【摘要】在电路理论中，负阻元件在电子电路中主要用来产生振荡，其特性曲线都是严重非线性的。负阻元件典型的应用是间歇振荡，在缺乏高效供电时尤其有用。负阻振荡器结构简单、体积小、成本低，所以在一些需要初始触发时经常使用。
【关键词】负阻元件;二极管;运算放大器;负阻抗;负阻抗变换器;振荡器
负阻元件在电子电路中主要用来产生振荡，其特性曲线都是严重非线性的。负阻元件大都为两端器件，做振荡器时可代替多端有源器件，如三极管等。负阻元件典型的应用是间歇振荡，在缺乏高效供电时尤其有用。负阻振荡器结构简单、体积小、成本低。常用的双向触发二极管，其特性曲线就有典型的负阻区，所以在一些需要初始触发时经常使用。
一、负阻元件
负阻元件是一种电阻值为负值的元件，目前还没有研制出这种元件，只是理论推测应该存这样一种二端电路元件。下面从电路变量的约束关系给出具体推测过程。元件的基本变量如端电压U，端电流i和与此相关的变量如元件两端电荷q及其中磁通&，在理想电路元件中，R、L、C元件已为我们所熟悉，从变量约束关系的完备性及对称性推断，还应存在一种理想电路元件，在变量q与&之间建立起一种约束关系，即f（q、&、t）=O。这就是“负阻元件”目前人们预它将是发现和应用得最迟的一种基本二端元件。
1.基本特性
负阻特性也称为负微分电阻特性，是指一些电路或电子元件在某特定的电流增加时，电压反而减少的特性。一般的电阻在电流增加时，电压也会增加，负阻特性恰好与电阻的特性相反。电压随电流变化的情形可以用微分电阻（differential resistance）r表示：r=dV/dI没有一个单一的电子元件，可以在所有工作范围都呈现负阻特性，不过有些二极管（例如隧道二极管（英语：tunnel diode））在特定工作范围下会有负阻特性。用共振隧道二极管（英语：resonant-tunneling diode）说明其负阻特性。有些气体在放电（英语：Gas discharge）时也会出现负阻特性。而一些硫族化物的玻璃、有机半导体及导电聚合物也有类似的负阻特性。负阻元件在电子学中可制作双稳态的切换电路及频率接近微波频率的震荡电路。
2.性质
绘出一个理想负电阻的电流-电压关系，其斜率为负值。而一般电阻的斜率为正值。隧道二极管和耿氏二极管的电流-电压关系中都有一个区域，其微分电阻为负值。这些元件和电阻一様也有二个端子，不过不是线性元件。单接合面晶体管若和其他元件组合成电路时，也会有负电阻的特性。若要有理想负电阻的特性，电路中需要有主动元件提供能量。因为当电流流过负电阻时，负电阻即为一能量源。依欧姆定律，电阻二端的电压和电流成正比，其电流-电压关系的图形斜率为正，且会通过原点。理想负电阻其电流-电压关系的图形斜率为负，且会通过原点，因此只在图中的第二和第四象限出现。像隧道二极管之类的元件，其斜率为负的部份未通过原点，因此隧道二极管中没有能量源。
3.历史
以往研究时有注意到气体放电元件及一些真空管（例如负耗阻性管（英语：dynatron））会有负阻效应[4]。不过实用且有经济效益的元件一直到固态电子技术普及后才出现。典型的负阻抗电路—负阻抗变换器（英语：negative impedance converter）—是由约翰·林维尔（英语：John G.Linvill）在1953年发明[5]。而典型差动电阻为负值的元件—隧道二极管—则是由江崎玲于奈在1958年发明[6]。
4.实际元件
①二极管。隧道二极管有重掺杂的半导体接面，其转换曲线为”N”型，部份区域有负阻特性。真空管也可以设计成有负阻特性。其他有负阻特性的二极管一般会有”S”型转换曲线。当对元件施加偏压，使工作点在负阻区域时，这些元件可以作为放大器，也可以对元件施加偏压，使得在电压变化时，元件可以在二个状态之间快速的切换。
②运算放大器。利用由运算放大器组成的负阻抗转换器可以产生负电阻的电路。二个电阻R1及运算放大器构成了一个负回授的非反向型放大器，增益为2。若Z=R，假设运算放大器为理想元件，则电路的输入电阻为Rin=-Z=-R电路的输入埠可以视为是一个负电阻。一般情形下也可以调整Z，使电路产生类似负电容或负电感的特性。
二、负阻抗
负阻抗是电路理论中的一个重要基本概念，在工程实践中有广泛的应用。负阻抗的产生除某些非线性元件（如隧道二极管）在某个电压或电流的范围内具有负阻特性外，一般都由一个有源的双端口网络来形成一个等值的线性负阻抗。
根据伏安特性的不同，具有负阻抗的器件可分两大类;一类是伏安特性及其电流随电压单值变化，当电压升高到一定值时，电流反而迅速下降，这一段电压升高，电流反而下降的特性称为电压控制型负阻抗特性，它等效的交流电源类似于交流恒压源，如隧道二极管等器件就具有这类特性。
另一类的伏安特性电压随电流单值变化，当电流升高到一定值时，电压反而下降，这一段电流升高，电压反而下降的特性称为电流控制型负阻抗特性，它等效的交流电源类似于交流恒流源，如单结晶体管、工作于雪崩击穿压的晶体三报管等器件具有这类特性。
另外，由晶体三极管、场效应管等器件的输出特性曲线可知，其负载线的斜率也为负值，所以有源器件也呈现负阻抗特性，当有源器件构成放大器时，它能向负载提供能量。
负阻抗变换器广泛应用于工业领域直流放大电路。在工业技术领域中，特别是在一些测量仪器和自动化控制系统中应用非常广泛。在高频范围内，信号传输过程中，信号沿到达的地方，信号线和参考平面（电源或地平面）间由于电场的建立，会产生一个瞬间电流，如果传输线是各向同性的，那么只要信号在传输，就始终存在一个电流I，而如果信号的输出电平为V，在信号传输过程中，传输线就会等效成一个电阻，大小为V/I，把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Z。信号在传输的过程中，如果传输路径上的特性阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。影响特性阻抗的因素有：介电常数、介质厚度、线宽、铜箔厚度。假设一根均匀电缆无限延伸，在发射端的在某一频率下的阻抗称为“特性阻抗”。测量特性阻抗时，可在电缆的另一端用特性阻抗的等值电阻终接，其测量结果会跟输入信号的频率有关。特性阻抗的测量单位为欧姆。在高频段频率不断提高时，特性阻抗会渐近于固定值。例如同轴线将会是50或75欧姆;而双绞线（用于电话及网络通讯）将会是100欧姆（在高于1MHz时）。粗同轴电缆与细同轴电缆是指同轴电缆的直径大还是小。粗缆适用于比较大型的局部网络，它的标准距离长、可靠性高。由于安装时不需要切断电缆，因此可以根据需要灵活调整计算机的入网位置。但粗缆网络必须安装收发器和收发器电缆，安装难度大，所以总体造价高。相反，细缆安装则比较简单，造价低，但由于安装过程要切断电缆，两头须装上基本网络连接头（BNC），然后接在T型连接器两端，所以当接头多时容易产生接触不良的隐患，这是目前运行中的以太网所发生的最常见故障之一。国内标准计算机网络一般选用RG-8以太网粗缆和RG-58以太网细缆。（50欧）RG-59用于电视系统。（75欧）RG-62用于ARCnet网络和IBM3270网络。
图1 INIC电路模型图
三、负阻抗变换器
1.原理
负阻抗变换器（negative-impedance convertor，简记为NIC）：能将一个阻抗（或元件参数）按一定比例进行变换并改变其符号的一种二端口元件。负阻抗变换器（简写NIC）是一种二端口元件，通常，把端口1-1’处的U1和I1称为输入电压和输入电流，而把端口2-2’处的U2和-I2称为输出电压和输出电流。U1、I1和U2、I2的指定参考方向如图1中所示。根据输入电压和电流与输出电压和电流的相互关系，负阻抗变换器可分为电流反向型（INIC）和电压反向型（VNIC）两种，对于INIC的电路模型如图1所示。
在理想情况下，其电压、电流关系为：对于INIC型：U1=U2 I1=（-K1）（-I2）。对于VNIC型：U1=2K-U2 I1=-I2。如果在INIC的输出端上负载ZL，如图2所示，则它的输入阻抗Zi为：
图2
本实验用线性运算放大器组成如图3所示的INIC电路，在一定的电压、电流的范围内可获得良好的线性度。
图3
根据运放理论可知：
当Z1=R1=1KΩ，Z2=R2=300Ω时;
若ZL=RL时：
若：
则：
，
若：
，
应用负阻抗变换器构成一个具有负内阻的电压源，电路如图4所示：
图4
U2端为等效负内阻电压源的输出端。由于U+=U-=U2，I1=-I2，故输出电压U2=US-R0I1=US+R0I2。显然，该电压源的内阻为-R0，输出端电压随输出电流的增加而 增加。具有负内阻电压源的等效电路和伏安特性曲线如图5所示。
图5
2.与负阻元件的关系
如前所述，负阻元件是二端元件，而MC是四端网络。负阻元件只是理论推测应当存在，MC则在电路设计上可以实现，因此两者概念上讲是不相同的，电路模型也肯定不同。但在某些具体使用场合，若使MC的2-2端口为电阻元件时，端口1-1，则为负电阻特性，这为在电路设计中实现负电阻（以及负电感与负电容）元件所具备的某些功能提供了可能。
3.应用简介
①负阻（抗）电路的设计
负电阻或负阻抗的获得现已有专用的负阻集成电路可以选用。也可根需要由运放组成。是一种由超低漂移、高精度集成运放OPO7和集成电流放大器FX0002C组成的负阻（抗）变换器。
其中Z3=R3+jx3，当x3=0时，端口1-1"的等效电阻值为：
②无内阻（抗）电流表
③无内阻理想电压源。上述无内阻电流表是负阻抗变换器的具体应用，其的“负阻元件”是由四端网络的负阻抗变换器来实现的。然而将来有一天能研制出二端负阻元件的话，则可望制造出无内阻的理想电压源。此外，在无损耗电能的传输、各种电机的节能降耗等生产、生活及科研领域中都将会出现广阔的应用前景。
四、负阻振荡器
用负阻器件和LC谐振回路构成的正弦波发生器。由于负阻器件与谐振回路的连接只需两个端点，所以又称二端振荡器。
负阻器件的伏安特性曲线在特性曲线的ɑ～b区段内，当电压增大时电流反而减小，即电压增量u=u2-u1是正值时，电流增量墹i=i2-i1是负值，所以在这一区段内负阻器件的动态电阻R为负值，即负阻不但不消耗交流功率，而且还向与它相连接的外电路供给交流功率。
负阻器件有两类：
①电压控制型：其特点是电流为电压的单值函数，而电压却不是电流的单值函数。这种器件的伏安特性曲线形状如字母N，故又称N型负阻，隧道二极管等具有这种特性。
②电流控制型：其特点是电压为电流的单值函数，而电流却不是电压的单值函数，其伏安特性曲线的形状如字母S，故又称S型负阻，双基极二极管等具有这种特性。
负阻器件与谐振回路连接的方式有二种，一为电流控制型负阻器件与串联谐振回路相连接，如图2的双基极二极管负阻振荡电路。一为电压控制型负阻器件与并联谐振回路相连接，如图3的隧道二极管负阻振荡电路。在负阻振荡器中，只要负阻所提供的功率大于外电路（谐振回路及负载）正阻所消耗的功率，电路即能起振并持续振荡。由于负阻器件本身的非线性特性，负阻的数值随着振荡幅度的增大而变化：对于电流控制型负阻器件，它将变小：而对于电压控制型负阻器件，它将变大。两者都会使负阻供给的功率逐渐减小，直到与正阻所消耗的功率相等，使振荡幅度趋于稳定。负阻振荡器在通信设备和电子仪器中用作信号源，常用于频率比较高的场合。60年代以来，陆续发明了不少新型的固态负阻器件和据此构成的负阻振荡器。在微波频段，除了上述的隧道二极管振荡器外，最主要的有雪崩渡越时间二极管振荡器和转移电子器件振荡器。它们与微波真空电子器件（反射速调管、磁控管、返波管等）振荡器比较，具有耗电少、直流供电电压低、结构简单、体积小、成本低等优点，缺点是输出功率较小，耐核辐射能力差。
五、负阻元件的应用与研究进展
1.混频器及频率转换器
隧道二极管高度非线性的特性可用在混频器中，隧道混频器若配合偏压，使隧道二极管工作在负阻的区域，隧道混频器的转换增益至少会提高20dB。
2.天线设计
无线电天线设计的领域也会用到负阻的概念，一般会称为负阻抗。天线上常会配合主动元件，再利用一到多个主动元件来产生颢著的负阻抗。
3.阻抗消除
负阻抗也可以用来抵消正阻抗的影响，例如抵消电压源中的内阻或是使电流源的内阻变成无限大。此技术已用在电路线的中继器及类似Howland电流源（Howland current source）、Deboo积分器（Deboo integrator）及负载抵消电路等。
4.研究进展
夸克是由于轻子发生质量盈余、分数电荷亏损（转化）、分数磁单极子亏损（转化）、分数磁偶极子亏损（转化）而形成的。夸克被色力束缚于重子之中。若提供足够的能量，就能够还原轻子由于形成束缚态夸克所转化了的分数电荷、分数磁单极子、分数磁偶极子，形成自由态的介子。中子存在一个单位负电荷转化（带一单位负虚电荷）。负电阻元件利用多中子有机导电材料。由于一些电子被多中子旋量场空间势阱束缚，这些电子原来的位置留下空穴，同时也存在电子对空穴的添补运动。
随着科学技术的发展，负阻元件将会有突飞猛进的进展，对相关行业的产生和发展具有重要的影响。
参考文献
[1]胡宴如，耿苏燕.高频电子线路[M].高等教育出版社，2009.
[2]马鑫金.电工仪表与电路实验技术[M].机械工业出版社，2008.
[3]华中理工大学电工基础教研室.电路实验指导书[M].北京：高等教育出版社，1983.
[4]马鑫金编.电子技术实验指导书[Z].南京理工大学.
南阳师范学院教学研究项目——基于电子信息专业职业核心能力的电子技术课程开发研究与实践。