本發(fā)明屬于電氣信息
技術領域：
，具體涉及一種負N平方阻抗變換器。
背景技術：
：負阻抗變換器NIC(NegativeImpedanceConverter)是能將一個阻抗(或元件參數(shù))按一定比例進行變換并改變其符號的一種四端網(wǎng)絡(或稱二端口網(wǎng)絡)。負阻抗變換器，作為一種非常有用的有源元件，已經(jīng)廣泛應用于各種功能的電子電路中。根據(jù)輸入電壓和輸入電流與輸出電壓和輸出電流的相互關系，負阻抗變換器可分為電流反向型(CNIC)和電壓反向型(VNIC)兩種，從現(xiàn)有的電網(wǎng)絡理論教科書以及公開發(fā)表的論文可知，通過運算放大器和電阻等器件，能夠?qū)崿F(xiàn)變比為k的負阻抗變換器。電流反向型負阻抗變換器(CNIC)僅僅改變電流(包括方向和數(shù)值)，電壓不變；電壓反向型負阻抗變換器(VNIC)僅僅改變電壓(包括方向和數(shù)值)，電流不變。這兩種電路是最基本形式，但形式單一，不能夠?qū)崿F(xiàn)更高級別的負阻抗變換。在工程實際中，需要負N平方阻抗變換器，實現(xiàn)更大的阻抗變換，顯然，單純依靠電流反向型負阻抗變換器(CNIC)就大大超出運算放大器電流的額定值，很難實現(xiàn)；同樣，單純依靠電壓反向型負阻抗變換器(VNIC)就大大超出運算放大器電壓的額定值，也很難實現(xiàn)。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明提出一種負N平方阻抗變換器，由運算放大器和兩個電阻分別構成電流控制電流源與電壓控制電壓源，然后通過兩級(或者三級)級聯(lián)，實現(xiàn)負N平方阻抗變換器，不僅適用直流電路，而且適用正弦電流電路，能夠?qū)崿F(xiàn)更高級別的負阻抗變換。為了解決上述技術問題，本發(fā)明提出一種負N平方阻抗變換器，電路包括多個運算放大器和多個電阻，其中，每一個運算放大器均搭配兩個電阻，共組成多個電流控制電流源，或者共組成多個電壓控制電壓源，或者共組成數(shù)量相等的電流控制電流源和電壓控制電壓源。進一步，包括兩個運算放大器和四個電阻，其中，第一運算放大器、第一電阻和第二電阻構成電流控制電流源；第一運算放大器地聯(lián)端接在輸入信號接地端，第一電阻連接在第一運算放大器的同相輸入端與輸出端之間，第二電阻連接在第一運算放大器的輸 出端與反相輸入端之間；第二運算放大器、第三電阻和第四電阻構成電壓控制電壓源；第二運算放大器的同相輸入端接輸入信號接地端，第三電阻的一端與第二運算放大其的反相輸入端連接，第四電阻連接在第二運算放大器的反相輸入端與信號輸出端之間；第二運算放大器的同相輸入端接輸入信號接地端，第三電阻的另一端與第一運算放大器的反相輸入端以及第二運算放大器地聯(lián)端連接。進一步，包括兩個運算放大器和四個電阻，其中，第一運算放大器、第一電阻和第二電阻構成電壓控制電壓源；第一運算放大器地聯(lián)端接在輸入信號接地端，第一電阻連接在第一運算放大器的反相輸入端與輸入信號之間，第二電阻連接在第一運算放大器反相輸入端與輸出端之間；第二運算放大器、第三電阻和第四電阻構成電流控制電流源；第二運算放大器的地聯(lián)端接入信號接地端，第三電阻連接在第二運算放大其的同相輸入端和輸出端之間，第四電阻連接在第二運算放大器的反相輸入端與輸出端之間之間；第二電阻、第三電阻、第一運算放大器的輸出端以及第二運算放大器的同相輸入端連接于同一點。進一步，包括三個運算放大器和六個電阻，每一個運算放大器均搭配兩個電阻組成三個電流控制電流源，三個電流控制電流源級聯(lián)連接。進一步，對于每一個運算放大器，一個電阻連接在運算放大器的正相輸入端和輸出端之間，另一個電阻連接在運算放大器的反相輸入端和輸出端之間，每個運算放大器的地聯(lián)端均接地，后一級的運算放大器的同相輸入端接前一級的反相輸入端。進一步，包括兩個運算放大器和四個電阻；每一個運算放大器均搭配兩個電阻組成兩個電壓控制電壓源，兩個電壓控制電壓源級聯(lián)連接。進一步，對于每一個運算放大器，一個電阻連接在運算放大器的反相輸入端和輸出端之間，另一個電阻的連接在輸入信號和反相輸入端之間；每個運算放大器的同相輸入端接地，后一級的地聯(lián)端與前一級的輸出端連接。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點在于，本發(fā)明由于采用電壓電流同時改變，電壓兩級改變，電流兩級改變，提供了阻抗變換比為N平方，大大改善了負阻抗變換器性能，拓展了負阻抗變換器的用途；本發(fā)明用線性運算放大器組成負N平方阻抗變換器，在一定的電壓、電流的范圍內(nèi)可獲得良好的線性度。有許多應用，例如負N平方電阻電壓源、負N平方電阻電流源、RLC串聯(lián)負N平方電阻電路等等，效果明顯。附圖說明圖1為本發(fā)明方案一中電流電壓型負N平方阻抗變換器示意圖，其中(a)為原理圖，(b)為線路圖。圖2為本發(fā)明方案二中電壓電流型負N平方阻抗變換器示意圖，其中(a)為原理圖，(b)為線路圖。圖3為本發(fā)明方案三中電流級聯(lián)型負N平方阻抗變換器示意圖，其中(a)為原理圖，(b)為線路圖。圖4為本發(fā)明方案三中電壓級聯(lián)型負N平方阻抗變換器示意圖，其中(a)為原理圖，(b)為線路圖。圖5為含有負N平方電阻的RLC串聯(lián)電路圖。具體實施方式本發(fā)明的基本思想是，將電流控制電流源與電壓控制電壓源級聯(lián)，不僅改變電流方向和數(shù)值，同時改變電壓數(shù)值；也可以通過級聯(lián)電流控制電流源，進行分級電流放大，改變電流方向和數(shù)值；更可以通過級聯(lián)電壓控制電壓源，進行分級電壓縮小，改變電壓方向和數(shù)值。這樣就形成多種類型的負N平方阻抗變換器，基本保持運算放大器額定值，在理論上具有指導意義，對工程實際具有應用價值。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)負N平方阻抗變換，以滿足工程需要。本發(fā)明為實現(xiàn)上述思想而設計的電路包括多個運算放大器和多個電阻，其中，每一個運算放大器均搭配兩個電阻組成一個電流控制電流源或電壓控制電壓源；多個運算放大器和多個電阻，共組成多個電流控制電流源，或者共組成多個電壓控制電壓源，或者共組成數(shù)量相等的電流控制電流源和電壓控制電壓源；上述負N平方阻抗變換器，其實就是由運算放大器和兩個電阻分別構成電流控制電流源與電壓控制電壓源，然后通過級聯(lián)(例如兩級級聯(lián)或者三級級聯(lián))，實現(xiàn)負N平方阻抗變換器，其可以由多個電流控制電流源通過級聯(lián)構成，也可以由多個電壓控制電壓源通過級聯(lián)構成，還可以由多個電流控制電流源和多個電壓控制電壓源通過級聯(lián)后構成。不同的組成和級聯(lián)方式共有四種方案。一、第一種方案：電流電壓型負N平方阻抗變換器，其通過電流控制電流源，實現(xiàn)電流反向放大；然后級聯(lián)電壓控制電壓源，實現(xiàn)電壓縮小。電路圖如圖1所示。本方案構成及其級聯(lián)方式為：第一運算放大器、第一電阻R1和第二電阻R2構成電流控制電流源；其中，第一運算放大器地聯(lián)端接在輸入信號接地端a’，第一電阻R1聯(lián)接在第一運算放大器的同相輸入端與輸出端之間，第二電阻R2連接在第一運算放大器的輸出端與反相輸入端c之間。第二運算放大器、第三電阻R3和第四電阻R4構成電壓控制電壓源；其中，第二運算放大器的同相輸入端接輸入信號接地端a’，第三電阻R3的一端與第二運算放大其的反相輸入端連接，第四電阻R4連接在第二運算放大器的反相輸入端與信號輸出端b之間；電流控制電流源與壓控制電壓源的級聯(lián)方式為：第二運算放大器的同相輸入端接輸入信號接地端a’，第三電阻R3的另一端與第一運算放大器的反相輸入端以及第二運算放大器地聯(lián)端連接，即共同連接于c點。使用時，在b-b’之間聯(lián)接阻抗(電阻)RL，在a-a’之間聯(lián)接信號源(或電路)，即可實現(xiàn)阻抗(電阻)變換成-N2RL。原理為：根據(jù)u1=Nu2i1=1Ni2]]>得u1i1=Nu21Ni2=N2(u2i2)···u2i2=-RL···u1i1=-N2RL]]>方程變形u1-u2=(N-1)u2=N-1Nu1i1+i2=(N+1)i1,]]>可畫出電路原理，如圖1中(a)所示。其中，N表示電壓控制電壓源的系數(shù)，以及電流控制電流源系數(shù)的倒數(shù)；u1、i1分別表示負N平方阻抗變換器的輸入端電壓、電流，u2、i2分別表示負N平方阻抗變換器的輸出端電壓、電流，RL表示被變換阻抗(電阻)。對于圖1中(b)，首先第一運算放大器實現(xiàn)電流反向放大N倍，然后第二運算放大器實現(xiàn)電壓正向縮小N倍，各電阻參數(shù)設計如下：i1=1Ni2⇒i1i2=1N⇒R1i1=R2i2i1i2=R2R1]]>···R2R1=1N]]>取R1＝kNR2＝ku2-u1u1=-R4R3=-N-1N]]>取R3＝kNR4＝k(N-1)其中，R1、R2表示電流控制電流源的第一、第二電阻，R3、R4表示電壓控制電壓源的第三、第四電阻，k表示正數(shù)。第一運算放大器構成電流控制電流源吸收功率為(N+1)i1u1，第二運算放大器構成電壓控制電壓源吸收功率為-(N-1)i1u1，即發(fā)出功率(N-1)i1u1。二、第二種方案：電壓電流型負N平方阻抗變換器，其通過電壓控制電壓源，實現(xiàn)電壓縮??；然后級聯(lián)電流控制電流源，實現(xiàn)電流反向放大。構成及其級聯(lián)方式為：第一運算放大器、第一電阻R1和第二電阻R2構成電壓控制電壓源；其中，第一運算放大器地聯(lián)端接在輸入信號接地端a’，第一電阻R1連接在第一運算放大器的反相輸入端與輸入信號之間，第二電阻R2連接在第一運算放大器反相輸入端與輸出端之間；第二運算放大器、第三電阻R3和第四電阻R4構成電流控制電流源；其中，第二運算放大器的地聯(lián)端接入信號接地端a’，第三電阻R3連接在第二運算放大其的同相輸入端和輸出端之間，第四電阻R4連接在第二運算放大器的反相輸入端與輸出端之間之間；電流控制電流源與壓控制電壓源的級聯(lián)方式為：第二電阻R2、第三電阻R3第一運算放大器的輸出端、第二運算放大器的同相輸入端連接與同一點。對于圖2中(b)，首先第一運算放大器和電阻R1、R2構成電壓控制電壓源，實現(xiàn)電壓正向縮小N倍，然后第二運算放大器和電阻R3、R4構成電流控制電流源，實現(xiàn)電流反向放大N倍，電壓控制電壓源與電流控制電流源在c點實現(xiàn)級聯(lián)，同樣可以實現(xiàn)負N平方阻抗變換器。根據(jù)u1-u2=N-1Nu1i1+i2=(N+1)i1,]]>可畫出電路原理，如圖2中(a)所示。各電阻參數(shù)設計如下：u2-u1u1=-R2R1=-N-1N⇒R1=kNR2=k(N-1)]]>i1=1Ni2⇒i1i2=1N⇒R3i1=R4i2i1i2=R4R3]]>···R4R3=1N]]>R3＝kNR4＝k其中，R1、R2表示第一運算放大器構成電流控制電流源的第一、第二電阻，R3、R4表示第二運算放大器構成電壓控制電壓源的第三、第四電阻，k表示正數(shù)。第一運算放大器構成電壓控制電壓源吸收功率為第二運算放大器構成電流控制電流源吸收功率為第三種方案：電流級聯(lián)型負N平方阻抗變換器，其通過電流控制電流源，實現(xiàn)電流反向；然后級聯(lián)兩個電流控制電流源，實現(xiàn)電流放大。每一個運算放大器均搭配兩個電阻，共組成多個電流控制電流源，其中，一個電阻連接在運算放大器的正相輸入端和輸出端之間，另一個電阻連接在運算放大器的反相輸入端和輸出端之間，每個運算放大器的地聯(lián)端均接地，后一級的運算放大器的同相輸入端接前一級的反相輸入端。根據(jù)u1=u2i1=1N2i2]]>電流方程變形i1=1N2i2=(-1)×(-1N)×(-1N)×(-i2),]]>可畫出電路原理，如圖3中(a)所示。其中電流關系···i3=-i1,i4=-Ni3=Ni1,i2=Ni4···i2=N(-Ni3)=N(Ni1)=N2i1]]>故i1=1N2i2]]>對于圖3中(b)，首先第一運算法大器和兩個電阻R1構成電流控制電流源，實現(xiàn)電流反向，然后第二運算放大器和電阻R1、R2構成電流控制電流源，實現(xiàn)電流反向放大N倍，第三運算放大器和電阻R1、R2構成電流控制電流源，實現(xiàn)電流反向放大N倍，三個電流控制電流源級聯(lián)點分別是c點和d點，同樣可以實現(xiàn)負N平方阻抗變換器。電阻參數(shù)設計如下：取R1＝k其中，R1表示第一運算法大器構成電流控制電流源的第一電阻(左邊)和第二電阻(右邊)，以及第二運算放大器、第三運算放大器構成電流控制電流源的第一電阻；R2表示第二運算放大器、第三運算放大器構成電流控制電流源的第二電阻；k表示正數(shù)。第一運算法大器構成電流控制電流源吸收功率為2i1u1，第二運算放大器構成電流控制電流源吸收功率為-(N+1)i1u1，即發(fā)出功率(N+1)i1u1，第三運算放大器構成電流控制 電流源吸收功率為(N+1)Ni1u1。第四種方案：電壓級聯(lián)型負N平方阻抗變換器，其通過電壓控制電壓源，實現(xiàn)電壓反向縮??；然后級聯(lián)電壓控制電壓源，實現(xiàn)電壓縮小。每一個運算放大器均搭配兩個電阻，共組成多個電壓控制電壓源，其中，一個電阻連接在運算放大器的反相輸入端和輸出端之間，另一個電阻的連接在輸入信號和反相輸入端之間，每個運算放大器的同相輸入端接地，后一級的地聯(lián)端與前一級的輸出端連接。根據(jù)u1=-N2u2i1=-i2]]>電壓方程變形u1＝-Nu3,u3＝Nu2,∴u1＝-N2u2再進一步變形u1=-Nu3-u3+u3=-(N+1)u3+u3=N+1Nu1+u3u3=Nu2-u2+u2=(N-1)u2+u2=N-1Nu3+u2]]>可畫出電路原理，如圖4中(a)所示。對于圖4中(b)，首先第一運算放大器和電阻R1、R2構成電壓控制電壓源，實現(xiàn)電壓反向縮小N倍，然后第二運算放大器和電阻R3、R4構成電壓控制電壓源，實現(xiàn)電壓正向縮小N倍，兩個電壓控制電壓源級聯(lián)點是c點，同樣可以實現(xiàn)負N平方阻抗變換器。電阻參數(shù)設計如下：u3-u1u1=-R2R1=-N-1N⇒R1=kNR2=k(N-1)]]>u2-u3u3=-R4R3=-N-1N⇒R3=kNR4=k(N-1)]]>其中，R1、R2分別表示第一運算放大器構成電壓控制電壓源的第一電阻(左邊)和第二電阻(右邊)；R3、R4分別表示第二運算放大器構成電壓控制電壓源的第三電阻(左邊)和第四電阻(右邊)；k表示正數(shù)。第一運算放大器構成電壓控制電壓源吸收功率為然后第二運算放大器構成電壓控制電壓源吸收功率為即發(fā)出功率為本發(fā)明負N平方阻抗變換器，由于采用電壓電流同時改變，電壓兩級改變，電流兩級改變，提供了阻抗變換比為N平方，大大改善了負阻抗變換器性能，拓展了負阻抗變換器的用途。本發(fā)明用線性運算放大器組成負N平方阻抗變換器，在一定的電壓、電流 的范圍內(nèi)可獲得良好的線性度。有許多應用，例如負N平方電阻電壓源、負N平方電阻電流源、RLC串聯(lián)負N平方電阻電路等等，效果明顯。下面以含有負N平方電阻的RLC串聯(lián)電路舉例說明實施方式，但本發(fā)明不受所述具體實施例所限。在研究RLC串聯(lián)電路動態(tài)電路的方波激勵時，響應類型只能觀察到過阻尼，臨界阻尼和欠阻尼三種形式。若采用如圖5中(a)所示的具有負N平方內(nèi)阻的方波電源作為激勵源，等效電路如圖5中(b)所示，由于電源負N平方內(nèi)阻(-N2RS)與電感器的電阻rL之和，可能為零，甚至為負，則響應類型可出現(xiàn)RLC串聯(lián)總電阻為零的無阻尼等幅振蕩，以及總電阻小于零的負阻尼發(fā)散型振蕩情況，效果比普通負阻變換器明顯。這樣，就能很好地觀察過阻尼、臨界阻尼、欠阻尼、無阻尼和負阻尼的五種情況。本發(fā)明所述負N平方阻抗變換器，不僅適用直流電路，而且適用正弦電流電路。若電路施加正弦電源，則可以實現(xiàn)負N平方阻抗變換。當前第1頁1 2 3