負性抵抗
このタイプの素子は信号を増幅することが可能であり、「負性抵抗」というと通常これを指す。
負性抵抗は正の抵抗と同じくオーム(Ω)単位で表される。
コンダクタンスとは抵抗の逆数をいう。その単位ジーメンス(旧称モー)は抵抗1 Ωの抵抗器が持つコンダクタンスを基準とする単位である。上述した2種類の抵抗はそれぞれ対応するコンダクタンスを持つ。
静的コンダクタンス
G s t a t i c = 1 R s t a t i c = i v {\displaystyle G_{\mathrm {static} }={1 \over R_{\mathrm {static} }}={i \over v}}
微分コンダクタンス
g d i f f = 1 r d i f f = d i d v {\displaystyle g_{\mathrm {diff} }={1 \over r_{\mathrm {diff} }}={di \over dv}}
これらの式が表すように、コンダクタンスは対応する抵抗と同じ符号となる。負の抵抗は負のコンダクタンスを、正の抵抗は正のコンダクタンスを持つ。
r diff = Δ v Δ i = v 2 − v 1 i 2 − i 1 {\displaystyle r_{\text{diff}}={\frac {\Delta v}{\Delta i}}={\frac {v_{2}-v_{1}}{i_{2}-i_{1}}}}
R = Δ v Δ i = v i < 0 {\displaystyle R={\Delta v \over \Delta i}={v \over i}<0}
| P AC | ≤ I bias V bias {\displaystyle |P_{\text{AC}}|\leq I_{\text{bias}}V_{\text{bias}}}
IV 平面の原点は負性微分抵抗領域に含まれない。さもなければ直流バイアス電流を流さずに信号増幅を行うことで電力入力なしに交流電力を生成できてしまう。素子中でも熱の散逸は存在し、その量は直流電力入力と交流電力出力の差に等しい。
素子にリアクタンスが存在する場合には電流と電圧の位相差はちょうど180°にはならず、周波数によって変わりうる。インピーダンスの実部が負(位相角が90~270°)である限り 素子は負性抵抗を持ち増幅を行える。
交流出力電力の最大値は負性抵抗領域(上のグラフにおける v 1 , v 2 , i 1 , i 2 {\displaystyle v_{1},v_{2},i_{1},i_{2}} )のサイズによって決まる。
P AC(rms) ≤ 1 8 ( v 2 − v 1 ) ( i 1 − i 2 ) {\displaystyle P_{\text{AC(rms)}}\leq {\frac {1}{8}}(v_{2}-v_{1})(i_{1}-i_{2})}
交流負荷線(図の L1 ~ L3)とは、Q点を通り、負荷回路の微分抵抗 R L {\displaystyle R_{\text{L}}} を傾きとする直線である。 R L {\displaystyle R_{\text{L}}} を増加させると負荷線は反時計回りに回転する。回路の動作領域は R L {\displaystyle R_{\text{L}}} の値によって次の三つに分けられる(図参照)。
安定領域(緑)(図の L1)この領域にある負荷線は1点 Q1で I–V 曲線と交わる。非リアクタンス性回路においてこの領域は安定平衡(極が左半平面)であり、回路は安定する。負性抵抗増幅器はこの領域で駆動される。ただし、コンデンサやインダクタのようなエネルギー貯蔵素子を備えた回路はヒステリシスによって不安定になり、非線形弛張発振器(英語版)(非安定マルチバイブレータ)または単安定マルチバイブレータとして動作する可能性がある。 電圧制御型負性抵抗は R L < r {\displaystyle R_{L}<r} で安定。 電流制御型負性抵抗は R L > r {\displaystyle R_{L}>r} で安定。
不安定点(図の L2 ) R L = r {\displaystyle R_{L}=r} のとき負荷線は I–V 曲線に接する。
負性微分抵抗素子はスイッチング回路(英語版)においても用いられ、ある状態から別の状態に敏速に変化するヒステリシス性を持った非線形素子として機能する。その利点は、弛張発振器やフリップフロップならびにメモリセルの機能を実現する標準的な論理回路である双安定マルチバイブレータには能動素子(トランジスタ)が二つ必要なのに対して、負性抵抗素子を用いれば単一の能動素子で済むところにある。スイッチング回路には3種類ある。
非安定マルチバイブレータ:二つの不安定な状態を持つ回路で、出力は状態間を周期的に移り変わる。片方の状態に留まる時間は付属するRC回路の時定数で決まる。すなわち弛張発振器の一種であり、方形波か三角波を発生することができる。
単安定マルチバイブレータ:不安定状態と安定状態を一つずつ持つ回路。安定状態にあるときにパルスが入力されると出力がもう一方の状態に切り替わり、RC回路の時定数に応じて一定時間その状態を維持してから安定状態に戻る。これによりタイマーもしくは遅れ要素として用いることができる。
双安定マルチバイブレータもしくはフリップフロップ:二つの安定状態を持つ回路。状態は入力パルスにより切り替わる。メモリ回路やデジタルカウンタとして用いることができる。