En electrónica , la resistencia negativa ( NR ) es una propiedad de algunos circuitos y dispositivos eléctricos en los que un aumento de voltaje en los terminales del dispositivo da como resultado una disminución de la corriente eléctrica a través de él. [4] [5]
Esto contrasta con una resistencia ordinaria en la que un aumento del voltaje aplicado provoca un aumento proporcional de la corriente debido a la ley de Ohm , lo que da como resultado una resistencia positiva . [6] Mientras que una resistencia positiva consume energía de la corriente que la atraviesa, una resistencia negativa produce energía. [7] [8] En determinadas condiciones, puede aumentar la potencia de una señal eléctrica amplificándola . [3] [9] [10]
La resistencia negativa es una propiedad poco común que ocurre en algunos componentes electrónicos no lineales . En un dispositivo no lineal, se pueden definir dos tipos de resistencia: 'estática' o 'resistencia absoluta', la relación de voltaje a corrientey resistencia diferencial , la relación entre un cambio de voltaje y el cambio de corriente resultante. El término resistencia negativa significa resistencia diferencial negativa (NDR) ,. En general, una resistencia diferencial negativa es un componente de dos terminales que puede amplificar , [3] [11] convirtiendo la potencia de CC aplicada a sus terminales en potencia de salida de CA para amplificar una señal de CA aplicada a los mismos terminales. [7] [12] Se utilizan en osciladores y amplificadores electrónicos , [13] particularmente en frecuencias de microondas . La mayor parte de la energía de microondas se produce con dispositivos de resistencia diferencial negativa. [14] También pueden tener histéresis [15] y ser biestables , por lo que se utilizan en circuitos de conmutación y memoria . [16] Ejemplos de dispositivos con resistencia diferencial negativa son los diodos de túnel , los diodos de Gunn y los tubos de descarga de gas , como las lámparas de neón y las luces fluorescentes . Además, los circuitos que contienen dispositivos amplificadores como transistores y amplificadores operacionales con retroalimentación positiva pueden tener una resistencia diferencial negativa. Se utilizan en osciladores y filtros activos .
Debido a que no son lineales, los dispositivos de resistencia negativa tienen un comportamiento más complicado que las resistencias "óhmicas" positivas que normalmente se encuentran en los circuitos eléctricos . A diferencia de la mayoría de las resistencias positivas, la resistencia negativa varía según el voltaje o la corriente aplicada al dispositivo, y los dispositivos de resistencia negativa solo pueden tener resistencia negativa en una parte limitada de su voltaje o rango de corriente. [10] [17] Por lo tanto, no existe una "resistencia negativa" real análoga a una resistencia positiva , que tiene una resistencia negativa constante en un rango de corriente arbitrariamente amplio.
Definiciones
La resistencia entre dos terminales de un dispositivo o circuito eléctrico está determinada por su curva corriente-voltaje ( I-V ) ( curva característica ), dando la corriente a través de él para cualquier voltaje dado a través de él. [18] La mayoría de los materiales, incluidas las resistencias ordinarias (positivas) que se encuentran en los circuitos eléctricos, obedecen la ley de Ohm ; la corriente a través de ellos es proporcional al voltaje en un amplio rango. [6] Entonces, la curva I – V de una resistencia óhmica es una línea recta que pasa por el origen con pendiente positiva. La resistencia es la relación de voltaje a corriente, la pendiente inversa de la línea (en gráficos I – V donde el voltaje es la variable independiente) y es constante.
La resistencia negativa se produce en algunos dispositivos no lineales ( no óhmicos). [19] En un componente no lineal, la curva I – V no es una línea recta, [6] [20] por lo que no obedece a la ley de Ohm. [19] La resistencia aún se puede definir, pero la resistencia no es constante; varía con el voltaje o la corriente a través del dispositivo. [3] [19] La resistencia de tal dispositivo no lineal se puede definir de dos maneras, [20] [21] [22] que son iguales para resistencias óhmicas: [23]
- Resistencia estática (también llamada resistencia cordal , resistencia absoluta o simplemente resistencia ): esta es la definición común de resistencia; el voltaje dividido por la corriente: [3] [18] [23]
- .
- Es la pendiente inversa de la línea ( cuerda ) desde el origen hasta el punto de la curva I – V. [6] En una fuente de energía, como una batería o un generador eléctrico , la corriente positiva fluye desde el terminal de voltaje positivo, [26] opuesta a la dirección de la corriente en una resistencia, por lo que desde la convención de signo pasivo y tienen signos opuestos, que representan puntos que se encuentran en el segundo o cuarto cuadrante del plano I – V (diagrama a la derecha) . Por lo tanto, las fuentes de energía tienen formalmente una resistencia estática negativa ( [23] [27] [28] Sin embargo, este término nunca se usa en la práctica, porque el término "resistencia" solo se aplica a componentes pasivos. [29] [30] [31] La resistencia estática determina la disipación de potencia en un componente. [25] [30] Los dispositivos pasivos , que consumen energía eléctrica, tienen una resistencia estática positiva; mientras que los dispositivos activos , que producen energía eléctrica, no lo hacen. [23] [27] [32]
- Resistencia diferencial (también llamada resistencia dinámica , [3] [22] o incremental [6] ) - Esta es la derivada del voltaje con respecto a la corriente; la relación entre un pequeño cambio de voltaje y el correspondiente cambio de corriente, [9] la pendiente inversa de la curva I – V en un punto:
- .
- La resistencia diferencial solo es relevante para corrientes variables en el tiempo. [9] Los puntos en la curva donde la pendiente es negativa (declinando hacia la derecha), lo que significa que un aumento en el voltaje causa una disminución en la corriente, tienen resistencia diferencial negativa () . [3] [9] [20] Los dispositivos de este tipo pueden amplificar señales, [3] [11] [13] y son lo que generalmente se entiende por el término "resistencia negativa". [3] [20]
La resistencia negativa, como la resistencia positiva, se mide en ohmios .
La conductancia es el recíproco de la resistencia . [33] [34] Se mide en siemens (antes mho ), que es la conductancia de un resistor con una resistencia de un ohmio . [33] Cada tipo de resistencia definido anteriormente tiene una conductancia correspondiente [34]
- Conductancia estática
- Conductancia diferencial
Puede verse que la conductancia tiene el mismo signo que su resistencia correspondiente: una resistencia negativa tendrá una conductancia negativa [nota 1] mientras que una resistencia positiva tendrá una conductancia positiva. [28] [34]
Operación
Una forma en la que se pueden distinguir los diferentes tipos de resistencia es en las direcciones de la corriente y la potencia eléctrica entre un circuito y un componente electrónico. Las ilustraciones a continuación, con un rectángulo que representa el componente conectado a un circuito, resumen cómo funcionan los diferentes tipos:
Las variables de voltaje v y corriente i en un componente eléctrico deben definirse de acuerdo con la convención de signos pasivos ; la corriente convencional positiva se define para ingresar al terminal de voltaje positivo; esto significa que la energía P que fluye del circuito al componente se define como positiva, mientras que la energía que fluye del componente al circuito es negativa. [25] [31] Esto se aplica tanto a la corriente continua como a la corriente alterna. El diagrama muestra las direcciones para valores positivos de las variables. | |
En una resistencia estática positiva ,, entonces v y yo tenemos el mismo signo. [24] Por lo tanto, según la convención de signo pasivo anterior, la corriente convencional (flujo de carga positiva) pasa a través del dispositivo desde el terminal positivo al negativo, en la dirección del campo eléctrico E ( potencial decreciente ). [25] por lo que los cargos pierden potencial de energía haciendo el trabajo en el dispositivo, y la energía eléctrica fluye desde el circuito en el dispositivo, [24] [29] en el que se convierte en calor o alguna otra forma de energía (amarillo) . Si se aplica voltaje de CA, y invierte periódicamente la dirección, pero la instantánea siempre fluye del potencial más alto al potencial más bajo. | |
En una fuente de energía ,, [23] entonces y tienen signos opuestos. [24] Esto significa que la corriente se ve obligada a fluir desde el terminal negativo al positivo. [23] Las cargas ganan energía potencial, por lo que la energía fluye desde el dispositivo hacia el circuito: [23] [24] . Se debe trabajar (amarillo) en las cargas mediante alguna fuente de energía en el dispositivo para hacer que se muevan en esta dirección contra la fuerza del campo eléctrico. | |
En una resistencia diferencial pasiva negativa ,, solo el componente de CA de la corriente fluye en la dirección inversa. La resistencia estática es positiva [6] [9] [21] por lo que la corriente fluye de positivo a negativo:. Pero la corriente (tasa de flujo de carga) disminuye a medida que aumenta el voltaje. Entonces, cuando se aplica un voltaje variable en el tiempo (CA) además de un voltaje CC (derecha) , la corriente variable en el tiempo y voltaje los componentes tienen signos opuestos, por lo que . [37] Esto significa la corriente CA instantánea fluye a través del dispositivo en la dirección de aumentar el voltaje de CA , por lo que la corriente alterna fluye desde el dispositivo hacia el circuito. El dispositivo consume energía de CC, parte de la cual se convierte en energía de señal de CA que puede entregarse a una carga en el circuito externo, [7] [37] permitiendo que el dispositivo amplifique la señal de CA que se le aplica. [11] |
Tipos y terminología
r diff > 0 Resistencia diferencial positiva | r diff <0 Resistencia diferencial negativa | |
---|---|---|
R estático > 0 Pasivo: consume energía neta | Resistencias positivas:
| Resistencias diferenciales pasivas negativas:
|
R estático <0 Activo: produce potencia neta | Fuentes de energía:
| "Resistencias activas" Amplificadores de retroalimentación positiva utilizados en:
|
En un dispositivo electrónico, la resistencia diferencial , la resistencia estática , o ambos, pueden ser negativos, [24] por lo que hay tres categorías de dispositivos (fig. 2-4 arriba y tabla) que podrían denominarse "resistencias negativas".
El término "resistencia negativa" casi siempre significa resistencia diferencial negativa.. [3] [17] [20] Los dispositivos de resistencia diferencial negativa tienen capacidades únicas: pueden actuar como amplificadores de un puerto , [3] [11] [13] [38] aumentando la potencia de una señal variable en el tiempo aplicada a su puerto (terminales), o excitar oscilaciones en un circuito sintonizado para hacer un oscilador. [37] [38] [39] También pueden tener histéresis . [15] [16] No es posible que un dispositivo tenga una resistencia diferencial negativa sin una fuente de energía, [40] y estos dispositivos se pueden dividir en dos categorías dependiendo de si obtienen su energía de una fuente interna o de su puerto. : [16] [37] [39] [41] [42]
- Dispositivos pasivos de resistencias diferenciales negativas (fig. 2 arriba): son el tipo más conocido de "resistencias negativas"; componentes pasivos de dos terminales cuya curva I – V intrínseca tiene una "torsión" descendente, lo que hace que la corriente disminuya al aumentar el voltaje en un rango limitado. [41] [42] La curva I – V , incluida la región de resistencia negativa, se encuentra en el primer y tercer cuadrante del plano [15], por lo que el dispositivo tiene una resistencia estática positiva. [21] Algunos ejemplos son los tubos de descarga de gas , los diodos de túnel y los diodos de Gunn . [43] Estos dispositivos no tienen una fuente de alimentación interna y, en general, funcionan convirtiendo la alimentación CC externa de su puerto en alimentación variable en el tiempo (CA), [7] por lo que requieren una corriente de polarización CC aplicada al puerto además de la señal. [37] [39] Para aumentar la confusión, algunos autores [17] [43] [39] llaman a estos dispositivos "activos", ya que pueden amplificar. Esta categoría también incluye algunos dispositivos de tres terminales, como el transistor de unión única. [43] Se tratan en la sección Resistencia diferencial negativa a continuación.
- Dispositivos activos de resistencia diferencial negativa (fig. 4): Se pueden diseñar circuitos en los que una tensión positiva aplicada a los terminales provocará una corriente "negativa" proporcional; una corriente que sale del terminal positivo, lo opuesto a un resistor ordinario, en un rango limitado, [3] [26] [44] [45] [46] A diferencia de los dispositivos anteriores, la región de pendiente descendente de I– La curva V pasa por el origen, por lo que se encuentra en el segundo y cuarto cuadrantes del plano, lo que significa que el dispositivo genera energía. [24] Los dispositivos amplificadores como transistores y amplificadores operacionales con retroalimentación positiva pueden tener este tipo de resistencia negativa, [37] [47] [26] [42] y se utilizan en osciladores de retroalimentación y filtros activos . [42] [46] Dado que estos circuitos producen energía neta desde su puerto, deben tener una fuente de alimentación de CC interna, o bien una conexión separada a una fuente de alimentación externa. [24] [26] [44] En teoría de circuitos, esto se denomina "resistencia activa". [24] [28] [48] [49] Aunque este tipo a veces se denomina resistencia "lineal", [24] [50] "absoluta", [3] "ideal" o "pura" negativa [3] [46] para distinguirlo de las resistencias diferenciales negativas "pasivas", en electrónica se le llama más a menudo simplemente retroalimentación positiva o regeneración . Estos se tratan en la sección Resistencias activas a continuación.
Ocasionalmente, las fuentes de energía ordinarias se denominan "resistencias negativas" [20] [27] [32] [51] (fig. 3 arriba). Aunque la resistencia "estática" o "absoluta"de los dispositivos activos (fuentes de energía) pueden considerarse negativos (consulte la sección Resistencia estática negativa a continuación) la mayoría de las fuentes de energía ordinarias (CA o CC), como baterías , generadores y amplificadores (retroalimentación no positiva), tienen una resistencia diferencial positiva (su fuente resistencia ). [52] [53] Por lo tanto, estos dispositivos no pueden funcionar como amplificadores de un puerto o tener las otras capacidades de resistencias diferenciales negativas.
Lista de dispositivos de resistencia negativa
Los componentes electrónicos con resistencia diferencial negativa incluyen estos dispositivos:
- diodo de túnel , [54] [43] diodo de túnel resonante [55] y otros diodos semiconductores que utilizan el mecanismo de túnel [56]
- Diodo de Gunn [57] y otros diodos que utilizan el mecanismo de electrones transferidos [56]
- Diodo IMPATT , [43] [57] Diodo TRAPATT y otros diodos que utilizan el mecanismo de ionización por impacto [56]
- Algunos transistores NPN con polarización inversa EC, conocidos como negistor [58]
- transistor de unión única (UJT) [54] [43]
- tiristores [54] [43]
- tubos de vacío de triodo y tetrodo que funcionan en modo dinatrón [9] [59]
- Algunos tubos de magnetrón y otros tubos de vacío de microondas [60]
- maser [61]
- amplificador paramétrico [62]
Las descargas eléctricas a través de gases también presentan una resistencia diferencial negativa, [63] [64] incluidos estos dispositivos.
- arco eléctrico [65]
- tubos de tiratrón [66]
- lámpara de neón [6]
- lámpara fluorescente [2]
- otros tubos de descarga de gas [1] [43]
Además, los circuitos activos con resistencia diferencial negativa también se pueden construir con dispositivos amplificadores como transistores y amplificadores operacionales , utilizando retroalimentación . [43] [37] [47] En los últimos años se han descubierto varios nuevos materiales y dispositivos experimentales de resistencia diferencial negativa. [67] Los procesos físicos que causan resistencia negativa son diversos, [12] [56] [67] y cada tipo de dispositivo tiene sus propias características de resistencia negativa, especificadas por su curva corriente-voltaje . [10] [43]
Resistencia negativa estática o "absoluta"
Un punto de cierta confusión es si la resistencia ordinaria (resistencia "estática" o "absoluta", ) puede ser negativo. [68] [72] En electrónica, el término "resistencia" se aplica habitualmente solo a materiales y componentes pasivos [30] , como cables, resistencias y diodos . Estos no pueden tenercomo lo muestra la ley de Joule . [29] Un dispositivo pasivo consume energía eléctrica, por lo que de la convención de signos pasivos . Por lo tanto, de la ley de Joule. [23] [27] [29] En otras palabras, ningún material puede conducir la corriente eléctrica mejor que un conductor "perfecto" con resistencia cero. [6] [73] Para que un dispositivo pasivo tengaviolaría la conservación de energía [3] o la segunda ley de la termodinámica , [39] [44] [68] [71] (diagrama) . Por tanto, algunos autores [6] [29] [69] afirman que la resistencia estática nunca puede ser negativa.
Sin embargo, se muestra fácilmente que la relación de voltaje a corriente v / i en los terminales de cualquier fuente de energía (CA o CC) es negativa. [27] Para que la energía eléctrica ( energía potencial ) fluya de un dispositivo al circuito, la carga debe fluir a través del dispositivo en la dirección del aumento de la energía potencial, la corriente convencional (carga positiva) debe moverse del terminal negativo al positivo. [23] [36] [44] Entonces, la dirección de la corriente instantánea está fuera del terminal positivo. Esto es opuesto a la dirección de la corriente en un dispositivo pasivo definido por la convención de signo pasivo, por lo que la corriente y el voltaje tienen signos opuestos y su relación es negativa.
Esto también se puede probar con la ley de Joule [23] [27] [68]
Esto muestra que la energía puede fluir desde un dispositivo hacia el circuito () si y solo si. [23] [24] [32] [68] Si esta cantidad se denomina "resistencia" cuando es negativa es una cuestión de convención. La resistencia absoluta de las fuentes de energía es negativa, [3] [24] pero esto no debe considerarse como "resistencia" en el mismo sentido que las resistencias positivas. La resistencia estática negativa de una fuente de energía es una cantidad bastante abstracta y poco útil, porque varía con la carga. Debido a la conservación de la energía , siempre es simplemente igual al negativo de la resistencia estática del circuito adjunto (derecha) . [27] [42]
Se debe trabajar en las cargas por alguna fuente de energía en el dispositivo, para hacer que se muevan hacia el terminal positivo contra el campo eléctrico, por lo que la conservación de la energía requiere que las resistencias estáticas negativas tengan una fuente de energía. [3] [23] [39] [44] La energía puede provenir de una fuente interna que convierte alguna otra forma de energía en energía eléctrica como en una batería o generador, o de una conexión separada a un circuito de suministro de energía externo [44 ] como en un dispositivo amplificador como un transistor , un tubo de vacío o un amplificador operacional .
Pasividad eventual
Un circuito no puede tener una resistencia estática negativa (estar activo) en un rango de voltaje o corriente infinito, porque tendría que ser capaz de producir una potencia infinita. [10] Cualquier circuito o dispositivo activo con una fuente de energía finita es " eventualmente pasivo ". [49] [74] [75] Esta propiedad significa que si se le aplica un voltaje externo o corriente suficientemente grande de cualquier polaridad, su resistencia estática se vuelve positiva y consume energía [74]
- dónde es la potencia máxima que puede producir el dispositivo.
Por lo tanto, los extremos de la curva I – V eventualmente girarán y entrarán en el primer y tercer cuadrante. [75] Por lo tanto, el rango de la curva que tiene una resistencia estática negativa es limitado, [10] confinado a una región alrededor del origen. Por ejemplo, aplicar un voltaje a un generador o batería (gráfico, arriba) mayor que su voltaje de circuito abierto [76] invertirá la dirección del flujo de corriente, haciendo que su resistencia estática sea positiva, por lo que consume energía. De manera similar, aplicar un voltaje al convertidor de impedancia negativa por debajo de su voltaje de suministro de energía V s hará que el amplificador se sature, lo que también hará que su resistencia sea positiva.
Resistencia diferencial negativa
En un dispositivo o circuito con resistencia diferencial negativa (NDR), en alguna parte de la curva I – V la corriente disminuye a medida que aumenta el voltaje: [21]
La curva I – V no es monotónica (tiene picos y valles) con regiones de pendiente negativa que representan una resistencia diferencial negativa.
Las resistencias diferenciales negativas pasivas tienen una resistencia estática positiva ; [3] [6] [21] consumen energía neta. Por lo tanto, la curva I – V se limita al primer y tercer cuadrante del gráfico, [15] y pasa por el origen. Este requisito significa (excluyendo algunos casos asintóticos) que la región o regiones de resistencia negativa deben ser limitadas, [17] [77] y rodeadas por regiones de resistencia positiva, y no pueden incluir el origen. [3] [10]
Tipos
Las resistencias diferenciales negativas se pueden clasificar en dos tipos: [16] [77]
- Tensión de resistencia negativa controlada ( VCNR , estable de cortocircuito , [77] [78] [nota 2] o " N " tipo): En este tipo de la corriente es un solo valor , función continua de la tensión, pero el voltaje es una función multivalor de la corriente. [77] En el tipo más común hay solo una región de resistencia negativa, y el gráfico es una curva con forma generalmente como la letra "N". A medida que aumenta el voltaje, la corriente aumenta (resistencia positiva) hasta que alcanza un máximo ( i 1 ), luego disminuye en la región de resistencia negativa a un mínimo ( i 2 ) y luego aumenta nuevamente. Los dispositivos con este tipo de resistencia negativa incluyen el diodo túnel , [54] diodo túnel resonante , [79] diodo lambda , diodo Gunn , [80] y osciladores dynatron . [43] [59]
- Resistencia negativa controlada por corriente ( CCNR , circuito abierto estable , [77] [78] [nota 2] o tipo " S "): en este tipo, el dual del VCNR, el voltaje es una función de valor único de la corriente, pero la corriente es una función de múltiples valores del voltaje. [77] En el tipo más común, con una región de resistencia negativa, el gráfico es una curva con forma de letra "S". Los dispositivos con este tipo de resistencia negativa incluyen el diodo IMPATT , [80] UJT, [54] SCR y otros tiristores , [54] arco eléctrico y tubos de descarga de gas . [43]
La mayoría de los dispositivos tienen una única región de resistencia negativa. Sin embargo, también se pueden fabricar dispositivos con múltiples regiones de resistencia negativa separadas. [67] [81] Estos pueden tener más de dos estados estables y son de interés para su uso en circuitos digitales para implementar lógica multivalor . [67] [81]
Un parámetro intrínseco que se utiliza para comparar diferentes dispositivos es la relación de corriente pico a valle (PVR), [67] la relación entre la corriente en la parte superior de la región de resistencia negativa y la corriente en la parte inferior (ver gráficos, arriba) :
Cuanto mayor sea, mayor será la salida de CA potencial para una corriente de polarización de CC dada y, por lo tanto, mayor será la eficiencia.
Amplificación
Un dispositivo de resistencia diferencial negativa puede amplificar una señal de CA que se le aplica [11] [13] si la señal está polarizada con un voltaje o corriente de CC para que se encuentre dentro de la región de resistencia negativa de su curva I – V. [7] [12]
El circuito de diodos de túnel (ver diagrama) es un ejemplo. [82] El diodo túnel TD tiene una resistencia diferencial negativa controlada por voltaje. [54] La bateríaagrega un voltaje constante (polarización) a través del diodo para que funcione en su rango de resistencia negativa y proporciona energía para amplificar la señal. Suponga que la resistencia negativa en el punto de sesgo es. Para la estabilidad debe ser menor que . [36] Usando la fórmula para un divisor de voltaje , el voltaje de salida de CA es [82]
- entonces la ganancia de voltaje es
En un divisor de voltaje normal, la resistencia de cada rama es menor que la resistencia del conjunto, por lo que el voltaje de salida es menor que el de entrada. Aquí, debido a la resistencia negativa, la resistencia total de CA es menor que la resistencia del diodo solo por lo que el voltaje de salida de CA es mayor que la entrada . La ganancia de voltaje es mayor que uno, y aumenta sin límite a medida que enfoques .
Explicación de la ganancia de potencia
Los diagramas ilustran cómo un dispositivo de resistencia diferencial negativa polarizada puede aumentar la potencia de una señal que se le aplica amplificándola, aunque solo tiene dos terminales. Debido al principio de superposición, el voltaje y la corriente en los terminales del dispositivo se pueden dividir en un componente de polarización de CC () y un componente de CA () .
Dado que un cambio positivo de voltaje provoca un cambio negativo en la corriente, la corriente alterna y el voltaje en el dispositivo están desfasados 180 ° . [7] [57] [36] [84] Esto significa que en el circuito equivalente de CA (derecha) , la corriente CA instantánea Δ i fluye a través del dispositivo en la dirección del potencial CA creciente Δ v , como lo haría en un generador . [36] Por lo tanto, la disipación de energía de CA es negativa ; La energía de CA es producida por el dispositivo y fluye hacia el circuito externo. [85]
Con el circuito externo adecuado, el dispositivo puede aumentar la potencia de la señal de CA entregada a una carga, sirviendo como amplificador , [36] o excitar oscilaciones en un circuito resonante para hacer un oscilador . A diferencia de un dispositivo amplificador de dos puertos , como un transistor o un amplificador operacional, la señal amplificada sale del dispositivo a través de los mismos dos terminales ( puerto ) cuando ingresa la señal de entrada. [86]
En un dispositivo pasivo, la potencia CA producida proviene de la corriente de polarización CC de entrada, [21] el dispositivo absorbe potencia CC, parte de la cual se convierte en potencia CA por la no linealidad del dispositivo, amplificando la señal aplicada. Por lo tanto, la potencia de salida está limitada por la potencia de polarización [21].
La región de resistencia diferencial negativa no puede incluir el origen, porque entonces podría amplificar una señal sin corriente de polarización de CC aplicada, produciendo energía de CA sin entrada de energía. [3] [10] [21] El dispositivo también disipa algo de energía en forma de calor, igual a la diferencia entre la entrada de CC y la salida de CA.
El dispositivo también puede tener reactancia y, por lo tanto, la diferencia de fase entre la corriente y el voltaje puede diferir de 180 ° y puede variar con la frecuencia. [8] [42] [87] Siempre que el componente real de la impedancia sea negativo (ángulo de fase entre 90 ° y 270 °), [84] el dispositivo tendrá una resistencia negativa y podrá amplificar. [87] [88]
La potencia de salida de CA máxima está limitada por el tamaño de la región de resistencia negativa (en los gráficos anteriores) [21] [89]
Coeficiente de reflexión
La razón por la que la señal de salida puede dejar una resistencia negativa a través del mismo puerto en el que ingresa la señal de entrada es que , según la teoría de la línea de transmisión , el voltaje o la corriente CA en los terminales de un componente se puede dividir en dos ondas de movimiento opuesto, la onda incidente , que viaja hacia el dispositivo, y la onda reflejada , que se aleja del dispositivo. [90] Una resistencia diferencial negativa en un circuito puede amplificarse si la magnitud de su coeficiente de reflexión , la relación entre la onda reflejada y la onda incidente es mayor que uno. [17] [85]
- dónde
La señal "reflejada" (salida) tiene una amplitud mayor que la incidente; el dispositivo tiene "ganancia de reflexión". [17] El coeficiente de reflexión está determinado por la impedancia de CA del dispositivo de resistencia negativa,, y la impedancia del circuito adjunto a él, . [85] Si y luego y el dispositivo se amplificará. En el gráfico de Smith , una ayuda gráfica ampliamente utilizada en el diseño de circuitos de alta frecuencia, la resistencia diferencial negativa corresponde a puntos fuera del círculo unitario., el límite del gráfico convencional, por lo que se deben utilizar gráficos "expandidos" especiales. [17] [91]
Condiciones de estabilidad
Debido a que no es lineal, un circuito con resistencia diferencial negativa puede tener múltiples puntos de equilibrio (posibles puntos de operación de CC), que se encuentran en la curva I – V. [92] Un punto de equilibrio será estable , por lo que el circuito converge a él dentro de alguna vecindad del punto, si sus polos están en la mitad izquierda del plano s (LHP), mientras que un punto es inestable, lo que hace que el circuito oscile. o "engancharse" (converger a otro punto), si sus polos están en el eje jω o en el semiplano derecho (RHP), respectivamente. [93] [94] En contraste, un circuito lineal tiene un solo punto de equilibrio que puede ser estable o inestable. [95] [96] Los puntos de equilibrio están determinados por el circuito de polarización de CC, y su estabilidad está determinada por la impedancia de CAdel circuito externo. Sin embargo, debido a las diferentes formas de las curvas, la condición de estabilidad es diferente para los tipos de resistencia negativa VCNR y CCNR: [86] [97]
- En una resistencia negativa CCNR (tipo S), la función de resistencia es de un solo valor. Por lo tanto, la estabilidad está determinada por los polos de la ecuación de impedancia del circuito:. [98] [99]
- Para circuitos no reactivos () una condición suficiente para la estabilidad es que la resistencia total sea positiva [100]
- por lo que la CCNR es estable durante [16] [77] [97]
.
- Dado que los CCNR son estables sin carga alguna, se denominan "estables en circuito abierto" . [77] [78] [86] [101] [nota 2]
- En una resistencia negativa VCNR (tipo N), la función de conductanciaes de un solo valor. Por lo tanto, la estabilidad está determinada por los polos de la ecuación de admitancia.. [98] [99] Por esta razón, el VCNR a veces se denomina conductancia negativa . [16] [98] [99]
- Como se indicó anteriormente, para los circuitos no reactivos una condición suficiente para la estabilidad es que la conductancia total en el circuito sea positiva [100]
- por lo que el VCNR es estable durante [16] [97]
.
- Dado que los VCNR son incluso estables con una salida en cortocircuito, se denominan "estables frente a cortocircuitos" . [77] [78] [101] [nota 2]
Para circuitos de resistencia negativa general con reactancia , la estabilidad debe determinarse mediante pruebas estándar como el criterio de estabilidad de Nyquist . [102] Alternativamente, en el diseño de circuitos de alta frecuencia, los valores depara los que el circuito es estable se determinan mediante una técnica gráfica que utiliza "círculos de estabilidad" en un gráfico de Smith . [17]
Regiones operativas y aplicaciones
Para dispositivos simples de resistencia negativa no reactiva con y las diferentes regiones operativas del dispositivo se pueden ilustrar mediante líneas de carga en la curva I – V [77] (ver gráficos) .
La línea de carga de CC (DCL) es una línea recta determinada por el circuito de polarización de CC, con la ecuación
dónde es la tensión de alimentación de polarización de CC y R es la resistencia de la alimentación. Los posibles puntos operativos de CC ( puntos Q ) ocurren donde la línea de carga de CC se cruza con la curva I – V. Para estabilidad [103]
- Los VCNR requieren un sesgo de baja impedancia () , como una fuente de voltaje .
- Los CCNR requieren un sesgo de alta impedancia () como una fuente de corriente o una fuente de tensión en serie con una alta resistencia.
La línea de carga de CA ( L 1 - L 3 ) es una línea recta que pasa por el punto Q cuya pendiente es la resistencia diferencial (CA)frente al dispositivo. Crecientegira la línea de carga en sentido antihorario. El circuito opera en una de las tres regiones posibles (ver diagramas) , dependiendo de. [77]
- Región estable (verde) (ilustrada por la línea L 1 ): cuando la línea de carga se encuentra en esta región, interseca lacurva I – V en un punto Q 1 . [77] Para circuitos no reactivos, es un equilibrio estable ( polos en el LHP) por lo que el circuito es estable. Los amplificadores de resistencia negativaoperan en esta región. Sin embargo, debido a la histéresis , con un dispositivo de almacenamiento de energía como un condensador o inductor, el circuito puede volverse inestable para hacer un oscilador de relajación no lineal( multivibrador astable ) o un multivibrador monoestable . [104]
- Los VCNR son estables cuando .
- Las CCNR son estables cuando .
- Punto inestable (línea L 2 ): cuandola línea de carga es tangente a la curva I – V. La resistencia diferencial total (CA) del circuito es cero (polos en el eje jω ), por lo que es inestable y con un circuito sintonizado puede oscilar. Los osciladores lineales operan en este punto. Los osciladores prácticos en realidad comienzan en la región inestable de abajo, con polos en el RHP, pero a medida que aumenta la amplitud, las oscilaciones se vuelven no lineales y, debido a la pasividad eventual, la resistencia negativa r disminuye al aumentar la amplitud, por lo que las oscilaciones se estabilizan en una amplitud donde [105 ] .
- Región biestable (roja) (ilustrada por la línea L 3 ): En esta región, la línea de carga puede intersecar lacurva I – V en tres puntos. [77] El punto central ( Q 1 ) es un punto de equilibrio inestable (polos en el RHP), mientras que los dos puntos exteriores, Q 2 y Q 3 son equilibrios estables . Entonces, con la polarización correcta, el circuito puede ser biestable , convergerá a uno de los dos puntos Q 2 o Q 3 y se puede cambiar entre ellos con un pulso de entrada. En esta región operancircuitos de conmutación como flip-flops ( multivibradores biestables ) y disparadores Schmidt .
- Los VCNR pueden ser biestables cuando
- Los CCNR pueden ser biestables cuando
Resistencias activas: resistencia negativa de la retroalimentación
Además de los dispositivos pasivos con resistencia diferencial negativa intrínseca arriba, los circuitos con dispositivos amplificadores como transistores o amplificadores operacionales pueden tener resistencia negativa en sus puertos. [3] [37] La impedancia de entrada o salida de un amplificador con suficiente retroalimentación positiva aplicada puede ser negativa. [47] [38] [107] [108] Si es la resistencia de entrada del amplificador sin retroalimentación, es la ganancia del amplificador , yes la función de transferencia de la ruta de retroalimentación, la resistencia de entrada con retroalimentación en derivación positiva es [3] [109]
Entonces, si la ganancia del bucle es mayor que uno, será negativo. El circuito actúa como una "resistencia lineal negativa" [3] [45] [50] [110] en un rango limitado, [42] con una curva I – V que tiene un segmento de línea recta a través del origen con pendiente negativa (ver gráficos) . [67] [24] [26] [35] [106] Tiene una resistencia diferencial negativa y está activa
y así obedece la ley de Ohm como si tuviera un valor negativo de resistencia −R , [67] [46] sobre su rango lineal (tales amplificadores también pueden tener curvas I – V de resistencia negativa más complicadas que no pasan por el origen).
En teoría de circuitos, estos se denominan "resistencias activas". [24] [28] [48] [49] La aplicación de un voltaje a través de los terminales provoca una corriente proporcional fuera del terminal positivo, lo opuesto a una resistencia ordinaria. [26] [45] [46] Por ejemplo, conectar una batería a los terminales haría que la batería se cargara en lugar de descargarse. [44]
Considerados como dispositivos de un puerto, estos circuitos funcionan de manera similar a los componentes de resistencia diferencial negativa pasiva anteriores, y al igual que ellos se pueden usar para hacer amplificadores y osciladores de un puerto [3] [11] con las ventajas de que:
- Debido a que son dispositivos activos, no requieren una polarización de CC externa para proporcionar energía y pueden acoplarse a CC .
- la cantidad de resistencia negativa se puede variar ajustando la ganancia del bucle ,
- pueden ser elementos de circuito lineal; [8] [42] [50] si la operación se limita al segmento recto de la curva cerca del origen, el voltaje es proporcional a la corriente, por lo que no causan distorsión armónica .
La curva I – V puede tener una resistencia negativa controlada por voltaje (tipo "N") o controlada por corriente (tipo "S"), dependiendo de si el circuito de retroalimentación está conectado en "derivación" o "serie". [26]
También se pueden crear reactancias negativas (a continuación) , por lo que los circuitos de retroalimentación se pueden utilizar para crear elementos de circuito lineal "activos", resistencias, condensadores e inductores, con valores negativos. [37] [46] Se utilizan ampliamente en filtros activos [42] [50] porque pueden crear funciones de transferencia que no se pueden realizar con elementos de circuito positivo. [111] Ejemplos de circuitos con este tipo de resistencia negativa son el convertidor de impedancia negativa (NIC), el girador , el integrador Deboo, [50] [112] la resistencia negativa dependiente de la frecuencia (FDNR), [46] y el convertidor de inmitancia generalizada (GIC) . [42] [98] [113]
Osciladores de retroalimentación
Si un circuito LC está conectado a la entrada de un amplificador de retroalimentación positiva como el anterior, la resistencia de entrada diferencial negativa puede cancelar la resistencia a la pérdida positiva inherente al circuito sintonizado. [114] Siesto creará en efecto un circuito sintonizado con resistencia de CA cero ( polos en el eje jω ). [39] [107] La oscilación espontánea se excitará en el circuito sintonizado en su frecuencia de resonancia , sostenida por la potencia del amplificador. Esta es la forma de retroalimentación osciladores como Hartley o Colpitts trabajo. [41] [115] Este modelo de resistencia negativa es una forma alternativa de analizar el funcionamiento del oscilador de retroalimentación. [14] [36] [104] [108] [116] [117] [118] Todos los circuitos de oscilador lineal tienen resistencia negativa [36] [84] [104] [117] aunque en la mayoría de los osciladores de retroalimentación el circuito sintonizado es un parte integral de la red de retroalimentación, por lo que el circuito no tiene resistencia negativa en todas las frecuencias, sino solo cerca de la frecuencia de oscilación. [119]
Mejora Q
Un circuito sintonizado conectado a una resistencia negativa que cancela parte, pero no toda, su resistencia a la pérdida parasitaria (por lo que ) no oscilará, pero la resistencia negativa disminuirá la amortiguación en el circuito (moviendo sus polos hacia el eje jω ), aumentando su factor Q para que tenga un ancho de banda más estrecho y más selectividad . [114] [120] [121] [122] La mejora Q, también llamada regeneración , se utilizó por primera vez en el receptor de radio regenerativo inventado por Edwin Armstrong en 1912 [107] [121] y más tarde en "multiplicadores Q". [123] Se utiliza mucho en filtros activos. [122] Por ejemplo, los circuitos integrados de RF utilizan inductores integrados para ahorrar espacio, que consisten en un conductor en espiral fabricado en un chip. Estos tienen pérdidas altas y Q bajo, por lo que para crear circuitos sintonizados con Q alto, su Q se incrementa aplicando resistencia negativa. [120] [122]
Circuitos caóticos
Los circuitos que exhiben un comportamiento caótico pueden considerarse osciladores cuasiperiódicos o no periódicos y, como todos los osciladores, requieren una resistencia negativa en el circuito para proporcionar energía. [124] El circuito de Chua , un circuito no lineal simple ampliamente utilizado como el ejemplo estándar de un sistema caótico, requiere un componente de resistencia activa no lineal, a veces llamado diodo de Chua . [124] Esto generalmente se sintetiza usando un circuito convertidor de impedancia negativa. [124]
Convertidor de impedancia negativa
Un ejemplo común de un circuito de "resistencia activa" es el convertidor de impedancia negativa (NIC) [45] [46] [115] [125] que se muestra en el diagrama. Las dos resistenciasy el amplificador operacional constituye un amplificador no inversor de retroalimentación negativa con ganancia de 2. [115] El voltaje de salida del amplificador operacional es
Entonces, si un voltaje se aplica a la entrada, el mismo voltaje se aplica "al revés" a través de , lo que hace que la corriente fluya a través de él fuera de la entrada. [46] La corriente es
Entonces, la impedancia de entrada al circuito es [76]
El circuito convierte la impedancia a su negativo. Si es una resistencia de valor , dentro del rango lineal del amplificador operacional la impedancia de entrada actúa como una "resistencia negativa" lineal de valor . [46] El puerto de entrada del circuito está conectado a otro circuito como si fuera un componente. Una NIC puede cancelar la resistencia positiva no deseada en otro circuito, [126] por ejemplo, fueron desarrolladas originalmente para cancelar la resistencia en los cables telefónicos, que sirven como repetidores . [115]
Capacitancia e inductancia negativas
Por reemplazo en el circuito anterior con un condensador () o inductor () , también se pueden sintetizar capacitancias e inductancias negativas. [37] [46] Una capacitancia negativa tendrá una relación I – V y una impedancia de
dónde . Aplicar una corriente positiva a una capacitancia negativa hará que se descargue ; su voltaje disminuirá . De manera similar, una inductancia negativa tendrá una característica e impedancia I-V de
Se puede utilizar un circuito que tenga capacitancia o inductancia negativa para cancelar la capacitancia o inductancia positiva no deseada en otro circuito. [46] Se utilizaron circuitos NIC para cancelar la reactancia en los cables telefónicos.
También hay otra forma de verlos. En una capacitancia negativa, la corriente será 180 ° opuesta en fase a la corriente en una capacitancia positiva. En lugar de adelantar el voltaje en 90 °, retrasará el voltaje en 90 °, como en un inductor. [46] Por lo tanto, una capacitancia negativa actúa como una inductancia en la que la impedancia tiene una dependencia inversa de la frecuencia ω; disminuyendo en lugar de aumentar como una inductancia real [46] De manera similar, una inductancia negativa actúa como una capacitancia que tiene una impedancia que aumenta con la frecuencia. Las capacitancias e inductancias negativas son circuitos "no Foster" que violan el teorema de reactancia de Foster . [127] Una aplicación que se está investigando es la creación de una red de adaptación activa que podría hacer coincidir una antena con una línea de transmisión en una amplia gama de frecuencias, en lugar de una sola frecuencia como ocurre con las redes actuales. [128] Esto permitiría la creación de pequeñas antenas compactas que tendrían un ancho de banda amplio , [128] excediendo el límite de Chu-Harrington .
Osciladores
Los dispositivos de resistencia diferencial negativa se utilizan ampliamente para fabricar osciladores electrónicos . [7] [43] [129] En un oscilador de resistencia negativa, un dispositivo de resistencia diferencial negativa como un diodo IMPATT , un diodo Gunn o un tubo de vacío de microondas se conecta a través de un resonador eléctrico como un circuito LC , un cristal de cuarzo , dieléctrico resonador o resonador de cavidad [117] con una fuente de CC para polarizar el dispositivo en su región de resistencia negativa y proporcionar energía. [130] [131] Un resonador como un circuito LC es "casi" un oscilador; puede almacenar energía eléctrica oscilante, pero debido a que todos los resonadores tienen resistencia interna u otras pérdidas, las oscilaciones se amortiguan y disminuyen a cero. [21] [39] [115] La resistencia negativa cancela la resistencia positiva del resonador, creando en efecto un resonador sin pérdidas, en el que se producen oscilaciones continuas espontáneas en la frecuencia de resonancia del resonador . [21] [39]
Usos
Los osciladores de resistencia negativa se utilizan principalmente a altas frecuencias en el rango de microondas o superior, ya que los osciladores de retroalimentación funcionan mal en estas frecuencias. [14] [116] Los diodos de microondas se utilizan en osciladores de potencia baja a media para aplicaciones como pistolas de velocidad de radar y osciladores locales para receptores de satélite . Son una fuente de energía de microondas ampliamente utilizada y prácticamente la única fuente de estado sólido de ondas milimétricas [132] y energía de terahercios [129] Los tubos de vacío de microondas de resistencia negativa , como los magnetrones, producen salidas de potencia más altas, [117] en aplicaciones tales como transmisores de radar y hornos microondas . Los osciladores de relajación de frecuencia más baja se pueden hacer con UJT y lámparas de descarga de gas como las lámparas de neón .
El modelo de oscilador de resistencia negativa no se limita a dispositivos de un puerto como diodos, sino que también se puede aplicar a circuitos de oscilador de retroalimentación con dispositivos de dos puertos como transistores y tubos . [116] [117] [118] [133] Además, en los osciladores de alta frecuencia modernos, los transistores se utilizan cada vez más como dispositivos de resistencia negativa de un puerto como diodos. A frecuencias de microondas, los transistores con ciertas cargas aplicadas a un puerto pueden volverse inestables debido a la retroalimentación interna y mostrar resistencia negativa en el otro puerto. [37] [88] [116] Entonces, los osciladores de transistores de alta frecuencia se diseñan aplicando una carga reactiva a un puerto para dar resistencia negativa al transistor y conectando el otro puerto a través de un resonador para hacer un oscilador de resistencia negativa como se describe a continuación. [116] [118]
Oscilador de diodo Gunn
El oscilador de diodo común de Gunn (diagramas de circuito) [21] ilustra cómo funcionan los osciladores de resistencia negativa. El diodo D tiene una resistencia negativa controlada por voltaje (tipo "N") y la fuente de voltaje lo sesga en su región de resistencia negativa donde su resistencia diferencial es . El estrangulador RFC evita que la corriente CA fluya a través de la fuente de polarización. [21] es la resistencia equivalente debido a la amortiguación y las pérdidas en el circuito sintonizado en serie , más cualquier resistencia a la carga. Al analizar el circuito de CA con la ley de voltaje de Kirchhoff se obtiene una ecuación diferencial para, la corriente alterna [21]
Resolver esta ecuación da una solución de la forma [21]
- dónde
Esto muestra que la corriente a través del circuito, , varía con el tiempo sobre el punto DC Q ,. Cuando se inicia desde una corriente inicial distinta de cerola corriente oscila sinusoidalmente a la frecuencia resonante ω del circuito sintonizado, con amplitud constante, aumentando o disminuyendo exponencialmente , dependiendo del valor de α . Si el circuito puede sostener oscilaciones constantes depende del equilibrio entre y , la resistencia positiva y negativa en el circuito: [21]
- : ( polos en el semiplano izquierdo) Si la resistencia negativa del diodo es menor que la resistencia positiva del circuito sintonizado, la amortiguación es positiva. Cualquier oscilación en el circuito perderá energía como calor en la resistencia.y mueren exponencialmente a cero, como en un circuito sintonizado ordinario. [39] Entonces el circuito no oscila.
- : (polos en el eje jω ) Si las resistencias positiva y negativa son iguales, la resistencia neta es cero, por lo que la amortiguación es cero. El diodo agrega la energía suficiente para compensar la energía perdida en el circuito sintonizado y la carga, por lo que las oscilaciones en el circuito, una vez iniciadas, continuarán a una amplitud constante. [39] Esta es la condición durante el funcionamiento en estado estable del oscilador.
- : (polos en el semiplano derecho) Si la resistencia negativa es mayor que la resistencia positiva, la amortiguación es negativa, por lo que las oscilaciones crecerán exponencialmente en energía y amplitud. [39] Ésta es la condición durante el inicio.
Los osciladores prácticos están diseñados en la región (3) anterior, con resistencia neta negativa, para iniciar las oscilaciones. [118] Una regla general muy utilizada es hacer. [17] [134] Cuando se enciende la alimentación, el ruido eléctrico en el circuito proporciona una señalpara iniciar oscilaciones espontáneas, que crecen exponencialmente. Sin embargo, las oscilaciones no pueden crecer eternamente; la no linealidad del diodo finalmente limita la amplitud.
A grandes amplitudes, el circuito no es lineal, por lo que el análisis lineal anterior no se aplica estrictamente y la resistencia diferencial no está definida; pero el circuito se puede entender considerandopara ser la resistencia "promedio" durante el ciclo. A medida que la amplitud de la onda sinusoidal excede el ancho de la región de resistencia negativa y la oscilación de voltaje se extiende a regiones de la curva con resistencia diferencial positiva, la resistencia diferencial negativa promedio se vuelve más pequeño, y por lo tanto la resistencia total y la amortiguación se vuelve menos negativo y eventualmente se vuelve positivo. Por lo tanto, las oscilaciones se estabilizarán en la amplitud a la que la amortiguación se vuelve cero, que es cuando. [21]
Los diodos Gunn tienen una resistencia negativa en el rango de -5 a -25 ohmios. [135] En osciladores donde esta cerca de ; lo suficientemente pequeño como para permitir que el oscilador se inicie, la oscilación de voltaje se limitará principalmente a la parte lineal de la curva I – V , la forma de onda de salida será casi sinusoidal y la frecuencia será más estable. En circuitos en los que está muy por debajo , la oscilación se extiende más hacia la parte no lineal de la curva, la distorsión de recorte de la onda sinusoidal de salida es más severa, [134] y la frecuencia dependerá cada vez más de la tensión de alimentación.
Tipos de circuito
Los circuitos de oscilador de resistencia negativa se pueden dividir en dos tipos, que se utilizan con los dos tipos de resistencia diferencial negativa: controlado por voltaje (VCNR) y controlado por corriente (CCNR) [91] [103]
- Oscilador de resistencia negativa (controlado por voltaje): dado que los dispositivos VCNR (tipo "N") requieren una polarización de baja impedancia y son estables para impedancias de carga inferiores a r , [103] el circuito oscilador ideal para este dispositivo tiene la forma que se muestra en la parte superior derecha, con una fuente de voltaje V de polarización para polarizar el dispositivo en su región de resistencia negativa, y una carga de circuito resonante en paralelo LC . El circuito resonante tiene alta impedancia solo en su frecuencia resonante, por lo que el circuito será inestable y oscilará solo en esa frecuencia.
- Oscilador de conductancia negativa (controlado por corriente): los dispositivos CCNR (tipo "S"), por el contrario, requieren una alta polarización de impedancia y son estables para impedancias de carga superiores a r . [103] El circuito oscilador ideales es como que en la parte inferior derecha, con un sesgo fuente de corriente I sesgo (que puede consistir en una fuente de tensión en serie con una resistencia grande) y series de resonancia del circuito LC . El circuito LC en serie tiene baja impedancia solo en su frecuencia de resonancia y, por lo tanto, solo oscilará allí.
Condiciones de oscilación
La mayoría de los osciladores son más complicados que el ejemplo del diodo de Gunn, ya que tanto el dispositivo activo como la carga pueden tener tanto reactancia ( X ) como resistencia ( R ). Los osciladores de resistencia negativa modernos están diseñados mediante una técnica de dominio de frecuencia debido a K. Kurokawa. [88] [118] [136] El diagrama del circuito se imagina dividido por un " plano de referencia " (rojo) que separa la parte de resistencia negativa, el dispositivo activo, de la parte de resistencia positiva, el circuito resonante y la carga de salida ( derecha) . [137] La impedancia compleja de la parte de resistencia negativadepende de la frecuencia ω pero también no es lineal, en general declina con la amplitud de la corriente de oscilación CA I ; mientras que la parte del resonadores lineal, dependiendo solo de la frecuencia. [88] [117] [137] La ecuación del circuito espor lo que solo oscilará (tendrá I distinto de cero ) a la frecuencia ω y amplitud I para la cual la impedancia totales cero. [88] Esto significa que la magnitud de las resistencias positiva y negativa deben ser iguales, y las reactancias deben ser conjugadas [85] [117] [118] [137]
- y
Para la oscilación de estado estable se aplica el signo igual. Durante el arranque se aplica la desigualdad, porque el circuito debe tener un exceso de resistencia negativa para que comiencen las oscilaciones. [85] [88] [118]
Alternativamente, la condición de oscilación se puede expresar usando el coeficiente de reflexión . [85] La forma de onda de voltaje en el plano de referencia se puede dividir en un componente V 1 que viaja hacia el dispositivo de resistencia negativa y un componente V 2 que viaja en la dirección opuesta, hacia la parte del resonador. El coeficiente de reflexión del dispositivo activo. es mayor que uno, mientras que el de la parte del resonador es menor que uno. Durante el funcionamiento, las ondas se reflejan hacia adelante y hacia atrás en un viaje de ida y vuelta, por lo que el circuito oscilará solo si [85] [117] [137]
Como se indicó anteriormente, la igualdad proporciona la condición para una oscilación constante, mientras que la desigualdad es necesaria durante el arranque para proporcionar un exceso de resistencia negativa. Las condiciones anteriores son análogas al criterio de Barkhausen para osciladores de retroalimentación; son necesarios pero no suficientes, [118] por lo que hay algunos circuitos que satisfacen las ecuaciones pero no oscilan. Kurokawa también derivó condiciones suficientes más complicadas, [136] que se utilizan a menudo en su lugar. [88] [118]
Amplificadores
Los dispositivos de resistencia diferencial negativa, como los diodos Gunn e IMPATT, también se utilizan para fabricar amplificadores , particularmente en frecuencias de microondas, pero no tan comúnmente como osciladores. [86] Debido a que los dispositivos de resistencia negativa tienen solo un puerto (dos terminales), a diferencia de los dispositivos de dos puertos como los transistores , la señal amplificada saliente tiene que salir del dispositivo por los mismos terminales que la señal entrante. [12] [86] Sin alguna forma de separar las dos señales, un amplificador de resistencia negativa es bilateral ; amplifica en ambas direcciones, por lo que sufre de sensibilidad a la impedancia de carga y problemas de retroalimentación. [86] Para separar las señales de entrada y salida, muchos amplificadores de resistencia negativa utilizan dispositivos no recíprocos como aisladores y acopladores direccionales . [86]
Amplificador de reflexión
Un circuito ampliamente utilizado es el amplificador de reflexión en el que la separación se realiza mediante un circulador . [86] [138] [139] [140] Un circulador es un componente de estado sólido no recíproco con tres puertos (conectores) que transfiere una señal aplicada a un puerto al siguiente en una sola dirección, el puerto 1 al puerto 2, 2 a 3, y 3 a 1. En el diagrama del amplificador de reflexión, la señal de entrada se aplica al puerto 1, un diodo N de resistencia negativa VCNR polarizado se conecta a través de un filtro F al puerto 2, y el circuito de salida se conecta al puerto 3. El La señal de entrada pasa del puerto 1 al diodo del puerto 2, pero la señal amplificada "reflejada" saliente del diodo se enruta al puerto 3, por lo que hay poco acoplamiento entre la salida y la entrada. La impedancia característicade las líneas de transmisión de entrada y salida , generalmente 50 Ω, se corresponde con la impedancia del puerto del circulador. El propósito del filtro F es presentar la impedancia correcta al diodo para establecer la ganancia. En radiofrecuencias, los diodos NR no son cargas resistivas puras y tienen reactancia, por lo que un segundo propósito del filtro es cancelar la reactancia del diodo con una reactancia conjugada para evitar ondas estacionarias. [140] [141]
El filtro solo tiene componentes reactivos y, por lo tanto, no absorbe energía por sí mismo, por lo que la energía pasa entre el diodo y los puertos sin pérdida. La potencia de la señal de entrada al diodo es
La potencia de salida del diodo es
Entonces la ganancia de poder del amplificador es el cuadrado del coeficiente de reflexión [138] [140] [141]
es la resistencia negativa del diodo −r . Suponiendo que el filtro se corresponde con el diodo por lo que[140] entonces la ganancia es
El amplificador de reflexión VCNR anterior es estable para . [140] mientras que un amplificador CCNR es estable para. Se puede ver que el amplificador de reflexión puede tener una ganancia ilimitada, acercándose al infinito como se acerca al punto de oscilación en . [140] Esta es una característica de todos los amplificadores NR, [139] que contrasta con el comportamiento de los amplificadores de dos puertos, que generalmente tienen una ganancia limitada pero a menudo son incondicionalmente estables. En la práctica, la ganancia está limitada por el acoplamiento de "fuga" hacia atrás entre los puertos del circulador.
Los masers y amplificadores paramétricos son amplificadores NR de ruido extremadamente bajo que también se implementan como amplificadores de reflexión; se utilizan en aplicaciones como radiotelescopios . [141]
Circuitos de conmutación
Los dispositivos de resistencia diferencial negativa también se utilizan en circuitos de conmutación en los que el dispositivo funciona de forma no lineal, cambiando abruptamente de un estado a otro, con histéresis . [15] La ventaja de usar un dispositivo de resistencia negativa es que se puede construir un oscilador de relajación , flip-flop o celda de memoria con un solo dispositivo activo, [81] mientras que el circuito lógico estándar para estas funciones, el multivibrador Eccles-Jordan , requiere dos dispositivos activos (transistores). Tres circuitos de conmutación construidos con resistencias negativas son
- Multivibrador estable : un circuito con dos estados inestables, en el que la salida cambia periódicamente entre los estados. El tiempo que permanece en cada estado está determinado por la constante de tiempo de un circuito RC. Por lo tanto, es un oscilador de relajación y puede producir ondas cuadradas u ondas triangulares .
- Multivibrador monoestable : es un circuito con un estado inestable y un estado estable. Cuando en su estado estable se aplica un pulso a la entrada, la salida cambia a su otro estado y permanece en él por un período de tiempo que depende de la constante de tiempo del circuito RC, luego vuelve al estado estable. Por tanto, el monoestable se puede utilizar como temporizador o elemento de retardo.
- Multivibrador biestable o flip flop : es un circuito con dos estados estables. Un pulso en la entrada cambia el circuito a su otro estado. Por lo tanto, los biestables se pueden utilizar como circuitos de memoria y contadores digitales .
Otras aplicaciones
Modelos neuronales
Algunos casos de neuronas muestran regiones de conductancias de pendiente negativa (RNSC) en experimentos de fijación de voltaje. [142] La resistencia negativa aquí está implícita si uno considera la neurona un modelo de circuito típico de estilo Hodgkin-Huxley .
Historia
La resistencia negativa se reconoció por primera vez durante las investigaciones de los arcos eléctricos , que se utilizaron para la iluminación durante el siglo XIX. [143] En 1881 Alfred Niaudet [144] había observado que el voltaje a través de los electrodos de arco disminuía temporalmente a medida que aumentaba la corriente del arco, pero muchos investigadores pensaron que esto era un efecto secundario debido a la temperatura. [145] El término "resistencia negativa" fue aplicado por algunos a este efecto, pero el término fue controvertido porque se sabía que la resistencia de un dispositivo pasivo no podía ser negativa. [68] [145] [146] A partir de 1895, Hertha Ayrton , que amplió la investigación de su esposo William con una serie de experimentos meticulosos que midieron la curva de arcos I-V , estableció que la curva tenía regiones de pendiente negativa, lo que generó controversia. [65] [145] [147] Frith y Rodgers en 1896 [145] [148] con el apoyo de los Ayrton [65] introdujeron el concepto de resistencia diferencial , dv / di , y se aceptó lentamente que los arcos tenían diferenciales negativos resistencia. En reconocimiento a su investigación, Hertha Ayrton se convirtió en la primera mujer votada para ser admitida en el Instituto de Ingenieros Eléctricos . [147]
Transmisores de arco
George Francis FitzGerald se dio cuenta por primera vez en 1892 de que si la resistencia de amortiguación en un circuito resonante podía hacerse cero o negativa, produciría oscilaciones continuas. [143] [149] En el mismo año, Elihu Thomson construyó un oscilador de resistencia negativa conectando un circuito LC a los electrodos de un arco, [105] [150] quizás el primer ejemplo de un oscilador electrónico. William Duddell , un estudiante de Ayrton en el London Central Technical College, llamó la atención del público sobre el oscilador de arco de Thomson. [105] [143] [147] Debido a su resistencia negativa, la corriente a través de un arco era inestable y las luces del arco a menudo producían silbidos, zumbidos o incluso aullidos. En 1899, investigando este efecto, Duddell conectó un circuito LC a través de un arco y la resistencia negativa excitó las oscilaciones en el circuito sintonizado, produciendo un tono musical del arco. [105] [143] [147] Para demostrar su invención, Duddell conectó varios circuitos sintonizados en un arco y tocó una melodía en él. [143] [147] El oscilador de " arco de canto " de Duddell se limitaba a las frecuencias de audio. [105] Sin embargo, en 1903 los ingenieros daneses Valdemar Poulsen y PO Pederson aumentaron la frecuencia en el rango de radio operando el arco en una atmósfera de hidrógeno en un campo magnético, [151] inventando el transmisor de radio de arco Poulsen , que fue ampliamente utilizado hasta el Década de 1920. [105] [143]
Tubos de vacio
A principios del siglo XX, aunque no se entendían las causas físicas de la resistencia negativa, los ingenieros sabían que podía generar oscilaciones y habían comenzado a aplicarla. [143] Heinrich Barkhausen en 1907 mostró que los osciladores deben tener resistencia negativa. [84] Ernst Ruhmer y Adolf Pieper descubrieron que las lámparas de vapor de mercurio podían producir oscilaciones, y en 1912 AT&T las había utilizado para construir repetidores amplificadores para líneas telefónicas . [143]
En 1918, Albert Hull de GE descubrió que los tubos de vacío podían tener una resistencia negativa en partes de sus rangos de funcionamiento, debido a un fenómeno llamado emisión secundaria . [9] [36] [152] En un tubo de vacío, cuando los electrones golpean el electrodo de placa , pueden expulsar electrones adicionales de la superficie hacia el tubo. Esto representa una corriente alejada de la placa, reduciendo la corriente de la placa. [9] Bajo ciertas condiciones, el aumento del voltaje de la placa provoca una disminución en la corriente de la placa. Al conectar un circuito LC al tubo, Hull creó un oscilador, el oscilador dynatron . Siguieron otros osciladores de tubo de resistencia negativa, como el biotrón inventado por John Scott-Taggart en 1919, [153] [154] [155] y el magnetrón inventado por Hull en 1920. [60]
El convertidor de impedancia negativa se originó a partir del trabajo de Marius Latour alrededor de 1920. [156] [157] También fue uno de los primeros en reportar capacitancia e inductancia negativas. [156] Una década más tarde, George Crisson y otros desarrollaron NIC de tubo de vacío como repetidores de línea telefónica en Bell Labs , [26] [127] lo que hizo posible el servicio telefónico transcontinental. [127] Las NIC de transistores, iniciadas por Linvill en 1953, iniciaron un gran aumento en el interés en las NIC y se desarrollaron muchos circuitos y aplicaciones nuevos. [125] [127]
Dispositivos de estado sólido
La resistencia diferencial negativa en los semiconductores se observó alrededor de 1909 en los primeros diodos de unión de punto de contacto , llamados detectores de bigotes de gato , por investigadores como William Henry Eccles [158] [159] y GW Pickard . [159] [160] Se dieron cuenta de que cuando las uniones estaban polarizadas con un voltaje de CC para mejorar su sensibilidad como detectores de radio, a veces se rompían en oscilaciones espontáneas. [160] Sin embargo, no se persiguió el efecto.
La primera persona en explotar prácticamente los diodos de resistencia negativa fue el investigador de radio ruso Oleg Losev , quien en 1922 descubrió una resistencia diferencial negativa en uniones de contacto de puntos de zincita ( óxido de zinc ) sesgadas . [160] [161] [162] [163] [164] Los usó para construir amplificadores de estado sólido , osciladores y receptores de radio amplificadores y regenerativos , 25 años antes de la invención del transistor. [158] [162] [164] [165] Más tarde, incluso construyó un receptor superheterodino . [164] Sin embargo, sus logros fueron pasados por alto debido al éxito de la tecnología de tubos de vacío . Después de diez años abandonó la investigación sobre esta tecnología (apodada "Crystodyne" por Hugo Gernsback ), [165] y fue olvidada. [164]
El primer dispositivo de resistencia negativa de estado sólido ampliamente utilizado fue el diodo túnel , inventado en 1957 por el físico japonés Leo Esaki . [67] [166] Debido a que tienen una capacitancia parásita más baja que los tubos de vacío debido a su pequeño tamaño de unión, los diodos pueden funcionar a frecuencias más altas, y los osciladores de diodos de túnel demostraron ser capaces de producir energía a frecuencias de microondas , por encima del rango de los osciladores de tubos de vacío ordinarios. . Su invención inició la búsqueda de otros dispositivos semiconductores de resistencia negativa para su uso como osciladores de microondas, [167] resultando en el descubrimiento del diodo IMPATT , el diodo Gunn , el diodo TRAPATT y otros. En 1969 Kurokawa derivó las condiciones para la estabilidad en circuitos de resistencia negativos. [136] Actualmente, los osciladores de diodo de resistencia diferencial negativa son las fuentes de energía de microondas más utilizadas, [80] y en las últimas décadas se han descubierto muchos dispositivos nuevos de resistencia negativa. [67]
Notas
- ^ Algunos textos de microondas usan este término en un sentido más especializado: undispositivo de resistencia negativa controlada por voltaje (VCNR), como un diodo de túnel, se denomina "conductancia negativa", mientras que undispositivo de resistencia negativa controlada por corriente (CCNR), como un diodo IMPATT, es llamada "resistencia negativa". Ver lasección de condiciones de estabilidad
- ^ a b c d Los términos " estable en circuito abierto " y " estable en cortocircuito " se han vuelto algo confusos a lo largo de los años y algunos autores los utilizan en el sentido opuesto. La razón es que en los circuitos lineales si la línea de carga cruza la curva IV del dispositivo NR en un punto, el circuito es estable, mientras que en los circuitos de conmutación no lineales que operan por histéresis, la misma condición hace que el circuito se vuelva inestable y oscile como un multivibrador astable , y la región biestable se considera la "estable". Este artículo utiliza la antigua definición "lineal", la más antigua, que se encuentra en las fuentes de Abraham, Bangert, Dorf, Golio y Tellegen. La última definición de "circuito de conmutación" se encuentra en las fuentes de Kumar y Taub.
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