パワーゲインの説明
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/05/22 05:54 UTC 版)
バイアスした負性微分抵抗に交流電圧をかける様子。電流変化と電圧変化は逆符号（図では色で区別される）であるため、交流電力消費 Δ v Δ i {\displaystyle \Delta v\Delta i} は負となり、素子は交流電力を生成する。 外部回路に接続した負性微分抵抗の交流等価回路。負性抵抗は入力に依存する交流電流源のように機能する。出力は Δ i = Δ v / r {\displaystyle \Delta i=\Delta v/r} となる。出力電流と電圧は逆位相であるため、正の交流電圧 Δ v {\displaystyle \Delta v} に対して 交流電流の瞬時値 Δ i {\displaystyle \Delta i} は端子から外に向けて流れる。これが負荷 R {\displaystyle R} を通る交流電源電流 Δ i S {\displaystyle \Delta i_{\text{S}}} に加算されることで出力電力が増加する。 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。すなわち、交流等価回路（図右）において交流電流の瞬時値 Δ i {\displaystyle \Delta i} は素子中を交流電位 Δ v {\displaystyle \Delta v} が増える向きに流れる。これは発電機と同じ振る舞いである。したがって交流消費電力は負であり、素子が交流電力を生み出して外部回路に向けて与える。 P AC = Δ v Δ i = r diff | Δ i | 2 < 0 {\displaystyle P_{\text{AC}}=\Delta v\Delta i=r_{\text{diff}}|\Delta i|^{2}<0} 適切な外部回路を用いると、この素子は負荷が受ける交流信号の電力を増加させて増幅器として動作したり、共振回路に発振を励起して発振器として動作することができる。トランジスタやオペアンプのような2ポート増幅器とは異なり、増幅された信号は入力信号が印加されるのと同じ端子対から発する。 受動素子が生み出す交流電力は入力する直流バイアス電流から取られる。素子は直流電力を吸収し、その一部が素子の非線形性によって交流電力に変換され、印加信号を増幅する。したがって出力電力はバイアス電力によって制限される。 | 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})}
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