負性抵抗

負性抵抗とは

電子工学における負性抵抗（Negative Resistance, NR）とは、一部の電気回路や素子が持つ特性で、端子間の電圧が増加すると、流れる電流が減少する現象を指します。これは、通常の抵抗器とは異なり、印加電圧と電流の関係が反比例となる特徴的な性質です。

負性抵抗の基本

通常の抵抗との違い

通常の抵抗器では、印加電圧が増加するとオームの法則に従って電流も比例して増加し、抵抗値は正の値を示します。しかし、負性抵抗を示す素子では、電圧が増加すると電流が減少し、結果として抵抗値が負の値として観測されます。

負性抵抗の特性

通常の抵抗器は電流が流れると電力を消費しますが、負性抵抗は電力を発生させるという点で大きく異なります。この特性により、負性抵抗素子は特定の条件下で電気信号の電力を増加させ、増幅器として機能したり、発振器として電気信号を生成することができます。

負性抵抗の定義

静的抵抗と微分抵抗

抵抗の定義には、主に「静的抵抗」と「微分抵抗」の2種類があります。

静的抵抗: 電圧（v）を電流（i）で割った値（v/i）で、一般的な抵抗の定義と同じです。
微分抵抗: 電圧変化（Δv）を電流変化（Δi）で割った値（Δv/Δi）で、電圧と電流の微小な変化の比率を表します。

負性抵抗という言葉は、通常、負の微分抵抗（Δv/Δi < 0）を意味します。これは、電圧が増加すると電流が減少する状態を示します。

負性微分抵抗の利用

負性微分抵抗を持つ素子は、増幅機能を持つ2端子素子として利用できます。直流電力を交流出力電力に変換することで、同じ端子に印加された交流信号を増幅することが可能です。

幅広い応用

負性抵抗は、電子発振器や増幅器の構成部品として用いられ、特にマイクロ波領域での利用が一般的です。また、ヒステリシスや双安定性を示すことから、スイッチング回路やメモリ回路にも応用されています。

負性抵抗の種類

受動的な負性微分抵抗素子

このタイプの素子は、I-V特性曲線に右下がりの領域を持ち、電圧上昇に対して電流が減少する特性を示します。静的抵抗は常に正ですが、微分抵抗が負になる領域が存在します。代表例として、トンネルダイオード、ガンダイオード、気体放電管などがあります。

特徴: 外部から供給された直流電力を交流電力に変換して動作します。

能動的な負性微分抵抗素子

このタイプの素子は、端子に正電圧を加えると、特定の範囲で「負の電流」が発生します。トランジスタや正帰還を用いたオペアンプなどの増幅素子で実現可能です。I-V曲線は原点を通過する部分で右下がりになるため、電力を生成していることを示します。

特徴: 内部に直流電源を備えるか、外部電源に接続して動作します。

通常の電源

電池や発電機などの電源は、形式的には負の静的抵抗を持つとみなされることがあります。ただし、これらは負性抵抗素子のような増幅機能を持つわけではありません。

負性抵抗を持つ素子の例

トンネルダイオード: トンネル効果を利用した半導体ダイオード
ガンダイオード: 電子遷移機構を利用したダイオード
IMPATTダイオード: 衝突電離機構を利用したダイオード
ユニジャンクショントランジスタ: 特殊な構造を持つトランジスタ
サイリスタ: 半導体スイッチング素子
ガス放電管: ネオン管や蛍光灯など
メーザー: マイクロ波を増幅する素子

負の静的抵抗について

電子工学では、「抵抗」という用語は通常、受動的な材料や素子にのみ用いられます。受動素子は電力を消費するため、負の静的抵抗を持つことはありません。しかし、交流電源や直流電源では、端子電圧と電流の比が負になる場合があり、形式的に負の静的抵抗を持つとみなされることがあります。

エネルギー保存則と負性抵抗

受動素子が負の静的抵抗を持つと、エネルギー保存則や熱力学第二法則に矛盾します。したがって、負の静的抵抗は能動素子（エネルギー源）によって実現されます。

負性抵抗と電源

電池や発電機などの電源は、電圧と電流の符号が逆になるため、形式的に負の静的抵抗を持ちます。しかし、これはあくまで形式的なもので、実際の抵抗器と同じ意味で「抵抗」とはみなされません。

負性微分抵抗の詳細

I-V特性曲線

負性微分抵抗を持つ素子では、I-V曲線の一部で電圧が増加すると電流が減少します。この領域では微分抵抗が負になり、素子が増幅機能や発振機能を発揮します。

電圧制御型（N型）と電流制御型（S型）

負性微分抵抗には、電圧制御型（VCNR）と電流制御型（CCNR）の2種類があります。

電圧制御型（N型）: 電流は電圧の一価関数、電圧は電流の多価関数となる。トンネルダイオードやガンダイオードなど。
電流制御型（S型）: 電圧は電流の一価関数、電流は電圧の多価関数となる。IMPATTダイオードやユニジャンクショントランジスタなど。

負性抵抗の増幅作用

負性微分抵抗素子に直流バイアスを加え、I-V曲線の負性抵抗領域で動作させると、入力された交流信号を増幅できます。交流電流と交流電圧の位相が180°ずれるため、素子が交流電力を生成し、外部回路に供給する仕組みです。

パワーゲイン

負性抵抗素子は、入力された直流電力を利用して交流電力を生成し、信号のパワーを増幅します。このプロセスは、トランジスタやオペアンプなどの2ポート増幅器とは異なり、入力信号と同じ端子から増幅された信号が出力される特徴があります。

反射係数

負性抵抗素子が増幅を行う際、伝送線路理論によると、端子対における交流電圧と電流は、互いに逆向きに進む入射波と反射波に分割できます。反射係数が1より大きい場合、増幅が行われます。

負性抵抗回路の安定性

負性抵抗を持つ回路は非線形であり、I-V曲線上に複数の平衡点を持つことがあります。平衡点の安定性は、接続する回路の交流インピーダンスによって決まります。

電流制御型と電圧制御型の安定条件

電流制御型（S型）: 負荷抵抗が負性抵抗よりも大きい場合に安定（開放安定）。
電圧制御型（N型）: 負荷抵抗が負性抵抗よりも小さい場合に安定（短絡安定）。

負性抵抗の動作領域と用途

直流負荷線と交流負荷線

負性抵抗素子の動作領域は、直流負荷線と交流負荷線の交点によって決定されます。

安定領域、不安定点、双安定領域

安定領域: 回路が安定し、増幅器として動作する。
不安定点: 回路が発振する。
双安定領域: 回路がスイッチング回路やメモリ回路として動作する。

能動抵抗

増幅素子（トランジスタやオペアンプ）を回路に組み込むことで、ポートの抵抗を負にすることができます。これは正フィードバックによって実現され、入力インピーダンスや出力インピーダンスが負になることがあります。

能動抵抗の利点

直流バイアスが不要。
負性抵抗値を調整可能。
* 線形回路素子として動作。

負性抵抗の応用例

発振器

負性抵抗素子は、電子発振器の部品として広く用いられています。LC回路などの共振器と組み合わせることで、特定の周波数で連続的な振動を発生させることができます。

増幅器

負性抵抗素子は、増幅器としても利用されます。サーキュレータなどを用いて入力信号と出力信号を分離する必要があります。

スイッチング回路

負性抵抗素子は、双安定マルチバイブレータなどのスイッチング回路にも利用されています。単一の素子でメモリセルや論理回路を構成できます。

その他の応用

負性抵抗は、ニューロンモデルなど、様々な分野で研究が進められています。

歴史

負性抵抗の発見は、19世紀の放電研究から始まりました。その後、真空管や半導体の発明により、負性抵抗の応用が進展しました。

まとめ

負性抵抗は、電子工学において非常に重要な概念であり、増幅、発振、スイッチングなど、様々な応用分野で活躍しています。その特性を理解することで、より高度な電子回路の設計が可能になります。

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