas de potência mais altas, em aplicações como transmissores de radar e fornos de microondas . Os osciladores de relaxamento de frequência mais baixa podem ser feitos com UJTs e lâmpadas de descarga de gás, como lâmpadas de néon .

O modelo de oscilador de resistência negativa não está limitado a dispositivos de uma porta, como diodos, mas também pode ser aplicado a circuitos de oscilador de realimentação com dispositivos de duas portas , como transistores e tubos . Além disso, nos osciladores de alta frequência modernos, os transistores são cada vez mais usados ​​como dispositivos de resistência negativa de uma porta, como diodos. Nas frequências de micro-ondas, os transistores com certas cargas aplicadas a uma porta podem se tornar instáveis ​​devido ao feedback interno e mostrar resistência negativa na outra porta. Assim, os osciladores de transistor de alta frequência são projetados aplicando uma carga reativa a uma porta para dar resistência negativa ao transistor e conectando a outra porta através de um ressonador para fazer um oscilador de resistência negativa, conforme descrito abaixo.

Oscilador de diodo Gunn

Circuito oscilador de diodo Gunn
Circuito equivalente AC
Linhas de carga do oscilador de diodo Gunn .
DCL : linha de carga DC, que define o ponto Q.
SSL : resistência negativa durante a inicialização enquanto a amplitude é pequena. Como os pólos estão em RHP e a amplitude das oscilações aumenta. LSL : linha de carga de grande sinal. Quando a oscilação da corrente se aproxima das bordas da região de resistência negativa (verde) , os picos da onda senoidal são distorcidos ("cortados") e diminuem até ficarem iguais .

O oscilador de diodo Gunn comum (diagramas de circuito) ilustra como os osciladores de resistência negativa funcionam. O diodo D tem resistência negativa controlada por tensão (tipo "N") e a fonte de tensão polariza-o em sua região de resistência negativa onde está sua resistência diferencial . O choke RFC impede que a corrente CA flua através da fonte de polarização. é a resistência equivalente devido ao amortecimento e perdas no circuito sintonizado em série , mais qualquer resistência de carga. Analisando o circuito AC com a Lei de Tensão de Kirchhoff dá uma equação diferencial para a corrente AC

Resolver esta equação dá uma solução da forma

    Onde    

Isso mostra que a corrente através do circuito, , varia com o tempo sobre o DC ponto Q , . Quando iniciada a partir de uma corrente inicial diferente de zero, a corrente oscila sinusoidalmente na frequência ressonante ω do circuito sintonizado, com amplitude constante, aumentando ou diminuindo exponencialmente , dependendo do valor de α . Se o circuito pode sustentar oscilações constantes depende do equilíbrio entre e , a resistência positiva e negativa no circuito:

  1. Senoide diminuindo Q = 10.svg
    : ( pólos no meio plano esquerdo) Se a resistência negativa do diodo for menor que a resistência positiva do circuito sintonizado, o amortecimento é positivo. Quaisquer oscilações no circuito perderão energia na forma de calor na resistência e morrerão exponencialmente a zero, como em um circuito sintonizado comum. Portanto, o circuito não oscila.
  2. Amplitude da constante sinusoidal.svg
    : (pólos no eixo ) Se as resistências positiva e negativa forem iguais, a resistência líquida é zero, então o amortecimento é zero. O diodo adiciona apenas energia suficiente para compensar a energia perdida no circuito sintonizado e na carga, de forma que as oscilações no circuito, uma vez iniciadas, continuarão em uma amplitude constante. Esta é a condição durante a operação em estado estacionário do oscilador.
  3. Senoide aumentando Q = 10.svg
    : (pólos no meio plano direito) Se a resistência negativa for maior que a resistência positiva, o amortecimento é negativo, então as oscilações crescerão exponencialmente em energia e amplitude. Esta é a condição durante a inicialização.

Os osciladores práticos são projetados na região (3) acima, com resistência líquida negativa, para iniciar as oscilações. Uma regra muito usada é fazer . Quando a energia é ligada, o ruído elétrico no circuito fornece um sinal para iniciar as oscilações espontâneas, que crescem exponencialmente. No entanto, as oscilações não podem crescer para sempre; a não linearidade do diodo eventualmente limita a amplitude.

Em grandes amplitudes, o circuito é não linear, então a análise linear acima não se aplica estritamente e a resistência diferencial é indefinida; mas o circuito pode ser entendido considerando -se a resistência "média" ao longo do ciclo. À medida que a amplitude da onda senoidal excede a largura da região de resistência negativa e a oscilação de tensão se estende para regiões da curva com resistência diferencial positiva, a resistência diferencial negativa média torna-se menor e, assim, a resistência total e o amortecimento se tornam menos negativos e eventualmente torna-se positivo. Portanto, as oscilações se estabilizarão na amplitude em que o amortecimento se torna zero, que é quando .

Os diodos Gunn têm resistência negativa na faixa de −5 a −25 ohms. Em osciladores onde está perto de ; apenas pequeno o suficiente para permitir que o oscilador inicie, a oscilação de tensão será limitada principalmente à parte linear da curva I – V , a forma de onda de saída será quase senoidal e a frequência será mais estável. Em circuitos em que está muito abaixo , a oscilação se estende ainda mais para a parte não linear da curva, a distorção de corte da onda senoidal de saída é mais severa e a frequência será cada vez mais dependente da tensão de alimentação.

Tipos de circuito

Os circuitos do oscilador de resistência negativa podem ser divididos em dois tipos, que são usados ​​com os dois tipos de resistência diferencial negativa - controlada por tensão (VCNR) e controlada por corrente (CCNR)

Circuito oscilador de resistência negativa VCNR.svg
  • Oscilador de resistência negativa (controlado por tensão): como os dispositivos VCNR (tipo "N") requerem uma polarização de baixa impedância e são estáveis ​​para impedâncias de carga menores que r , o circuito oscilador ideal para este dispositivo tem a forma mostrada no canto superior direito, com uma tensão polarização da fonte V para polarizar o dispositivo em sua região de resistência negativa e carga do circuito ressonante paralelo LC . O circuito ressonante tem alta impedância apenas em sua frequência de ressonância, portanto, o circuito será instável e oscilará apenas nessa frequência.
Circuito oscilador de resistência negativa CCNR.svg
  • Oscilador de condutância negativa (controlado por corrente): dispositivos CCNR (tipo "S"), em contraste, requerem uma polarização de alta impedância e são estáveis ​​para impedâncias de carga maiores que r . O circuito oscilador ideal é que, como no canto inferior direito, com uma fonte de corrente de polarização I polarização (que pode ser constituído por uma fonte de tensão em série com uma resistência de grande) e séries circuito ressonante LC . O circuito LC série tem baixa impedância apenas em sua frequência de ressonância e, portanto, só oscilará ali.

Condições de oscilação

A maioria dos osciladores é mais complicada do que o exemplo do diodo Gunn, uma vez que tanto o dispositivo ativo quanto a carga podem ter reatância ( X ) e também resistência ( R ). Os osciladores de resistência negativa modernos são projetados por uma técnica de domínio de frequência devido a K. Kurokawa. O diagrama do circuito é imaginado como sendo dividido por um " plano de referência " (vermelho) que separa a parte da resistência negativa, o dispositivo ativo, da parte da resistência positiva, o circuito ressonante e a carga de saída (direita) . A impedância complexa da parte negativa da resistência depende da frequência ω, mas também não é linear, em geral declinando com a amplitude da corrente de oscilação AC I ; enquanto a parte do ressonador é linear, dependendo apenas da frequência. A equação do circuito é assim que só vai oscilar (ter diferente de zero I ) na frequência ω e amplitude I para a qual a impedância total é zero. Isso significa que a magnitude das resistências negativa e positiva deve ser igual, e as reatâncias devem ser conjugadas

Diagrama de bloco do oscilador de resistência negativa.
    e    

Para oscilação em regime permanente, aplica-se o sinal de igual. Durante a inicialização, a desigualdade se aplica, porque o circuito deve ter resistência negativa em excesso para que as oscilações comecem.

Alternativamente, a condição de oscilação pode ser expressa usando o coeficiente de reflexão . A forma de onda de tensão no plano de referência pode ser dividida em um componente V 1 viajando em direção ao dispositivo de resistência negativa e um componente V 2 viajando na direção oposta, em direção à parte do ressonador. O coeficiente de reflexão do dispositivo ativo é maior que um, enquanto o da parte do ressonador é menor que um. Durante a operação, as ondas são refletidas para frente e para trás em uma viagem de ida e volta, de modo que o circuito irá oscilar apenas se

Como acima, a igualdade fornece a condição para oscilação constante, enquanto a desigualdade é necessária durante a inicialização para fornecer resistência negativa em excesso. As condições acima são análogas ao critério de Barkhausen para osciladores de feedback; eles são necessários, mas não suficientes, portanto, existem alguns circuitos que satisfazem as equações, mas não oscilam. Kurokawa também derivou condições suficientes mais complicadas, que costumam ser usadas em seu lugar.

Amplificadores

Dispositivos de resistência diferencial negativa, como diodos Gunn e IMPATT, também são usados ​​para fazer amplificadores , particularmente em frequências de micro-ondas, mas não tão comumente como osciladores. Como os dispositivos de resistência negativa têm apenas uma porta (dois terminais), ao contrário dos dispositivos de duas portas , como transistores , o sinal amplificado de saída precisa deixar o dispositivo pelos mesmos terminais em que o sinal de entrada entra nele. Sem alguma maneira de separar os dois sinais, um amplificador de resistência negativa é bilateral ; ele amplifica em ambas as direções, por isso sofre de sensibilidade à impedância de carga e problemas de feedback. Para separar os sinais de entrada e saída, muitos amplificadores de resistência negativa usam dispositivos não recíprocos , como isoladores e acopladores direcionais .

Amplificador de reflexão

Circuito AC equivalente do amplificador de reflexão
Amplificador de micro-ondas de 8-12 GHz que consiste em dois amplificadores de reflexão de diodo de túnel em cascata

Um circuito amplamente utilizado é o amplificador de reflexão em que a separação é realizada por um circulador . Um circulador é um componente de estado sólido não recíproco com três portas (conectores) que transfere um sinal aplicado a uma porta para a próxima em apenas uma direção, porta 1 para porta 2, 2 a 3 e 3 para 1. No amplificador de reflexão diagrama o sinal de entrada é aplicado à porta 1, um diodo de resistência negativa VCNR polarizado N é conectado através de um filtro F à porta 2 e o circuito de saída é conectado à porta 3. O sinal de entrada é passado da porta 1 ao diodo na porta 2, mas o sinal amplificado "refletido" de saída do diodo é roteado para a porta 3, de modo que há pouco acoplamento da saída para a entrada. A impedância característica das linhas de transmissão de entrada e saída , geralmente 50Ω, é combinada com a impedância da porta do circulador. O objetivo do filtro F é apresentar a impedância correta ao diodo para definir o ganho. Em radiofrequências, os diodos NR não são cargas resistivas puras e têm reatância, portanto, um segundo objetivo do filtro é cancelar a reatância do diodo com uma reatância conjugada para evitar ondas estacionárias.

O filtro possui apenas componentes reativos e, portanto, não absorve nenhuma energia, de modo que a energia é passada entre o diodo e as portas sem perda. A potência do sinal de entrada para o diodo é

A potência de saída do diodo é

Portanto, o ganho de potência do amplificador é o quadrado do coeficiente de reflexão

é a resistência negativa do diodo −r . Assumindo que o filtro é compatível com o diodo, então o ganho é

O amplificador de reflexão VCNR acima é estável durante . enquanto um amplificador CCNR é estável para . Pode-se observar que o amplificador de reflexão pode ter ganho ilimitado, aproximando-se do infinito conforme se aproxima do ponto de oscilação em . Esta é uma característica de todos os amplificadores NR, contrastando com o comportamento dos amplificadores de duas portas, que geralmente têm ganho limitado, mas muitas vezes são incondicionalmente estáveis. Na prática, o ganho é limitado pelo acoplamento de "vazamento" reverso entre as portas do circulador.

Masers e amplificadores paramétricos são amplificadores NR de ruído extremamente baixo que também são implementados como amplificadores de reflexão; eles são usados ​​em aplicações como radiotelescópios .

Circuitos de comutação

Dispositivos de resistência diferencial negativa também são usados ​​em circuitos de comutação nos quais o dispositivo opera de forma não linear, mudando abruptamente de um estado para outro, com histerese . A vantagem de usar um dispositivo de resistência negativa é que um oscilador de relaxamento , flip-flop ou célula de memória pode ser construído com um único dispositivo ativo, enquanto o circuito lógico padrão para essas funções, o multivibrador Eccles-Jordan , requer dois dispositivos ativos (transistores ) Três circuitos de comutação construídos com resistências negativas são

  • Multivibrador astável - um circuito com dois estados instáveis, no qual a saída alterna periodicamente entre os estados. O tempo que permanece em cada estado é determinado pela constante de tempo de um circuito RC. Portanto, é um oscilador de relaxamento e pode produzir ondas quadradas ou triangulares .
  • Multivibrador monoestável - é um circuito com um estado instável e um estado estável. Quando em seu estado estável um pulso é aplicado à entrada, a saída muda para seu outro estado e permanece nele por um período de tempo dependente da constante de tempo do circuito RC, então volta para o estado estável. Assim, o monoestável pode ser usado como um temporizador ou elemento de retardo.
  • Multivibrador biestável ou flip-flop - é um circuito com dois estados estáveis. Um pulso na entrada muda o circuito para seu outro estado. Portanto, os biestáveis ​​podem ser usados ​​como circuitos de memória e contadores digitais .

Outras aplicações

Modelos neuronais

Alguns casos de neurônios exibem regiões de condutâncias de inclinação negativa (RNSC) em experimentos de pinça de voltagem. A resistência negativa aqui está implícita se alguém considerar o neurônio um modelo de circuito típico do estilo Hodgkin-Huxley .

História

A resistência negativa foi reconhecida pela primeira vez durante as investigações de arcos elétricos , que foram usados ​​para iluminação durante o século XIX. Em 1881, Alfred Niaudet observou que a tensão nos eletrodos do arco diminuía temporariamente à medida que a corrente do arco aumentava, mas muitos pesquisadores pensaram que isso era um efeito secundário devido à temperatura. O termo "resistência negativa" foi aplicado por alguns para esse efeito, mas o termo era controverso porque se sabia que a resistência de um dispositivo passivo não poderia ser negativa. A partir de 1895, Hertha Ayrton , estendendo a pesquisa de seu marido William com uma série de experimentos meticulosos medindo a curva I-V de arcos, estabeleceu que a curva tinha regiões de inclinação negativa, gerando polêmica. Frith e Rodgers em 1896 com o apoio dos Ayrtons introduziram o conceito de resistência diferencial , dv / di , e foi lentamente aceito que os arcos tinham resistência diferencial negativa. Em reconhecimento por sua pesquisa, Hertha Ayrton se tornou a primeira mulher votada para indução no Instituto de Engenheiros Elétricos .

Transmissores de arco

George Francis FitzGerald percebeu pela primeira vez em 1892 que se a resistência de amortecimento em um circuito ressonante pudesse ser zerada ou negativa, ela produziria oscilações contínuas. No mesmo ano, Elihu Thomson construiu um oscilador de resistência negativa conectando um circuito LC aos eletrodos de um arco, talvez o primeiro exemplo de oscilador eletrônico. William Duddell , um aluno de Ayrton no London Central Technical College, trouxe o oscilador de arco de Thomson à atenção do público. Devido à sua resistência negativa, a corrente através de um arco era instável, e as luzes do arco freqüentemente produziam assobios, zumbidos ou mesmo ruídos uivantes. Em 1899, investigando esse efeito, Duddell conectou um circuito LC em um arco e as oscilações excitadas por resistência negativa no circuito sintonizado, produzindo um tom musical do arco. Para demonstrar sua invenção, Duddell conectou vários circuitos sintonizados a um arco e tocou uma melodia nele. O oscilador de " arco cantante " de Duddell era limitado às frequências de áudio. No entanto, em 1903, os engenheiros dinamarqueses Valdemar Poulsen e PO Pederson aumentaram a frequência no alcance do rádio operando o arco em uma atmosfera de hidrogênio em um campo magnético, inventando o transmissor de rádio de arco de Poulsen , que foi amplamente utilizado até a década de 1920.

Tubos a vácuo

No início do século 20, embora as causas físicas da resistência negativa não fossem compreendidas, os engenheiros sabiam que ela poderia gerar oscilações e começaram a aplicá-la. Heinrich Barkhausen em 1907 mostrou que os osciladores devem ter resistência negativa. Ernst Ruhmer e Adolf Pieper descobriram que as lâmpadas de vapor de mercúrio podiam produzir oscilações e, em 1912, a AT&T as havia usado para construir repetidores amplificadores para linhas telefônicas .

Em 1918, Albert Hull, da GE, descobriu que os tubos de vácuo podiam ter resistência negativa em partes de suas faixas de operação, devido a um fenômeno chamado de emissão secundária . Em um tubo de vácuo, quando os elétrons atingem o eletrodo da placa, eles podem expulsar elétrons adicionais da superfície para dentro do tubo. Isso representa uma corrente fora da placa, reduzindo a corrente da placa. Sob certas condições, o aumento da tensão da placa causa uma diminuição na corrente da placa. Ao conectar um circuito LC ao tubo, Hull criou um oscilador, o oscilador dinatron . Outros osciladores de tubo de resistência negativa se seguiram, como o magnetron inventado por Hull em 1920.

O conversor de impedância negativa originou-se do trabalho de Marius Latour por volta de 1920. Ele também foi um dos primeiros a relatar capacitância negativa e indutância. Uma década depois, os NICs de tubo a vácuo foram desenvolvidos como repetidores de linha telefônica no Bell Labs por George Crisson e outros, o que tornou possível o serviço telefônico transcontinental. Transistor NICs, pioneiro por Linvill em 1953, iniciou um grande aumento no interesse em NICs e muitos novos circuitos e aplicativos desenvolvidos.

Dispositivos de estado sólido

A resistência diferencial negativa em semicondutores foi observada por volta de 1909 nos primeiros diodos de junção de ponto de contato , chamados detectores de bigode de gato , por pesquisadores como William Henry Eccles e GW Pickard . Eles notaram que, quando as junções eram polarizadas com uma tensão CC para melhorar sua sensibilidade como detectores de rádio, às vezes eles caíam em oscilações espontâneas. No entanto, o efeito não foi perseguido.

A primeira pessoa a explorar os diodos de resistência negativa praticamente foi o pesquisador de rádio russo Oleg Losev , que em 1922 descobriu a resistência diferencial negativa em junções de ponto de contato polarizadas de zincita ( óxido de zinco ). Ele os usou para construir amplificadores de estado sólido , osciladores e receptores de rádio amplificadores e regenerativos , 25 anos antes da invenção do transistor. Mais tarde, ele até construiu um receptor super - heteródino . No entanto, suas realizações foram negligenciadas devido ao sucesso da tecnologia de tubo a vácuo . Após dez anos, ele abandonou a pesquisa nesta tecnologia (apelidada de "Crystodyne" por Hugo Gernsback ), e ela foi esquecida.

O primeiro dispositivo de resistência negativa de estado sólido amplamente usado foi o diodo túnel , inventado em 1957 pelo físico japonês Leo Esaki . Por terem menor capacitância parasitária do que os tubos a vácuo devido ao seu pequeno tamanho de junção, os diodos podem funcionar em frequências mais altas, e os osciladores de diodo em túnel provaram ser capazes de produzir energia em frequências de micro - ondas , acima da faixa dos osciladores normais de tubo a vácuo . Sua invenção deu início à busca por outros dispositivos semicondutores de resistência negativa para uso como osciladores de microondas, resultando na descoberta dos diodos IMPATT , Gunn , TRAPATT e outros. Em 1969, Kurokawa derivou condições para estabilidade em circuitos de resistência negativa. Atualmente, os osciladores de diodo de resistência diferencial negativa são as fontes mais amplamente utilizadas de energia de microondas, e muitos novos dispositivos de resistência negativa foram descobertos nas últimas décadas.

Notas

Referências

Leitura adicional