Resistencia negativa

Lámpara fluorescente, un dispositivo con resistencia diferencial negativa. En funcionamiento, un aumento de la corriente a través del tubo fluorescente provoca una caída de tensión a través de él. Si el tubo se conectara directamente a la línea de potencia, el voltaje del tubo de caída causaría más y más corriente de flujo, lo que la causaría arc flash y destruirse a sí mismo. Para prevenir esto, los tubos fluorescentes están conectados a la línea de energía a través de un de mierda. La balasta añade impedancia positiva (resistencia de CA) al circuito para contrarrestar la resistencia negativa del tubo, limitando la corriente.

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.

Esto contrasta con una resistencia ordinaria en la que un aumento del voltaje aplicado provoca un aumento proporcional en la corriente debido a la ley de Ohm, lo que da como resultado una resistencia positiva. Mientras que una resistencia positiva consume energía de la corriente que la atraviesa, una resistencia negativa produce energía. Bajo ciertas condiciones puede aumentar la potencia de una señal eléctrica, amplificándola.

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 tensión a corriente v/i{displaystyle v/i}, y resistencia diferencial, la relación de un cambio de tensión al cambio resultante en la corriente Δ Δ v/Δ Δ i{displaystyle Delta v/Delta i}. El término resistencia negativa significa resistencia diferencial negativa (NDR), <math alttext="{displaystyle Delta v/Delta iΔ Δ v/Δ Δ i.0{displaystyle Delta v/Delta i 0}<img alt="{displaystyle Delta v/Delta i. En general, una resistencia diferencial negativa es un componente biterminal que puede amplificar, convirtiendo la potencia DC aplicada a sus terminales a la potencia de salida AC para amplificar una señal AC aplicada a los mismos terminales. Se utilizan en osciladores electrónicos y amplificadores, especialmente en frecuencias de microondas. La mayoría de la energía de microondas se produce con dispositivos de resistencia diferencial negativa. También pueden tener histeresis y ser bistables, y también se utilizan en los circuitos de conmutación y memoria. Ejemplos de dispositivos con resistencia diferencial negativa son los diodos de túnel, diodos de Gunn y tubos de descarga de gas como lámparas de neón y luces fluorescentes. Además, los circuitos que contienen dispositivos amplificadores como transistores y amplificadores de operaciones con retroalimentación positiva pueden tener resistencia diferencial negativa. Estos se utilizan en osciladores y filtros activos.

Debido a que no son lineales, los dispositivos de resistencia negativa tienen un comportamiento más complicado que los dispositivos "óhmicos" positivos. resistencias que se encuentran normalmente 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 porción limitada de su rango de voltaje o corriente. Por lo tanto, no existe una "resistencia negativa" real. análogo a una resistencia positiva, que tiene una resistencia negativa constante en un rango de corriente arbitrariamente amplio.

Un diodo Gunn, un dispositivo semiconductor con resistencia diferencial negativa utilizada en osciladores electrónicos para generar microondas

Definiciones

An I-V curva, mostrando la diferencia entre la resistencia estática (pendiente inversa de la línea B) y resistencia diferencial (pendiente inversa de la línea C) en un momento (A).

La resistencia entre dos terminales de un dispositivo o circuito eléctrico se determina por su voltaje actual (I-V) curva (curva de caracteres), dando la corriente i{displaystyle i} a través de ella para cualquier voltaje dado v{displaystyle v} cruzando. La mayoría de los materiales, incluyendo las resistencias ordinarias (positivas) encontradas en circuitos eléctricos, obedecen la ley de Ohm; la corriente a través de ellos es proporcional al voltaje sobre una amplia gama. Así que... I-V curva de una resistencia ohmica es una línea recta a través del origen con pendiente positiva. La resistencia es la relación de tensión a corriente, la pendiente inversa de la línea (en I-V gráficos donde el voltaje v{displaystyle v} es la variable independiente) y es constante.

La resistencia negativa ocurre en algunos dispositivos no lineales (no óhmicos). En un componente no lineal, la curva I–V no es una línea recta, por lo que no obedece la ley de Ohm. La resistencia todavía se puede definir, pero la resistencia no es constante; varía con el voltaje o la corriente a través del dispositivo. La resistencia de un dispositivo no lineal de este tipo se puede definir de dos maneras, que son iguales para las resistencias óhmicas:

Los cuadrantes de los I-V plano, mostrando regiones que representan dispositivos pasivos (blanco) y dispositivos activos ()rojo)

• Resistencia estatica (también llamado Resistencia al coro, Resistencia absoluta o simplemente resistencia) – Esta es la definición común de resistencia; el voltaje dividido por la corriente:
  Rstatic=vi.{displaystyle R_{mathrm {static} }={frac {v} {i}}.

  
  Es la pendiente inversa de la línea (chord) desde el origen a través del punto sobre el I-V curva. En una fuente de alimentación, como una batería o generador eléctrico, flujos de corriente positivos Fuera. del terminal de voltaje positivo, opuesto a la dirección de corriente en un resistor, así desde la convención de firma pasiva i{displaystyle i} y v{displaystyle v} tienen signos opuestos, representando puntos que están en el cuadrante 2o o 4o del I-V avión (diagrama derecho). Así pues, las fuentes de poder han tenido oficialmente resistencia estática negativa ()<math alttext="{displaystyle R_{text{static}}Restática.0).{displaystyle R_{text{static} {0}}<img alt="{displaystyle R_{text{static}} Sin embargo este término nunca se utiliza en la práctica, porque el término "resistencia" sólo se aplica a los componentes pasivos. La resistencia estatica determina la disipación de energía en un componente. Los dispositivos pasivos, que consumen energía eléctrica, tienen una resistencia estática positiva; mientras que los dispositivos activos, que producen energía eléctrica, no lo hacen.

• Resistencia diferencial (también llamado dinámica, o incremental resistencia) – Este es el derivado del voltaje con respecto a la corriente; la relación de un pequeño cambio de tensión al cambio correspondiente en la corriente, la pendiente inversa de la I-V curva en un punto:
  rdiff=dvdi.{displaystyle r_{mathrm {diff}={frac {dv}}}

  
  La resistencia diferencial sólo es relevante para las corrientes de tiempo. Puntos sobre la curva donde la pendiente es negativa (definindo a la derecha), lo que significa un aumento de tensión provoca una disminución de la corriente, tienen resistencia diferencial negativa ()<math alttext="{displaystyle r_{text{diff}}rdiff.0{displaystyle - No.<img alt="{displaystyle r_{text{diff}}). Los dispositivos de este tipo pueden amplificar las señales, y son lo que generalmente se entiende por el término "resistencia negativa".

La resistencia negativa, como la resistencia positiva, se mide en ohmios.

La conductancia es el recíproco de la resistencia. Se mide en siemens (anteriormente mho) que es la conductancia de un resistor con una resistencia de un ohm. Cada tipo de resistencia definida anteriormente tiene una conductancia correspondiente

• Conducta estatica
  Gstatic=1Rstatic=iv{displaystyle G_{mathrm {static} {fnK} {fnMicroc} {fnK} {fnMicroc} {fnMicroc} {f} {fnMicrom} {fnMicrosoft} {fnK} {fnK}} {fnK} {f}}} {fnMicroc}} {f}}} {f}} {f}}}} {f}}}}}} {\fn}}}}\\\\fn\\\\fnKm} {m}}\\\\\\\\\\\\\\\m}m}m}m}m}m}m}m}m}m}m}m}m}m}m}m}m}m}m}m}m}m}m}m} }={frac {I}{v}}

  
• Conducta diferencial
  gdiff=1rdiff=didv{displaystyle g_{mathrm {fnK}={f} {fn} {fn} {fnh00} {fn}} {fn} {fn}} {fn}} {fn}}} {fnfnfn}} {\fnf}}}\fnfnKf}} {fnf}}}}}}\\\\fn\\\fn}\\\\fnfn\fn\\\fnKfnfnK\fnfn\\fnKfnfn\\fnKfnK\fnh00}fnK\\fnKfnfnK\fnKfnK\fn}fnh00}\fnfn}\fn}\\fn {diff} }={frac {di} {dv}}

  

Se puede observar que la conductancia tiene el mismo signo que su correspondiente resistencia: una resistencia negativa tendrá una conductancia negativa mientras que una resistencia positiva tendrá una conductancia positiva.

Fig. 1: I-V curva de resistencia lineal o "ohmica", el tipo común de resistencia encontrado en circuitos eléctricos. La corriente es proporcional al voltaje, por lo que la resistencia estática y diferencial es positiva 0}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">Restática=rdiff=vi■0{displaystyle ¿Qué?0}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/45ead62df64fc6bb47cbfb11d83058fecbc7c043" style="vertical-align: -1.838ex; width:22.013ex; height:4.676ex;"/>

Fig. 2: I-V curva con resistencia diferencial negativa ()rojo región). Resistencia diferencial rdiff{displaystyle. en un momento P es la pendiente inversa de la línea tangente al gráfico en ese punto

rdiff=Δ Δ vΔ Δ i=v2− − v1i2− − i1{displaystyle ¿Qué? Delta vs. Delta. {V_{2}-v_{1} {i_{2}

Desde ;0}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">Δ Δ v■0{displaystyle Delta v;;0}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/018756a5a9dca0bdb51b9f817b407c1b31bf910c" style="vertical-align: -0.338ex; width:8.615ex; height:2.176ex;"/> y <math alttext="{displaystyle Delta iΔ Δ i.0{displaystyle Delta i won0}<img alt="{displaystyle Delta i, al punto P <math alttext="{displaystyle r_{text{diff}}rdiff.0{displaystyle - No.<img alt="{displaystyle r_{text{diff}}.

Fig. 3: I-V curva de una fuente de energía. En el segundo cuadrante ()rojo región) corriente fluye fuera del terminal positivo, por lo que la energía eléctrica fluye fuera del dispositivo en el circuito. Por ejemplo en el punto P, <math alttext="{displaystyle vv.0{displaystyle v won0}<img alt="v y 0}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">i■0{displaystyle i confía0}0" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1f49f2878fd68a89c3da37eb537198e887cf0293" style="vertical-align: -0.338ex; width:5.063ex; height:2.176ex;"/>Así que
<math alttext="{displaystyle R_{text{static}}={frac {v}{i}}Restática=vi.0{displaystyle R_{text{static}={frac {fnK} {fnK} {fnK}} {fnK}} {c}} {cH}} {f}}}}}]<img alt="{displaystyle R_{text{static}}={frac {v}{i}}

Fig. 4: I-V curva de una resistencia lineal o "activa" negativa (AR, rojo). Tiene resistencia diferencial negativa y resistencia estática negativa (es activa):

<math alttext="{displaystyle R={frac {Delta v}{Delta i}}={frac {v}{i}}R=Δ Δ vΔ Δ i=vi.0{displaystyle R={frac Delta vs. Delta. {fnK} {fnK} {fnK}} {fnK}} {c}} {cH}} {f}}}}}]

<img alt="{displaystyle R={frac {Delta v}{Delta i}}={frac {v}{i}}

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:

El voltaje v y corrientes i variables en un componente eléctrico deben definirse según la convención de signos pasivos; la corriente convencional positiva se define para entrar en el terminal de voltaje positivo; esto significa potencia P El flujo del circuito al componente se define como positivo, mientras que el flujo de energía del componente al circuito es negativo. Esto se aplica tanto a la corriente DC como a la corriente AC. El diagrama muestra las direcciones para valores positivos de las variables.
En un resistencia estática positiva, ;0}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">Restática=v/i■0{displaystyle ¿Qué?;0}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/24e31e311683f6cffe5d1623f2e6c1fbace2d25a" style="vertical-align: -0.838ex; width:18.965ex; height:2.843ex;"/>Así que v y i tienen la misma señal. Por lo tanto, desde la convención de signos pasivos arriba, la corriente convencional (flujo de carga positiva) es a través del dispositivo desde el terminal positivo hasta el terminal negativo, en la dirección del campo eléctrico E (disminución del potencial). ;0}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">P=vi■0{displaystyle P=vi;;0}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f29ab7df4496fdabe27878da9927c7e39f82a184" style="vertical-align: -0.338ex; width:12.325ex; height:2.176ex;"/> así que los cargos pierden energía potencial haciendo trabajo en el dispositivo, y la energía eléctrica fluye del circuito al dispositivo, donde se convierte en calor o alguna otra forma de energía (amarillo). Si se aplica tensión AC, v{displaystyle v} y i{displaystyle i} dirección reversa periódicamente, pero el instantáneo i{displaystyle i} siempre fluye del mayor potencial al menor potencial.
En un fuente de energía, <math alttext="{displaystyle R_{text{static}}=v/i;Restática=v/i.0{displaystyle ¿Qué?<img alt="{displaystyle R_{text{static}}=v/i;Así que v{displaystyle v} y i{displaystyle i} tienen señales opuestas. Esto significa que la corriente se ve obligada a fluir del negativo al terminal positivo. Los cargos ganan energía potencial, por lo que el flujo de energía fuera del dispositivo en el circuito: <math alttext="{displaystyle P=vi;P=vi.0{displaystyle P=vi;<img alt="{displaystyle P=vi;. Trabajo (amarillo) debe hacerse a cargo de alguna fuente de alimentación en el dispositivo para hacer que se muevan en esta dirección contra la fuerza del campo eléctrico.
En un pasivo resistencia diferencial negativa, <math alttext="{displaystyle r_{text{diff}}=Delta v/Delta i;rdiff=Δ Δ v/Δ Δ i.0{displaystyle ¿Qué? Delta v/Delta i;<img alt="{displaystyle r_{text{diff}}=Delta v/Delta i;, sólo el Componente de la AC de los flujos actuales en la dirección inversa. La resistencia estática es positiva por lo que la corriente fluye de positivo a negativo: ;0}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">P=vi■0{displaystyle P=vi;;0}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f29ab7df4496fdabe27878da9927c7e39f82a184" style="vertical-align: -0.338ex; width:12.325ex; height:2.176ex;"/>. Pero la corriente (flujo de carga) disminuye a medida que aumenta el voltaje. Por lo tanto, cuando se aplica un voltaje de tiempo (AC) además de un voltaje DC (derecho), la corriente que varia el tiempo Δ Δ i{displaystyle Delta i} y tensión Δ Δ v{displaystyle Delta v} los componentes tienen signos opuestos, por lo que <math alttext="{displaystyle P_{text{AC}}=Delta vDelta i;PAC=Δ Δ vΔ Δ i.0{displaystyle P_{text{AC}= Delta vDelta i;<img alt="{displaystyle P_{text{AC}}=Delta vDelta i;. Esto significa la corriente AC instantánea Δ Δ i{displaystyle Delta i} fluye a través del dispositivo en la dirección de aumentar el voltaje AC Δ Δ v{displaystyle Delta v}, así que la potencia de AC fluye fuera del dispositivo en el circuito. El dispositivo consume potencia DC, algunas de las cuales se convierte en potencia de señal AC que se puede enviar a una carga en el circuito externo, permitiendo que el dispositivo amplifica la señal AC aplicada a ella.

Tipos y terminología

En un dispositivo electrónico, la resistencia diferencial rdiff{displaystyle., la resistencia estática Restática{displaystyle R_{text{static}}, o ambos, puede ser negativo, por lo que hay tres categorías de dispositivos (fig. 2-4 arriba, y tabla) que podría llamarse "resistencias negativas".

El término "resistencia negativa" casi siempre significa negativo diferencial resistencia <math alttext="{displaystyle r_{text{diff}}rdiff.0{displaystyle - No.<img alt="{displaystyle r_{text{diff}}. Los dispositivos de resistencia diferencial negativo tienen capacidades únicas: pueden actuar como amplificadores de un puerto, aumentando el poder de una señal de tiempo-varía aplicada a su puerto (terminals), o excitar oscilaciones en un circuito sintonizado para hacer un oscilador. También pueden tener histeresis. No es posible que un dispositivo tenga resistencia diferencial negativa sin una fuente de alimentación, y estos dispositivos pueden dividirse en dos categorías dependiendo de si obtienen su poder de una fuente interna o de su puerto:

• Dispositivos pasivos de resistencia diferencial (Fig. 2 supra): Estos son el tipo más conocido de "resistencias negativas"; componentes pasivos de dos plazos cuyo intrínseco I-V curva tiene un "kink" descendente, causando que la corriente disminuya con el aumento de tensión sobre un rango limitado. El I-V curva, incluyendo la región de resistencia negativa, se encuentra en el cuadrante 1 y 3 del plano por lo que el dispositivo tiene una resistencia estática positiva. Ejemplos son tubos de descarga de gas, diodos de túnel y diodos de Gunn. Estos dispositivos no tienen fuente de energía interna y en general trabajan con la conversión de potencia externa DC de su puerto a tiempo variable (AC), por lo que requieren una corriente de sesgo de DC aplicada al puerto además de la señal. Para agregar a la confusión, algunos autores llaman estos dispositivos "activos", ya que pueden amplificar. Esta categoría incluye también algunos dispositivos de tres plazos, como el transistor de unijunción. Están cubiertos en el Resistencia diferencial negativa sección a continuación.

• Dispositivos activos de resistencia diferencial (fig. 4): Los circuitos pueden diseñarse en los que un voltaje positivo aplicado a los terminales causará una corriente "negativa" proporcional; una corriente Fuera. del terminal positivo, lo opuesto a un resistor ordinario, sobre un rango limitado, A diferencia de los dispositivos anteriores, la región descendente de la I-V curva pasa por el origen, por lo que se encuentra en los cuadrantes 2 y 4 del plano, lo que significa el poder de las fuentes del dispositivo. Amplificar dispositivos como transistores y op-amps con retroalimentación positiva puede tener este tipo de resistencia negativa, y se utilizan en osciladores de retroalimentación y filtros activos. Dado que estos circuitos producen energía neta de su puerto, deben tener una fuente de alimentación interna de DC, o de otra manera una conexión separada a una fuente de alimentación externa. En la teoría del circuito se llama "resistencia activa". Aunque este tipo a veces se conoce como "linear", "absoluto", "ideal", o "pura" resistencia negativa para distinguirlo de resistencias diferenciales negativas "pasivas", en electrónica es más a menudo simplemente llamado retroalimentación positiva o regeneración. Estos están cubiertos en Resistencias activas sección a continuación.

Una batería tiene resistencia estática negativa (rojo) sobre su rango operativo normal, pero resistencia diferencial positiva.

Las fuentes de energía ordinarias ocasionalmente se denominan "resistencias negativas" (fig. 3 supra). Aunque la resistencia "estática" o "absoluta" Restática{displaystyle R_{text{static}} de los dispositivos activos (fuentes de poder) pueden considerarse negativos (ver Resistencia estática negativa sección abajo) la mayoría de las fuentes de energía ordinarias (AC o DC), tales como baterías, generadores y (no retroalimentación positiva) amplificadores, tienen positivo diferencial resistencia (su resistencia fuente). Por lo tanto, estos dispositivos no pueden funcionar como amplificadores de un solo puerto o tienen 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, diodo de túnel resonante y otros diodos semiconductores utilizando el mecanismo de túnel
• Diodo de Gunn y otros diodos usando el mecanismo de electrones transferido
• Diodo IMPATT, diodo TRAPATT y otros diodos utilizando el mecanismo de ionización de impacto
• Algunos transistores NPN con sesgado reverso E-C, conocido como negistor
• unijunction transistor (UJT)
• Turisores
• tubos de vacío triode y tetrode operando en el modo dynatron
• Algunos tubos magnéticos y otros tubos de vacío de microondas
• maser
• amplificador paramétrico

Las descargas eléctricas a través de gases también exhiben una resistencia diferencial negativa, incluidos estos dispositivos

• arc eléctrico
• Tubos de turatrón
• lámpara de neón
• lámpara fluorescente
• otros tubos de descarga de gas

Además, los circuitos activos con resistencia diferencial negativa también se pueden construir con dispositivos amplificadores como transistores y amplificadores operacionales mediante retroalimentación. En los últimos años se han descubierto una serie de nuevos materiales y dispositivos experimentales de resistencia diferencial negativa. Los procesos físicos que provocan resistencia negativa son diversos y cada tipo de dispositivo tiene sus propias características de resistencia negativa, especificadas por su curva de corriente-voltaje.

Estático negativo o "absoluto" resistencia

Una resistencia estática positiva (izquierda) convierte la energía eléctrica en calor, calentando su entorno. Pero una resistencia estática negativa no puede funcionar así al revés (derecho), convirtiendo el calor ambiente del medio ambiente a la energía eléctrica, porque violaría la segunda ley de la termodinámica que requiere una temperatura diferencia para producir trabajo. Por lo tanto, una resistencia estática negativa debe tener alguna otra fuente de poder.

Un punto de confusión es si la resistencia ordinaria ("estática" o "absoluta" resistencia, Restática=v/i{displaystyle R_{text{static}=v/i}) puede ser negativo. En electrónica, el término "resistencia" se aplica de forma personalizada únicamente a materiales y componentes pasivos, como alambres, resistores y diodos. Estos no pueden <math alttext="{displaystyle R_{text{static}}Restática.0{displaystyle R_{text{static}traducido}0}<img alt="{displaystyle R_{text{static}} como muestra la ley de Joule P=i2Restática{displaystyle P=i^{2}R_{text{static}}}. Un dispositivo pasivo consume energía eléctrica, por lo que desde la convención de signos pasivos P≥ ≥ 0{displaystyle Pgeq 0}. Por lo tanto, de la ley de Joule Restática≥ ≥ 0{displaystyle R_{text{static}geq 0}. En otras palabras, ningún material puede conducir la corriente eléctrica mejor que un conductor "perfecto" con resistencia cero. Para tener un dispositivo pasivo <math alttext="{displaystyle R_{text{static}}=v/i;Restática=v/i.0{displaystyle ¿Qué?<img alt="{displaystyle R_{text{static}}=v/i; violaría la conservación de la energía o la segunda ley de la termodinámica, (diagrama). Por lo tanto, algunos autores afirman que la resistencia estática nunca puede ser negativa.

De KVL, la resistencia estática de una fuente de energía (R_S), como una batería, siempre es igual al negativo de la resistencia estática de su carga (R_L).

Sin embargo, se demuestra fácilmente que la relación entre el voltaje y la corriente v/i en los terminales de cualquier fuente de alimentación (CA o CC) es negativa. Para que la energía eléctrica (energía potencial) fluya desde un dispositivo hacia el circuito, la carga debe fluir a través del dispositivo en la dirección de energía potencial creciente, la corriente convencional (carga positiva) debe moverse desde la terminal negativa a la positiva. Entonces, la dirección de la corriente instantánea es fuera del terminal positivo. Esto es opuesto a la dirección de la corriente en un dispositivo pasivo definido por la convención de signos pasivos, por lo que la corriente y el voltaje tienen signos opuestos y su relación es negativa.

P=iv=i2Rstatic{displaystyle P=iv=i^{2}R_{mathrm {static}

Alguna fuente de energía en el dispositivo debe realizar trabajo sobre las cargas para 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. 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 como en un dispositivo amplificador como un transistor, tubo de vacío u op. amperio.

Pasividad eventual

Un circuito no puede tener una resistencia estática negativa (estar activo) en un rango infinito de voltaje o corriente, porque tendría que ser capaz de producir energía infinita. Cualquier circuito o dispositivo activo con una fuente de energía finita es "eventualmente pasivo". Esta propiedad significa que si se le aplica un voltaje externo lo suficientemente grande o una corriente de cualquier polaridad, su resistencia estática se vuelve positiva y consume energía.

V{text{ or }}|i|>IRightarrow R_{mathrm {static} }=v/igeq 0}" display="block" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">∃ ∃ V,I:SilenciovSilencio■VoSilencioiSilencio■I⇒ ⇒ Rstatic=v/i≥ ≥ 0{displaystyle exists V,I: pacienciav confidencial V{text{ or } R_{mathrm {static}=v/igeq 0}

V{text{ or }}|i|>IRightarrow R_{mathrm {static} }=v/igeq 0}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-display" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0a0f3b0a27fefeea63ef134e6588a0efba1ec315" style="vertical-align: -0.838ex; width:44.13ex; height:2.843ex;"/>

Pmax=IV{displaystyle P_{max }=IV}

Por lo tanto, los extremos de la curva I–V finalmente girarán y entrarán en el primer y tercer cuadrante. Por tanto, el rango de la curva que tiene resistencia estática negativa es limitado, confinado a una región alrededor del origen. Por ejemplo, aplicar un voltaje a un generador o batería (gráfico anterior) mayor que su voltaje de circuito abierto invertirá la dirección del flujo de corriente, haciendo que su resistencia estática sea positiva y consuma 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:

Resistencia diferencial negativa

Control de tensión (N tipo)

Control actual (tipo S)

Las resistencias diferenciales negativas pasivas tienen resistencia estática positiva; consumen energía neta. Por lo tanto, la curva I–V está confinada al primer y tercer cuadrante del gráfico y pasa por el origen. Este requisito significa (excluyendo algunos casos asintóticos) que la región o regiones de resistencia negativa deben estar limitadas y rodeadas por regiones de resistencia positiva y no pueden incluir el origen.

Tipos

Las resistencias diferenciales negativas se pueden clasificar en dos tipos:

• Resistencia negativa controlada por tensión ()VCNR, cortocircuito estable, o "N"Tipo: En este tipo la corriente es un solo valor, función continua del voltaje, pero el voltaje es una función multivalorada de la corriente. En el tipo más común sólo hay una región de resistencia negativa, y el gráfico es una curva forma generalmente como la letra "N". A medida que aumenta el voltaje, la corriente aumenta (resistencia positiva) hasta alcanzar un máximo (i₁), entonces disminuye en la región de resistencia negativa a un mínimo (i₂), luego aumenta de nuevo. Los dispositivos con este tipo de resistencia negativa incluyen el diodo de túnel, diodo de túnel resonante, diodo de lambda, diodo de Gunn y osciladores de dinatrón.
• Resistencia negativa controlada actual ()CCNR, estable de circuito abierto, o "S"Tipo: En este tipo, el dual del VCNR, el voltaje es una función única valorada de la corriente, pero la corriente es una función multivalorada del voltaje. En el tipo más común, con una región de resistencia negativa, el gráfico es una curva formada como la letra "S". Los dispositivos con este tipo de resistencia negativa incluyen el diodo IMPATT, UJT, SCRs y otros tirisores, arco eléctrico y tubos de descarga de gas.

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. Estos pueden tener más de dos estados estables y son de interés para su uso en circuitos digitales para implementar lógica multivaluada.

Un parámetro intrínseco que se utiliza para comparar diferentes dispositivos es la relación de corriente de pico a valle (PVR), 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):

PVR=i1/i2{displaystyle {text{PVR}=i_{1}/i_{2}

Amplificación

Circuito amplificador de diodo de túnel. Desde R}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">r■R{displaystyle r]R}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8971c9610113faec012a76ec2d47fa6235e16d2f" style="vertical-align: -0.338ex; width:5.911ex; height:2.176ex;"/> la resistencia total, la suma de las dos resistencias en serie ()R− − r{displaystyle R-r.) es negativo, por lo que un aumento del voltaje de entrada causará un disminución en corriente. El punto de funcionamiento del circuito es la intersección entre la curva del diodo (negro) y la línea de carga de resistencia R{displaystyle R. (azul). Un pequeño aumento del voltaje de entrada, vi{displaystyle V_{i} (verde) moviendo la línea de carga a la derecha, provoca una gran disminución de la corriente a través del diodo y por lo tanto un gran aumento de la tensión a través del diodo vo{displaystyle v_{o}.

Un dispositivo de resistencia diferencial negativa puede amplificar una señal de CA que se le aplica 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.

El circuito del diodo túnel (ver diagrama) es un ejemplo. El diodo del túnel TD tiene resistencia diferencial negativa controlada por tensión. La batería Vb{displaystyle V_{b} añade un voltaje constante (bias) a través del diodo por lo que opera en su rango de resistencia negativa, y proporciona potencia para amplificar la señal. Supongamos que la resistencia negativa en el punto de sesgo es Δ Δ v/Δ Δ i=− − r{displaystyle Delta v/Delta i=-r. Para estabilidad R{displaystyle R. debe ser menos que r{displaystyle r}. Utilizando la fórmula para un divider de tensión, el voltaje de salida AC es

vo=− − rR− − rvi=rr− − Rvi{displaystyle v_{o}={frac {-R-R}v_{i}={ {R}v_{i}

Gv=rr− − R{displaystyle G_{v}={frac {R}}

r− − R{displaystyle R-R.

r{displaystyle r}

vo{displaystyle v_{o}

vi{displaystyle V_{i}

Gv{displaystyle G_{v}

R{displaystyle R.

r{displaystyle r}

Explicación de la ganancia de potencia

Un voltaje AC aplicado a un NDR sesgado. Desde el cambio de corriente y tensión tienen signos opuestos (shown por colores), la disipación de energía AC ΔvΔi es negativo, el dispositivo produce energía AC en lugar de consumirla.

Circuito equivalente AC de NDR conectado al circuito externo. El NDR actúa como una fuente de valor de corriente AC dependiente Δi = Δv/r. Debido a que la corriente y el voltaje están 180° fuera de fase, la corriente AC instantánea Δi corrientes Fuera. de la terminal con voltaje AC positivo Δv. Por lo tanto se añade a la corriente de fuente AC Δi_S a través de la carga R, aumentando la potencia de salida.

Los diagramas ilustran cómo un dispositivo de resistencia diferencial negativa parcial puede aumentar la potencia de una señal aplicada, amplificarla, aunque sólo 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 sesgo DC ()Vbias,Ibias{displaystyle V_{bias},;I_{bias}) y un componente AC ()Δ Δ v,Δ Δ i{displaystyle Delta v,;Delta i}).

v()t)=Vparciales+Δ Δ v()t){displaystyle v(t)=V_{text{bias}+Delta v(t)}

i()t)=Iparciales+Δ Δ i()t){displaystyle i(t)=I_{text{bias}+ Delta i(t)}

Δ Δ v{displaystyle Delta v}

Δ Δ i{displaystyle Delta i}

En un dispositivo pasivo, la energía de CA producida proviene de la corriente de polarización de CC de entrada, el dispositivo absorbe energía de CC, parte de la cual se convierte en energía de CA por la no linealidad del dispositivo, lo que amplifica la señal aplicada. Por lo tanto, la potencia de salida está limitada por la potencia de polarización

SilencioPACSilencio≤ ≤ IparcialesVparciales{displaystyle Silencio. Yo...

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. Siempre que la componente real de la impedancia sea negativa (ángulo de fase entre 90° y 270°), el dispositivo tendrá resistencia negativa y podrá amplificar.

La potencia máxima de salida AC está limitada por el tamaño de la región de resistencia negativa (v1,v2,i1,andi2{displaystyle v_{1},;v_{2},;i_{1},;y;i_{2} en gráficos arriba)

PAC()rms)≤ ≤ 18()v2− − v1)()i1− − i2){displaystyle P_{AC(rms)}leq {frac {1}{8}(v_{2}-v_{1})(i_{1}-i_{2}}

Coeficiente de reflexión

Modelo general (AC) de un circuito de resistencia negativa: un dispositivo de resistencia diferencial negativa ZN()j⋅ ⋅ ){displaystyle Z_{text{N}(jomega)}, conectado a un circuito externo representado por ZL()j⋅ ⋅ ){displaystyle Z_{text{L}(jomega)} que tiene una resistencia positiva, 0}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">RL■0{displaystyle R_{text{L} {fnMicrosoft Sans Serif}0}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1fdf6d5fdbb06143e86dfa09460b52061ec68423" style="vertical-align: -0.671ex; width:7.284ex; height:2.509ex;"/>. Ambos pueden tener reacción ()XL,XN{displaystyle X.)

La razón por la que la señal de salida puede dejar una resistencia negativa a través del mismo puerto que entra la señal de entrada es que desde la teoría de la línea de transmisión, el voltaje AC o la corriente en los terminales de un componente puede dividirse en dos ondas opuestamente en movimiento, la incidente VI{displaystyle V_{I}, que viaja hacia el dispositivo, y el onda reflejada VR{displaystyle V_{R}, que viaja lejos del dispositivo. Una resistencia diferencial negativa en un circuito puede amplificar si la magnitud de su coeficiente de reflexión .. {displaystyle "Gamma", la relación de la onda reflejada con la onda del incidente, es mayor que una.

1}" display="block" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">Silencio.. Silencio↑ ↑ SilencioVRVISilencio■1{displaystyle SilencioGamma Silencioequiv left {V_{R} {V_{I}}}right Sobrevivir]

1}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-display" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f4c03d3b3345e357e4c83aa7e462f6c616293427" style="vertical-align: -2.338ex; width:15.07ex; height:5.843ex;"/>

.. ↑ ↑ ZN− − ZLZN+ZL{displaystyle Gamma equiv {frac {Z_{N}-Z_{L} {Z_{N}

ZN()j⋅ ⋅ )=RN+jXN{displaystyle Z_{N}(jomega)=R_{N}+jX_{N}

ZL()j⋅ ⋅ )=RL+jXL{displaystyle Z_{L}(jomega),=,R_{L},+,jX_{L}

0}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">RL■0{displaystyle R_{L} confía0}0}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bc3071a1037759f22e880dbf2897f4bb25eba1e5" style="vertical-align: -0.671ex; width:7.376ex; height:2.509ex;"/>

0}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">Silencio.. Silencio■0{displaystyle Silencio.0}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b7d869c61fb6368544eda61318a261bbb12ecb26" style="vertical-align: -0.838ex; width:7.007ex; height:2.843ex;"/>

Silencio.. Silencio=1{displaystyle Silencio

Condiciones de estabilidad

Debido a que no es lineal, un circuito con resistencia diferencial negativa puede tener múltiples puntos de equilibrio (posibles puntos operativos DC), que se encuentran en el I-V curva. Un punto de equilibrio será estable, por lo que el circuito converge a él dentro de algún vecindario del punto, si sus polos están en la mitad izquierda del plano s (LHP), mientras que un punto es inestable, causando que el circuito oscila o "agarre" (converge a otro punto), si sus polos están en el jω axis o medio plano derecho (RHP), respectivamente. En cambio, un circuito lineal tiene un único punto de equilibrio que puede ser estable o inestable. Los puntos de equilibrio están determinados por el circuito de sesgo DC, y su estabilidad está determinada por la impedancia AC ZL()j⋅ ⋅ ){displaystyle Z_{L}(jomega)} del circuito exterior. Sin embargo, debido a las diferentes formas de las curvas, la condición para la estabilidad es diferente para los tipos de VCNR y CCNR de resistencia negativa:

• En una resistencia negativa CCNR (tipo S), la función de resistencia RN{displaystyle R_{N} es un valor único. Por lo tanto, la estabilidad es determinada por los polos de la ecuación de impedancia del circuito:ZL()j⋅ ⋅ )+ZN()j⋅ ⋅ )=0{displaystyle Z_{L}(jomega)+Z_{N}(jomega)=0}.

Para circuitos no reactivos ()XL=XN=0{displaystyle X_{L}=X_{N}=0}) una condición suficiente para la estabilidad es que la resistencia total es positiva

0}" display="block" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">ZL+ZN=RL+RN=RL− − r■0{displaystyle Z_{L}+Z_{N}=R_{L}+R_{N}=R_{L}-r título0}

0}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-display" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6afad3abf4c2194c415f742bcf1d715450443582" style="vertical-align: -0.671ex; width:35.932ex; height:2.509ex;"/>

por lo que el CCNR es estable

Puesto que los CCNR son estables sin carga en absoluto, se llaman "establecimiento de circuito abierto".

• En una resistencia negativa de tipo VCNR (N), la función de conducta GN=1/RN{displaystyle G_{N}=1/R_{N} es un valor único. Por lo tanto, la estabilidad es determinada por los polos de la ecuación de admisión YL()j⋅ ⋅ )+YN()j⋅ ⋅ )=0{displaystyle Y_{L}(jomega)+Y_{N}(jomega)=0}. Por esta razón, el VCNR a veces se conoce como un conducta negativa.
  Como antes, para los circuitos no reactivos una condición suficiente para la estabilidad es que la conductividad total en el circuito es positiva
  0}" display="block" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">YL+YN=GL+GN=1RL+1RN=1RL+1− − r■0{displaystyle Y... {1} {fn} {fnMicroc}} {1} {fn}={fn} {1} {fn} {fnMicroc}} {1}{-r} {0}}

  0}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-display" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5eb9399e25a01649bd862d3e99d215e7fb4fe103" style="vertical-align: -2.171ex; width:53.246ex; height:5.509ex;"/>
  {frac {1}{r}}}" display="block" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">1RL■1r{displaystyle {frac {1} {fnK}} {fnMicroc}}} {f}}}} {f}}}}}}} {f}}}}} {} {} {}}}

  {frac {1}{r}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-display" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/15b5b5d534287a229b84fc8206dce208d0d08142" style="vertical-align: -2.171ex; width:9.049ex; height:5.509ex;"/>
  por lo que el VCNR es estable

Puesto que los VCNR son incluso estables con una salida de cortocircuito, se llaman "establecer el circuito corto".

Para los circuitos de resistencia negativa general con reacción, la estabilidad debe ser determinada por pruebas estándar como el criterio de estabilidad de Nyquist. Alternativamente, en el diseño de circuitos de alta frecuencia, los valores de ZL()j⋅ ⋅ ){displaystyle Z_{L}(jomega)} para el cual el circuito es estable se determina por una técnica gráfica utilizando "círculos de estabilidad" en un gráfico Smith.

Regiones operativas y aplicaciones

Para simples dispositivos de resistencia negativa no reactiva con RN=− − r{displaystyle R_{N};=;-r} y XN=0{displaystyle X_{N};=;0} las diferentes regiones operativas del dispositivo se pueden ilustrar por líneas de carga en I-V curva (ver gráficos).

VCNR (N tipo) líneas de carga y regiones de estabilidad

CCNR (tipo S) líneas de carga y regiones de estabilidad

La línea de carga de CC (DCL) es una línea recta determinada por el circuito de polarización de CC, con la ecuación

V=VS− − IR{displaystyle V=V_{S}-IR}

VS{displaystyle V_{S}

• VCNR requiere un sesgo de baja impedancia ()<math alttext="{displaystyle R;R.r{displaystyle R:<img alt="{displaystyle R;), como una fuente de tensión.
• CCNR require a high impedance bias ();r}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">R■r{displaystyle R;;r}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8f5a69cbb9816e0a6926e77abb8aff595a88a5dd" style="vertical-align: -0.338ex; width:7.201ex; height:2.176ex;"/>) como una fuente actual, o fuente de tensión en serie con una alta resistencia.

La línea de carga ACL₁ − L₃) es una línea recta a través del punto Q cuya pendiente es la resistencia diferencial (AC) RL{displaystyle R_{L} frente al dispositivo. Aumento RL{displaystyle R_{L} gira la línea de carga en sentido contrario. El circuito opera en una de las tres posibles regiones (ver diagramas), dependiendo de RL{displaystyle R_{L}.

• Región estable (verde) (ilustrado por línea L₁): Cuando la línea de carga está en esta región, interseca la I-V curva a un punto Q₁. Para circuitos no reactivos es un equilibrio estable (poles en el LHP) por lo que el circuito es estable. Los amplificadores de resistencia negativa operan en esta región. Sin embargo, debido a la histeresis, con un dispositivo de almacenamiento de energía como un condensador o ductor el circuito puede ser inestable para hacer un oscilador de relajación no lineal (multibrador astable) o un multivibrador monoestable.
  • VCNR son estables cuando <math alttext="{displaystyle R_{L}RL.r{displaystyle R.<img alt="{displaystyle R_{L}.
  • Los CCNR son estables cuando r}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">RL■r{displaystyle R_{L} confíar}r}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/050ce1dc1c17633e5312c3328ba051634299d6a5" style="vertical-align: -0.671ex; width:7.263ex; height:2.509ex;"/>.
• Punto inestable (Line L₂): Cuando RL=r{displaystyle R_{L}=r la línea de carga es tangente a la I-V curva. La resistencia total diferencial (AC) del circuito es cero (poles en la jω axis), por lo que es inestable y con un circuito sintonizado puede oscilar. Los osciladores lineales operan en este punto. Los osciladores prácticos comienzan en la región inestable de abajo, con postes en el RHP, pero a medida que aumenta la amplitud las oscilaciones se vuelven no lineales, y debido a eventual pasividad la resistencia negativa r disminuye con amplitud creciente, por lo que las oscilaciones se estabilizan en una amplitud donde r=RL{displaystyle R=R_{L}.
• Región biestable (rojo) (ilustrado por línea L₃): En esta región la línea de carga puede interseccionar I-V curva a tres puntos. El punto central (Q₁) es un punto de equilibrio inestable (poles en el RHP), mientras que los dos puntos exteriores, Q₂ y Q₃ son equilibrio estable. Así que con el sesgo correcto del circuito puede ser bistable, convergerá a uno de los dos puntos Q₂ o Q₃ y se puede cambiar entre ellos con un pulso de entrada. En esta región operan circuitos de conmutación como volteretas (multibradores portátiles) y los disparadores Schmitt.
  • VCNRs puede ser bistable cuando r}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">RL■r{displaystyle R_{L} confíar}r}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/050ce1dc1c17633e5312c3328ba051634299d6a5" style="vertical-align: -0.671ex; width:7.263ex; height:2.509ex;"/>
  • Los CCNR pueden ser bistables cuando <math alttext="{displaystyle R_{L}RL.r{displaystyle R.<img alt="{displaystyle R_{L}

Resistencias activas: resistencia negativa de la retroalimentación

Típico I-V curvas de resistencias negativas "activas": Tipo N (izquierda), y tipo S (centro), generado por amplificadores de retroalimentación. Estos tienen resistencia diferencial negativa ()rojo región) y producir poder (región gris). Aplicar un voltaje o corriente suficiente de polaridad al puerto mueve el dispositivo a su región no lineal donde la saturación del amplificador hace que la resistencia diferencial sea positiva ()negro porción de curva), y por encima de los carriles de tensión de suministro ± ± VS{displaystyle pm V_{S} la resistencia estática se vuelve positiva y el dispositivo consume energía. La resistencia negativa depende de la ganancia de bucle Aβ β {displaystyle Abeta } (derecho).

Un ejemplo de amplificador con retroalimentación positiva que tiene resistencia negativa en su entrada. La corriente de entrada i es
i=v− − AvR1+vRdentro{displaystyle i={frac {V-Av}{R_{1}}+{frac {fn}} {fn}}} {fn}}} {fn}}}}} {fn}}}}}}} {fn}}}}}}}}} {\fn}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {
así que la resistencia de entrada es
R=vi=R11+R1/Rdentro− − A.{displaystyle R={frac {fnK}= {fnMicroc} {R_{1} {1+R_{1}/R_{text{in}-A}}
Si 1+R_{1}/R_{text{in}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">A■1+R1/Rdentro{displaystyle Un título.1+R_{1}/R_{text{in}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d3ff7c501b9871e66975b4b7654e112479530ea3" style="vertical-align: -0.838ex; width:16.193ex; height:2.843ex;"/> tendrá resistencia de entrada negativa.

Además de los dispositivos pasivos con resistencia diferencial negativa intrínseca arriba, los circuitos con dispositivos amplificadores como transistores o amplificadores de op pueden tener resistencia negativa en sus puertos. La impedancia de entrada o salida de un amplificador con suficiente retroalimentación positiva aplicada a él puede ser negativa. Si Ri{displaystyle R_{i} es la resistencia de entrada del amplificador sin retroalimentación, A{displaystyle A} es la ganancia amplificadora, y β β ()j⋅ ⋅ ){displaystyle beta (jomega)} es la función de transferencia de la ruta de retroalimentación, la resistencia de entrada con retroalimentación positiva shunt es

Rsi=Ri1− − Aβ β {displaystyle R_{text{if}={frac {R_{text{i}}{1-Abeta }

Aβ β {displaystyle Abeta }

Rif{displaystyle R_{if}

En la teoría de circuitos, se denominan "resistencias activas". La aplicación de un voltaje a través de las terminales provoca una corriente proporcional out de la terminal positiva, lo opuesto a una resistencia ordinaria. Por ejemplo, conectar una batería a los terminales haría que la batería se cargara en lugar de descargarse.

Considerados como dispositivos de un puerto, estos circuitos funcionan de manera similar a los componentes pasivos de resistencia diferencial negativa anteriores y, al igual que ellos, se pueden usar para fabricar amplificadores y osciladores de un puerto con las ventajas de que:

• porque son dispositivos activos que no requieren un sesgo externo de DC para proporcionar energía, y puede ser acoplado DC,
• la cantidad de resistencia negativa puede ser variada ajustando la ganancia de bucle,
• pueden ser elementos de circuito lineal; 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 sobre si el circuito de retroalimentación está conectado en "derivación" o "serie".

También se pueden crear reactancias negativas (abajo), por lo que se pueden usar circuitos de retroalimentación para crear "activos" elementos de circuitos lineales, resistencias, capacitores e inductores, con valores negativos. Se utilizan ampliamente en filtros activos porque pueden crear funciones de transferencia que no se pueden realizar con elementos de circuito positivos. Ejemplos de circuitos con este tipo de resistencia negativa son el convertidor de impedancia negativa (NIC), el girador, el integrador Deboo, la resistencia negativa dependiente de la frecuencia (FDNR) y el convertidor de inmitancia generalizada (GIC).

Osciladores de retroalimentación

Si un circuito LC está conectado a través de la entrada de un amplificador de retroalimentación positivo como el anterior, la resistencia de entrada diferencial negativa Rsi{displaystyle R_{text{if}} puede cancelar la resistencia a la pérdida positiva rpérdida{displaystyle r_{text{loss}} inherente en el circuito sintonizado. Si Rsi=− − rpérdida{displaystyle ¿Qué? esto creará en efecto un circuito sintonizado con cero resistencia AC (poles en el jω axis). La oscilación espontánea se excitará en el circuito sintonizado a su frecuencia resonante, sostenida por el poder del amplificador. Así es como funcionan los osciladores de retroalimentación como Hartley o los osciladores de Colpitts. Este modelo de resistencia negativa es una forma alternativa de analizar el funcionamiento del oscilador de retroalimentación. Todos Los circuitos osciladores lineales tienen resistencia negativa, aunque en la mayoría de los osciladores de retroalimentación el circuito sintonizado es parte integral de la red de retroalimentación, por lo que el circuito no tiene resistencia negativa en todas las frecuencias, sino sólo cerca de la frecuencia de oscilación.

Mejora Q

Un circuito sintonizado conectado a una resistencia negativa que cancela algunos pero no toda su resistencia a la pérdida parasitaria (tan <math alttext="{displaystyle |R_{text{if}}|;SilencioRsiSilencio.rpérdida{fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}}<img alt="{displaystyle |R_{text{if}}|;) no oscilará, pero la resistencia negativa disminuirá el amortiguamiento en el circuito (moviendo sus polos hacia los jω axis), aumentando su factor Q por lo que tiene un ancho de banda más estrecho y más selectividad. Q mejora, también llamado regeneración, fue utilizado por primera vez en el receptor de radio regenerativo inventado por Edwin Armstrong en 1912 y más tarde en "Q multiplicadores". Es ampliamente utilizado en filtros activos. Por ejemplo, los circuitos integrados RF usan inductores integrados para ahorrar espacio, consistente en un conductor espiral fabricado en chip. Estos tienen altas pérdidas y baja Q, por lo que crear circuitos de alta Q sintonizados su Q se aumenta aplicando resistencia negativa.

Circuitos caóticos

Los circuitos que muestran 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. El circuito de Chua, un circuito no lineal simple ampliamente utilizado como ejemplo estándar de un sistema caótico, requiere un componente de resistencia activa no lineal, a veces llamado diodo de Chua. Esto generalmente se sintetiza utilizando un circuito convertidor de impedancia negativa.

Convertidor de impedancia negativa

Impedancia negativa convertidor (izquierda) y I-V curva (derecho). Tiene resistencia diferencial negativa en rojo región y fuentes de energía en la región gris.

Un ejemplo común de un circuito de "resistencia activa" es el convertidor de impedancia negativa (NIC) mostrado en el diagrama. Los dos resistores R1{displaystyle R_{text{1}} y el amplificador de op constituyen un amplificador de retroalimentación negativa que no invierte con ganancia de 2. El voltaje de salida del op-amp es

vo=v()R1+R1)/R1=2v{displaystyle v_{o}=v(R_{1}+R_{1}/R_{1}=2v}

v{displaystyle v}

Z{displaystyle Z}

i=v− − voZ=v− − 2vZ=− − vZ{displaystyle i={frac {v-v_{o} {Z}={frac} {v-2v}{Z}=-{frac} {C}}

zdentro=vi=− − Z{displaystyle z_{text{in}={frac {}=-Z}

Z{displaystyle Z}

Z{displaystyle Z}

R{displaystyle R.

− − R{displaystyle -R.

Capacitancia e inductancia negativa

Por sustitución Z{displaystyle Z} en el circuito anterior con un condensador ()C{displaystyle C}) o ductor (L{displaystyle L.), capacitancias e inductancias negativas también se pueden sintetizar. Una capacitancia negativa tendrá una I-V relación y una impedancia ZC()j⋅ ⋅ ){displaystyle Z_{text{C}(jomega)} de

i=− − CdvdtZC=− − 1/j⋅ ⋅ C{displaystyle i=-C{dv over dt}qquad qquad Z_{C}=-1/jomega C}

;0}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">C■0{displaystyle C;;0}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1811266b3b622278e716f6c3b2d66ad84ab3d984" style="vertical-align: -0.338ex; width:7.318ex; height:2.176ex;"/>

ZL()j⋅ ⋅ ){displaystyle Z_{text{L}(jomega)}

v=− − LdidtZL=− − j⋅ ⋅ L{displaystyle v=-L{di over dt}qquad qquad Z_{L}=-jomega L.

También hay otra forma de verlos. En una capacitancia negativa, la corriente estará 180° opuesta en fase a la corriente en una capacitancia positiva. En lugar de adelantar el voltaje en 90 °, lo retrasará en 90 °, como en un inductor. 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 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 "no Foster" circuitos que violan el teorema de la reactancia de Foster. Una aplicación que se está investigando es crear una red de coincidencia 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. Esto permitiría la creación de pequeñas antenas compactas que tendrían un ancho de banda amplio, superando el límite de Chu-Harrington.

Osciladores

Un oscilador compuesto por un diodo Gunn dentro de un resonador de cavidad. La resistencia negativa del diodo excita las oscilaciones de microondas en la cavidad, que irradian a través de la abertura en una guía de onda (no se muestra).

Los dispositivos de resistencia diferencial negativa se utilizan ampliamente para fabricar osciladores electrónicos. 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, un resonador dieléctrico o un resonador de cavidad con una fuente de CC para sesga el dispositivo en su región de resistencia negativa y proporciona energía. 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 se reducen a cero. 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 resonante del resonador.

Usos

Los osciladores de resistencia negativa se utilizan principalmente en frecuencias altas en el rango de microondas o superior, ya que los osciladores de retroalimentación funcionan mal en estas frecuencias. Los diodos de microondas se utilizan en osciladores de potencia baja a media para aplicaciones tales 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 energía de ondas milimétricas y terahercios. Los tubos de vacío de microondas de resistencia negativa, como los magnetrones, producen salidas de mayor potencia, en aplicaciones como transmisores de radar y hornos de microondas. Los osciladores de relajación de baja frecuencia se pueden fabricar 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 osciladores de retroalimentación con dispositivos de dos puertos, como transistores y válvulas. Además, en los osciladores de alta frecuencia modernos, los transistores se utilizan cada vez más como dispositivos de resistencia negativa de un puerto, como los 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. Por lo tanto, 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.

Oscilador de diodo Gunn

Circuito oscilador de diodo de Gunn

Circuito equivalente de AC

Líneas de carga osciladoras de diodo de Gunn.
DCL: DC línea de carga, que establece el punto Q.
SSL: resistencia negativa durante la puesta en marcha mientras la amplitud es pequeña. Desde <math alttext="{displaystyle r;r.R{displaystyle r;<img alt="{displaystyle r; los postes están en RHP y aumenta la amplitud de las oscilaciones.
LSL: línea de carga grande-signal. Cuando el oscilación actual se acerca a los bordes de la región de resistencia negativa (verde), los picos de onda sine se distorsionan ("clipped") y r{displaystyle r} disminuciones hasta que sea igual R{displaystyle R..

El oscilador común del diodo de Gunn (diagramas de circuito) ilustra cómo funcionan los osciladores de resistencia negativa. El diodo D tiene tensión controlada ("N" tipo) resistencia negativa y la fuente de tensión Vb{displaystyle V_{text{b}} sesgada en su región de resistencia negativa donde su resistencia diferencial es dv/di=− − r{displaystyle dv/di;=;-r}. El ahogamiento RFC evita que la corriente AC fluya a través de la fuente de sesgo. R{displaystyle R. es la resistencia equivalente por amortiguación y pérdidas en la serie de circuitos sintonizados LC{displaystyle LC}, además de cualquier resistencia a la carga. Analizar el circuito de AC con la Ley de Voltaje de Kirchhoff da una ecuación diferencial para i()t){displaystyle i(t)}, la corriente AC

d2idt2+R− − rLdidt+1LCi=0{displaystyle {frac {f} {fnK}}}+{frac} {f}}} {f}}} {f}}}}}} {f}}} {f}f}}}}}}}} {R-R}{L}{frac} {}{dt}+{frac} {1}{LC}i=0}

i()t)=i0eα α t#⁡ ⁡ ()⋅ ⋅ t+φ φ ){displaystyle i(t)=i_{0}e^{alpha t}cos(omega t+phi)}

α α =r− − R2L⋅ ⋅ =1LC− − ()r− − R2L)2{displaystyle alpha ={frac {R}{2L}quad omega {fnMicroc} {1}{}-left({frac} {R}{2L}}} {2}}}}}

i()t){displaystyle i(t)}

Iparciales{displaystyle Yo...

i()t)=i0{displaystyle i(t)=i_{0}

R{displaystyle R.

r{displaystyle r}

1. 
   <math alttext="{displaystyle r<RRightarrow alpha r.R⇒ ⇒ α α .0{displaystyle r)RRightarrow alpha #<img alt="{displaystyle r<RRightarrow alpha : (poles en medio plano izquierdo) Si la resistencia negativa del diodo es menor que la resistencia positiva del circuito sintonizado, el amortiguamiento es positivo. Cualquier oscilación en el circuito perderá energía como calor en la resistencia R{displaystyle R. y morir exponencialmente a cero, como en un circuito sintonizado ordinario. Así que el circuito no oscila.
2. 
   r=R⇒ ⇒ α α =0{displaystyle r=RRightarrow alpha =0}: jω axis) Si las resistencias positivas y negativas son iguales, la resistencia neta es cero, por lo que el amortiguamiento es cero. El diodo añade suficiente energía para compensar la energía perdida en el circuito sintonizado y la carga, por lo que las oscilaciones en el circuito, una vez iniciado, continuarán en una amplitud constante. Esta es la condición durante el funcionamiento estable del oscilador.
3. 
   RRightarrow alpha >0}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">r■R⇒ ⇒ α α ■0{displaystyle r confíaRRightarrow alpha }RRightarrow alpha >0}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/56a9ac9f65c3c821ad4717af4c29868c6d89d156" style="vertical-align: -0.338ex; width:15.274ex; height:2.176ex;"/>: (poles en medio plano derecho) Si la resistencia negativa es mayor que la resistencia positiva, la humedad es negativa, por lo que las oscilaciones crecerán exponencialmente en energía y amplitud. Esta es la condición durante la puesta en marcha.

Los osciladores prácticos están diseñados en la región (3) arriba, con una resistencia negativa neta, para comenzar las oscilaciones. Una regla de pulgar ampliamente utilizada es hacer R=r/3{displaystyle R;=;r/3}. Cuando la potencia se enciende, el ruido eléctrico en el circuito proporciona una señal i0{displaystyle I_{0} iniciar oscilaciones espontáneas, que crecen exponencialmente. Sin embargo, las oscilaciones no pueden crecer para siempre; la no linearidad del diodo eventualmente limita la amplitud.

En grandes amplitudes el circuito no es lineal, por lo que el análisis lineal arriba no se aplica estrictamente y la resistencia diferencial es indefinida; pero el circuito se puede entender considerando r{displaystyle r} ser la resistencia "promedio" sobre el ciclo. A medida que la amplitud de la onda sine supera el ancho de la región de resistencia negativa y el oscilación del voltaje se extiende hacia regiones de la curva con resistencia diferencial positiva, la resistencia diferencial negativa promedio r{displaystyle r} se vuelve más pequeño, y por lo tanto la resistencia total R− − r{displaystyle R;-;r} y la humedad α α {displaystyle alpha } se vuelve menos negativo y finalmente se vuelve positivo. Por lo tanto, las oscilaciones se estabilizarán en la amplitud en la que el amortiguamiento se convierte en cero, que es cuando r=R{displaystyle r;=;R}.

Los diodos de Gunn tienen resistencia negativa en el rango −5 a −25 ohmios. En los osciladores donde R{displaystyle R. está cerca r{displaystyle r}; lo suficientemente pequeño para permitir que el oscilador comience, el oscilación de tensión se limitará principalmente a la parte lineal de la I-V curva, la onda de salida será casi sinusoidal y la frecuencia será más estable. En circuitos en los que R{displaystyle R. está muy por debajo r{displaystyle r}, el oscilación se extiende más allá en la parte no lineal de la curva, la distorsión de cortar la onda sine de salida es más severa, y la frecuencia dependerá cada vez más del voltaje de suministro.

Tipos de circuito

Los circuitos osciladores de resistencia negativa se pueden dividir en dos tipos, que se utilizan con los dos tipos de resistencia diferencial negativa: control por voltaje (VCNR) y control por corriente (CCNR)

• oscilador de resistencia negativa (controlada por tensión): Puesto que los dispositivos VCNR ("N" tipo) requieren un sesgo de baja impedancia y son estables para impedancias de carga menos que r, el circuito oscilador ideal para este dispositivo tiene la forma mostrada en la parte superior derecha, con una fuente de tensión V_parciales para sesgar el dispositivo en su región de resistencia negativa, y la carga de circuito resonante paralelo LC. El circuito resonante tiene alta impedancia sólo a su frecuencia resonante, por lo que el circuito será inestable y oscilará sólo a esa frecuencia.

• oscilador de conductividad negativa (control corriente): Los dispositivos CCNR ("S"), en cambio, requieren un sesgo de alta impedancia y son estables para impedancias de carga superiores a los r. El circuito oscilador ideal es así en la parte inferior derecha, con un sesgo de fuente actual I_parciales (que puede consistir en una fuente de tensión en serie con un gran resistor) y circuito de resonancia de serie LC. El circuito de la serie LC tiene baja impedancia sólo a su frecuencia resonante y así sólo oscilará allí.

Condiciones para la oscilación

La mayoría de los osciladores son más complicados que el ejemplo de diodo Gunn, ya que tanto el dispositivo activo como la carga pueden tener reacción (X) así como la resistencia (R). Los osciladores de resistencia negativa modernos están diseñados por una técnica de dominio de frecuencia debido a Kaneyuki Kurokawa. Se imagina que el diagrama del circuito está dividido por un "plano de referencia" (red) que separa la parte de resistencia negativa, el dispositivo activo, de la parte de resistencia positiva, el circuito resonante y la carga de salida (derecho). La impedancia compleja de la parte de resistencia negativa ZN=RN()I,⋅ ⋅ )+jXN()I,⋅ ⋅ ){displaystyle Z_{N}=R_{N}(I,omega)+jX_{N}(I,omega)} depende de la frecuencia ⋅ pero también es no lineal, en general disminuyendo con la amplitud de la corriente de oscilación AC I; mientras que la parte resonador ZL=RL()⋅ ⋅ )+jXL()⋅ ⋅ ){displaystyle Z_{L}=R_{L}(omega)+jX_{L}(omega)} es lineal, dependiendo sólo de la frecuencia. La ecuación del circuito es ()ZN+ZL)I=0{displaystyle (Z_{N}+Z_{L})I=0} así que sólo oscilará (tener no cero I) en la frecuencia ⋅ y amplitud I para la cual la impedancia total ZN+ZL{displaystyle Z_{N}+Z_{L} es cero. Esto significa que la magnitud de las resistencias negativas y positivas debe ser igual, y las reacciones deben ser conjugadas

RN≤ ≤ − − RL{displaystyle R_{N}leq - ¿Sí?

XN=− − XL{displaystyle X_{N}=-X_{L}

Alternately, the condition for oscillation can be expressed using the reflection coefficient. La onda de voltaje en el plano de referencia se puede dividir en un componente V₁ viajar hacia el dispositivo de resistencia negativa y un componente V₂ viajar en la dirección opuesta, hacia la parte resonador. El coeficiente de reflexión del dispositivo activo .. N=V2/V1{displaystyle Gamma ¿Qué? es mayor que uno, mientras que el de la parte resonador .. L=V1/V2{displaystyle Gamma ¿Qué? es menos de uno. Durante la operación las ondas se reflejan de ida y vuelta en un viaje redondo por lo que el circuito oscilará solamente si

Silencio.. N.. LSilencio≥ ≥ 1{displaystyle 'Gamma' _{L}Sobrevivir 1}

Amplificadores

Los dispositivos de resistencia diferencial negativa, como los diodos Gunn e IMPATT, también se utilizan para fabricar amplificadores, especialmente en frecuencias de microondas, pero no tan comúnmente como los osciladores. 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 debe salir del dispositivo por los mismos terminales en los que ingresa la señal entrante. Sin alguna forma de separar las dos señales, un amplificador de resistencia negativa es bilateral; se amplifica en ambas direcciones, por lo que sufre de sensibilidad a la impedancia de carga y problemas de retroalimentación. Para separar las señales de entrada y salida, muchos amplificadores de resistencia negativa utilizan dispositivos no recíprocos como aisladores y acopladores direccionales.

Amplificador de reflexión

Circuito equivalente AC del amplificador de reflexión

8 a 12 Amplificador de microondas GHz compuesto por dos amplificadores de reflexión de diodo de túnel cascada

Un circuito ampliamente utilizado es el amplificador de reflexión en que la separación se realiza por circulador. 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 sólo una dirección, puerto 1 al puerto 2, 2 a 3, y 3 a 1. En el diagrama de amplificador de reflexión se aplica la señal de entrada al puerto 1, un diodo de resistencia negativa VCNR sesgado N se adjunta a través de un filtro F al puerto 2, y el circuito de salida se adjunta al puerto 3. La señal de entrada se transmite desde el puerto 1 al diodo en el puerto 2, pero la señal amplificada "reflexión" saliente del diodo se dirige al puerto 3, por lo que hay poco acoplamiento de salida a entrada. La impedancia característica Z0{displaystyle Z_{0} de las líneas de transmisión de entrada y salida, generalmente 50Ω, se corresponde con la impedancia portuaria del circulador. El propósito del filtro F es presentar la impedancia correcta al diodo para establecer la ganancia. En frecuencias radiofónicas los diodos NR no son cargas resistivas puras y tienen reacción, por lo que un segundo propósito del filtro es cancelar la reacción del diodo con una reacción conjugada para prevenir ondas de pie.

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

Pdentro=VI2/R1{displaystyle P_{in}=V_{2}/R_{1}

PFuera.=VR2/R1{displaystyle P_{out}=V_{R}{2}/R_{1}

GP{displaystyle G_{P}

GP=PFuera.Pdentro=VR2VI2=Silencio.. Silencio2{displaystyle G_{text{P}={text{out} {fnK}}={R}{2} ################################################################################################################################################################################################################################################################ Gamma.

Silencio.. Silencio2=SilencioZN− − Z1ZN+Z1Silencio2{displaystyle Silencio.

Silencio.. Silencio2=SilencioRN+jXN− − ()R1+jX1)RN+jXN+R1+jX1Silencio2{displaystyle SilencioGamma Н^{2}=left WordPress{R_{N}+jX_{N}-(R_{1}+jX_{1}) over R_{N}+jX_{N}+R_{1}+jX_{1}}}right WordPress^{2}}}

RN{displaystyle R_{text{N}}

X1=− − XN{displaystyle X_{1}=-X_{N}

GP=Silencio.. Silencio2=()r+R1)2+4XN2()r− − R1)2{displaystyle G_{text{P}=Sobrevivir Gamma Н^{2}={(r+R_{1})^{2}+4X_{N}^{2} over (r-R_{1})^{2}}}

r}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">R1■r{displaystyle ¿Qué?r}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ab578f86d27a04b49f306ca1763ae69cbb634b56" style="vertical-align: -0.671ex; width:6.965ex; height:2.509ex;"/>

R1{displaystyle R_{1}

r{displaystyle r}

Los másers y los amplificadores paramétricos son amplificadores NR de ruido extremadamente bajo que también se implementan como amplificadores de reflexión; se utilizan en aplicaciones como radiotelescopios.

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. La ventaja de usar un dispositivo de resistencia negativa es que se puede construir un oscilador de relajación, un flip-flop o una celda de memoria con un solo dispositivo activo, 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 astable – un circuito con dos estados inestables, en el que la salida cambia periódicamente entre los estados. El tiempo que permanece en cada estado se determina por la constante de tiempo de un circuito RC. Por lo tanto, es un oscilador de relajación, y puede producir ondas cuadradas o ondas triángulo.
• Multivibrador Monostable – 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 durante un período de tiempo dependiendo de la constante de tiempo del circuito RC, luego vuelve al estado estable. Así, el monoestable se puede utilizar como elemento temporizador o retardo.
• Multivibrador Bistable 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, las galletas 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. La resistencia negativa aquí está implícita si uno considerara la neurona como un modelo de circuito de estilo típico de 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. En 1881, Alfred Niaudet 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. 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. A partir de 1895, Hertha Ayrton, ampliando la investigación de su marido William con una serie de meticulosos experimentos que miden la curva I-V de los arcos, estableció que la curva tenía regiones de pendiente negativa, lo que generó controversia. Frith y Rodgers en 1896 con el apoyo de los Ayrton introdujeron el concepto de resistencia diferencial, dv/di, y lentamente se aceptó que los arcos tenían una resistencia diferencial negativa. En reconocimiento a su investigación, Hertha Ayrton se convirtió en la primera mujer votada para ingresar al Instituto de Ingenieros Eléctricos.

Transmisores de arco

George Francis FitzGerald se dio cuenta por primera vez en 1892 de que si la resistencia de amortiguamiento en un circuito resonante pudiera hacerse cero o negativa, produciría oscilaciones continuas. En el mismo año, Elihu Thomson construyó un oscilador de resistencia negativa conectando un circuito LC a los electrodos de un arco, quizás el primer ejemplo de un oscilador electrónico. William Duddell, alumno de Ayrton en el London Central Technical College, llamó la atención del público sobre el oscilador de arco de Thomson. Debido a su resistencia negativa, la corriente a través de un arco era inestable y las luces de 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 oscilaciones en el circuito sintonizado, produciendo un tono musical del arco. Para demostrar su invento, Duddell conectó varios circuitos sintonizados a un arco y tocó una melodía en él. El 'arco de canto' de Duddell oscilador estaba limitado a frecuencias de audio. Sin embargo, en 1903, los ingenieros daneses Valdemar Poulsen y P. O. Pederson aumentaron la frecuencia en el rango de radio operando el arco en una atmósfera de hidrógeno en un campo magnético, inventando el transmisor de radio de arco Poulsen, que fue ampliamente utilizado hasta la década de 1920.

Tubos de vacío

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. Heinrich Barkhausen en 1907 demostró que los osciladores deben tener resistencia negativa. 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.

En 1918, Albert Hull de GE descubrió que los tubos de vacío podían tener una resistencia negativa en partes de sus rangos de operación, debido a un fenómeno llamado emisión secundaria. 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 lejos de la placa, reduciendo la corriente de la placa. Bajo ciertas condiciones, aumentar el 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 dinatrón. Siguieron otros osciladores de tubo de resistencia negativa, como el magnetrón inventado por Hull en 1920.

El convertidor de impedancia negativa se originó a partir del trabajo de Marius Latour alrededor de 1920. También fue uno de los primeros en informar sobre la capacitancia y la inductancia negativas. Una década más tarde, George Crisson y otros desarrollaron NIC de tubo de vacío como repetidores de línea telefónica en Bell Labs, lo que hizo posible el servicio telefónico transcontinental. Las NIC de transistores, iniciadas por Linvill en 1953, iniciaron un gran aumento en el interés por las NIC y se desarrollaron muchos circuitos y aplicaciones nuevos.

Dispositivos de estado sólido

La resistencia diferencial negativa en los semiconductores se observó alrededor de 1909 en los primeros diodos de unión de contacto puntual, llamados detectores de bigotes de gato, por investigadores como William Henry Eccles y G. W. Pickard. Se dieron cuenta de que cuando las uniones se polarizaban con un voltaje de CC para mejorar su sensibilidad como detectores de radio, a veces producían oscilaciones espontáneas. 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 la resistencia diferencial negativa en uniones de contacto de punto de zincita (óxido de zinc) polarizadas. Los usó para construir amplificadores de estado sólido, osciladores y receptores de radio amplificadores y regenerativos, 25 años antes de la invención del transistor. Más tarde incluso construyó un receptor superheterodino. 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 de esta tecnología (llamada 'Crystodyne' por Hugo Gernsback), y cayó en el olvido.

El primer dispositivo de resistencia negativa de estado sólido ampliamente utilizado fue el diodo túnel, inventado en 1957 por el físico japonés Leo Esaki. 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 diodo de túnel demostraron ser capaces de producir energía a frecuencias de microondas, por encima del rango de los osciladores de tubo de vacío ordinarios. Su invención desencadenó una búsqueda de otros dispositivos semiconductores de resistencia negativa para su uso como osciladores de microondas, lo que resultó en el descubrimiento del diodo IMPATT, el diodo Gunn, el diodo TRAPATT y otros. En 1969, Kurokawa derivó condiciones para la estabilidad en circuitos de resistencia negativa. Actualmente, los osciladores de diodo de resistencia diferencial negativa son las fuentes de energía de microondas más utilizadas, y en las últimas décadas se han descubierto muchos dispositivos nuevos de resistencia negativa.