負性抵抗
回路は無限の電圧・電流範囲にわたって負の静的抵抗を持つ(能動素子である)ことはできない。それには無限の電力が必要になってしまう。有限の電力しか持たない能動回路や素子はどこかで必ず受動的となる。つまり、向きはどうあれ十分に大きい電圧もしくは電流が加えられると静的抵抗が正となり電力を消費し始める。
したがって、原点から遠ざかるにつれて I–V 曲線は右上がりに変わり、第1・第3象限に入る。このため曲線が負の静的抵抗を持つのは原点付近に限定される。たとえば発電機や電池に開放電圧より高い電圧を加えると、電流の方向が逆になり、静的抵抗が正になって電力を消費するようになる。同じように、後述の負性インピーダンス変換器に対して電源電圧 V s {\displaystyle V_{s}} より大きい電圧を加えると増幅器が飽和し、抵抗も正になる。
Y L + Y N = G L + G N = 1 R L + 1 R N = 1 R L + 1 − r > 0 {\displaystyle Y_{\text{L}}+Y_{\text{N}}=G_{\text{L}}+G_{\text{N}}={1 \over R_{\text{L}}}+{1 \over R_{\text{N}}}={1 \over R_{\text{L}}}+{1 \over -r}>0} 1 R L > 1 r {\displaystyle {1 \over R_{\text{L}}}>{1 \over r}}
したがって電圧制御型負性抵抗は次の時に安定である。
上式は出力を短絡させたときにも( R L = 0 {\displaystyle R_{\text{L}}=0} )安定なため、電圧制御型負性抵抗は「短絡安定」と呼ばれる。
リアクタンスがゼロではない一般の負性抵抗回路についてはナイキストの安定条件(英語版)のような標準的な方法で安定性を決定する必要がある。あるいは高周波の回路設計では、回路が安定する Z L ( j ω ) {\displaystyle Z_{\text{L}}(j\omega )} の値はスミスチャートの「安定円」を用いた図法で決められる。
適切なバイアスを受けた負性微分抵抗素子が、端子を二つしか持たないにもかかわらず信号の電力を増幅しうる理由を右図に示す。重ね合わせの原理により、端子間電圧 v ( t ) {\displaystyle v(t)} と電流 i ( t ) {\displaystyle i(t)} は直流バイアス成分 ( V bias , I bias {\displaystyle V_{\text{bias}},I_{\text{bias}}} )と交流成分( Δ v , Δ i {\displaystyle \Delta v,\Delta i} )に分けることができる。
v ( t ) = V bias + Δ v ( t ) {\displaystyle v(t)=V_{\text{bias}}+\Delta v(t)}
i ( t ) = I bias + Δ i ( t ) {\displaystyle i(t)=I_{\text{bias}}+\Delta i(t)}
正の電圧変化 Δ v {\displaystyle \Delta v} が加わると負の電流変化 Δ i {\displaystyle \Delta i} が生じるため、交流電流と交流電圧は位相が180°ずれる。