負性抵抗の原理と回路例

負性抵抗

負性抵抗とは、マイナスの抵抗値を持った素子、または回路で、印加する電圧が大きくなると電流が減少するという特性を持っています。
負性抵抗となる素子としては、トンネルダイオードやサイリスタがありますが、本稿ではオペアンプやトランジスタを使った能動的な回路の動作や用途について解説していきます。

オペアンプを使った負性抵抗回路

下図のようなオペアンプを使った負性抵抗回路を負性インピーダンス変換器といいます。
英語ではNegative Impedance Converterと記載され、NICと略されます。

 負性インピーダンス変換器(NIC)

この回路の入力から見た抵抗Rinを計算します。

バーチャルショートが成立することから、

負性抵抗の計算

よって、電流I1は、

負性抵抗の計算

となり、オペアンプの出力電圧Voutを計算すると、

負性抵抗の計算

となります。
入力に流れる電流Iinは、

負性抵抗の計算

と計算できるので、入力側から見たインピーダンスは、

負性抵抗の計算

で求められ、負の値になっていることが分かります。
ここで、R1=R2とすると、負性抵抗Rinは、

負性抵抗の計算

となり、RFで決まることが分かります。
上記回路ではRF=220Ωなので、負性抵抗は-220Ωとなります。

シミュレーションで特性を確認すると以下のようになります。

負性抵抗の特性

上段の波形が入力電流、下段が入力抵抗(負性抵抗)です。

発振回路への応用

下図のようなLC共振回路を考えます。

共振回路

コンデンサの初期電圧を5V、コイルの初期電流を0Aに設定して過渡解析を実行します。
理想的なLC共振回路では、発振は永遠に継続しますが、実物のコンデンサとコイルは直列抵抗成分を持っているため、抵抗で電力が消費され発振は徐々に減衰していきます。

共振波形

ここに負性抵抗を接続して抵抗成分を打ち消すことで、発振を継続させることができます。

発振回路と負性抵抗
負性抵抗の発振波形

抵抗で失われる電力を負性抵抗が補うイメージです。

負性抵抗は、水晶振動子の発振回路などでも用いられます。

電流帰還時の負性抵抗に注意

電圧クランプ回路などで、消費電流を減らすために出力電流の一部をフィードバックして、出力トランジスタのベースに戻す回路が使われることがあります。

電流帰還クランプ回路

通常、出力電流が増えると出力トランジスタのVBEが低下するため、クランプ電圧は低下していきます。

しかし、基準側のトランジスタのVBEが出力側より極端に大きかったり、レイアウトの不備で基準側トランジスタのエミッタ側に大きな抵抗成分が付いてしまうと、出力電流の増加に伴いクランプ電圧が増大してしまいます。
帰還量が大きすぎると動作が不安定になり、発振に至る場合もあるので注意が必要です。

負性抵抗の特性
動画で電子回路の基礎を学ぶ

Analogistaでは、電子回路の基礎から学習できるセミナー動画を作成しました。

電子の動きをアニメーションを使って解説したり、シミュレーションを使って回路動作を説明し、直感的に理解しやすい内容としています。

これから電子回路を学ぶ必要がある社会人の方、趣味で電子工作を始めたい方におすすめの講座になっています。

電子回路を動画で学ぶ

【内容】

  • 電気回路の基本法則
  • 回路シミュレータの使い方
  • コンデンサ・コイルとインピーダンス
  • フィルタ回路
  • 半導体部品の基礎
  • オペアンプの基礎
関連記事
バイポーラトランジスタの仕組みと原理

バイポーラトランジスタとは、半導体のPN接合を利用したトランジスタです。 コレクタ、エミッタ、ベースの3端子で構成され、ベース-エミッタ間に一定以上の電圧を印加することでオンさせる(コレクタ-エミッタ間を導通させる)ことができます。 また、ベースに流し込んだ電流を増幅する、電流増…

コンパレータの設計方法とヒステリシスの作り方

コンパレータとは、2つの入力電圧を比較して出力を切り替える回路です。 非反転入力端子(+端子)の電圧の方が高ければ出力電圧はHi、反転入力端子(-端子)の電圧の方が高ければ出力電圧はLoとなります。 片側の入力電圧を固定して閾値とし、もう一方の電圧が閾値より高いか低いかを判定する…

差動増幅回路の動作原理

差動増幅回路とは、2つの入力の差電圧を増幅する回路です。 差動増幅器とも呼ばれます。 オペアンプを使った回路では、減算回路とも言われます。 本稿では、トランジスタを使った差動増幅回路とオペアンプを使った回路について、わかりやすく解説していきます。 INDEXトランジスタを使った差…

B級プッシュプル増幅回路とAB級アンプの特徴と動作原理

B級増幅回路とは、入力信号の上半分と下半分を別々のトランジスタで増幅して出力する方式です。 A級増幅回路より効率は良くなりますが、歪みが大きくなるのがデメリットです。 AB級増幅回路とは、A級とB級の中間の動作をし、高効率で歪みのない増幅回路です。 本稿では、B級、AB級の回路と…

多重帰還型アクティブフィルタの特性と設計計算

本稿では多重帰還型のアクティブフィルタについて解説していきます。 前回までに紹介したサレンキー型アクティブフィルタは非反転増幅回路となっていましたが、多重帰還型では反転増幅回路となります。 サレンキー型2次フィルタの特性と設計計算 サレンキー型3次フィルタの特性と設計計算 IND…