負性抵抗
いくつかのニューロンが I–V 特性に負勾配コンダクタンス領域(RNSC)を持つことが電位固定法(英語版)によって明らかにされている。RNSCは哺乳類の脊髄ニューロンにおけるリズミカルな運動パターンの形成に関与している可能性がある。
一般に負性微分抵抗は増幅機能を持つ2端子素子であり、端子に与えられた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できる。電子発振器や増幅器の構成部品に用いられ、特にマイクロ波領域での利用が多い。マイクロ波領域のエネルギーは負性微分抵抗素子によって生み出されるのがほとんどである。負性抵抗素子はヒステリシス や双安定性を示すことがあり、スイッチングやメモリ回路にも利用される。負性微分抵抗を持つ素子の例にはトンネルダイオード、ガンダイオード、ネオン管などのガス放電管、蛍光灯がある。そのほかトランジスタもしくは正帰還を施したオペアンプのような増幅素子を含む回路にも負性微分抵抗を持たせることが可能であり、発振器やアクティブフィルタに利用されている。
負性抵抗素子は非線形であり、通常の電気回路で見られる正の「オーミックな」抵抗より動作が複雑になる。ほとんどの正抵抗とは異なり、負性抵抗素子の抵抗値は印加される電圧や電流によって変化し、限られた電圧・電流範囲でしか負の抵抗を持たない。すなわち、任意の電流範囲にわたって一定の負性抵抗を持つという意味で正の抵抗器に対応する「負性抵抗器」は存在しない。
このような正帰還増幅器の入力にLC回路を接続すると、入力側の負性微分抵抗 R if {\displaystyle R_{\text{if}}} によってLC回路に内在する正の損失抵抗 r loss {\displaystyle r_{\text{loss}}} を打ち消すことができる。ちょうど R if = − r loss {\displaystyle R_{\text{if}}=-r_{\text{loss}}} ならば実質的に交流抵抗ゼロ(極が虚数軸上)のLC回路となる。このときLC回路は共振周波数で自発的に発振する。電力は増幅器から供給される。ハートレー発振器やコルピッツ発振器のようなフィードバック発振器はこのように動作する。負性抵抗モデルはフィードバック発振器の動作を理解する一つの方法である。線形発振回路は例外なく負性抵抗を持つが、フィードバック発振器はLC回路がフィードバックネットワークの不可欠な要素であることがほとんどなので、共振周波数の近傍でしか負性抵抗を持たない。
そのため、線形動作範囲ではオームの法則によって負の抵抗 − R {\displaystyle -R} を持つかのようにふるまう(このような増幅器は原点を通らない複雑な負性抵抗曲線を持つこともある)。
これらは回路理論において「能動抵抗」と呼ばれる。端子間に電圧を印加するとそれに比例する電流が(通常の抵抗とは逆に)正端子から流れ出す。たとえば端子に電池を接続すると、放電する代わりに充電される。
このような回路を1ポート素子と見なすと前述の受動負性微分抵抗素子と動作が似ており、やはり1ポート増幅器や発振器として利用できる。能動抵抗の使用には次のような利点がある。
能動素子であるため外部直流バイアスによる電力供給を必要とせず、DC結合(英語版)で用いることができる。
ループゲインの調節によって負性抵抗の値を変えられる。
線形回路素子として動作する。I–V 曲線の原点近傍の直線部分だけで動作させるなら電圧と電流が比例するため、高調波歪みが発生しない。
フィードバックループを並列と直列のどちらで接続するかによって電圧制御型(N型)と電流制御型(S型)の負性抵抗を選ぶこともできる。
フィードバック回路を用いれば負性リアクタンス(後述)を作ることもできるので、負の値を持つ能動線形回路素子として抵抗・コンデンサ・インダクタのいずれも実現できる。正の回路素子では不可能な伝達関数を作れることからアクティブフィルタで広く利用されている。このタイプの負性抵抗を利用している回路の例には負性インピーダンス変換器(英語版)(NIC)、ジャイレータ、Deboo積分器、周波数依存負性抵抗(FDNR)、一般化イミタンス変換器(GIC)がある。
R N {\displaystyle R_{\text{N}}} はダイオードの負性抵抗 − r {\displaystyle -r} にあたる。フィルタとダイオードの整合が取れている、すなわち X 1 = − X N {\displaystyle X_{1}=-X_{\text{N}}} だと仮定すると、ゲインは以下のようになる。
G P = | Γ | 2 = ( r + R 1 ) 2 + 4 X N 2 ( r − R 1 ) 2 {\displaystyle G_{\text{P}}=|\Gamma |^{2}={(r+R_{1})^{2}+4X_{\text{N}}^{2} \over (r-R_{1})^{2}}}
ここまでに述べた電圧制御型反射増幅器は R 1 < r {\displaystyle R_{1}<r} において安定する。電流制御型であれば安定条件は R 1 > r {\displaystyle R_{1}>r} となる。上式によるとゲインに上限はなく、 R 1 {\displaystyle R_{\text{1}}} が振動点 r {\displaystyle r} に近づくにつれて無限大に発散する。これは負性抵抗増幅器に共通する特性であり、ゲインに上限があるが無条件で安定することが多い一般的な2ポート増幅器とは対照をなしている。ただし実地ではサーキュレータの逆方向ポート間にはたらく「リーク」結合によってゲインは制限される。
メーザーとパラメトリック増幅器は非常に低ノイズの負性抵抗増幅器であり、電波望遠鏡のような用途の反射増幅器に組み込まれている。
負性微分抵抗素子は電子発振器の部品として広く用いられている。負性抵抗発振器ではIPMATTダイオード、ガンダイオード、マイクロ波真空管のような負性微分抵抗素子がLC回路、水晶振動子、誘電体共振器(英語版)、空洞共振器(英語版)のような電気共振器の両端に接続されており、さらに素子を負性抵抗領域にバイアスするとともに電力を供給するための直流電源を備えている。LC回路のような共振器はほとんど発振器と差がなく、電気的な振動のエネルギーを蓄えることができる。しかし共振器には必ず内部抵抗などの損失があるため振動は減衰して消えてしまう。負性抵抗は正抵抗を打ち消すことで実質的に損失のない共振器を作り出す。そこでは共振器の共振周波数で自発的に連続的な振動が発生する。