一种可控有源电阻的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种可控有源电阻，在传统的有源电阻里增加一个电压跟随器，排除了接入电路对有源电阻阻值的影响，具有更高的精度。还提供一种可控有源电阻，采用至少两个开关管串联的方式，使得该有源电阻电路可在零至标称值以内的任意值进行调节，提高了精度，增加了量程。本实用新型电路简单，易操作，具有自动、宽量程、高分辨率等优点。
【专利说明】
一种可控有源电阻
技术领域
[0001] 本实用新型属于仪器校验领域，具体涉及一种可控有源电阻。
【背景技术】
[0002] 目前对于高精密仪器的检定和校准是科研领域的研究热点之一。其中检定和校准 的设备是比较关键的因素，其对各电路器件的要求较高。检定和校准仪器中可调电阻的使 用非常广泛。它作为模拟电路中的重要组成元素，被广泛应用于自适应滤波器、信号发生 器、自动增益控制放大器等电路中，用于改变信号发生器的特性等。如自动气象站采用可变 电阻对温度传感器进行校正。温度测量仪是一种测温仪器，而温度校验仪是检验温度测量 仪的是否准确的仪器。温度校验仪利用温度与电阻之间对应的关系，即提供一个标准电阻， 温度测量仪测量该标准电阻，并显示温度，若其温度与标准电阻所对应的温度一致或在误 差范围内，则该温度测量仪准确，否则需要校准。
[0003] 现有的可变电阻器主要有滑动变阻器、电阻箱、电位器等，这些传统的可调电阻器 虽然理论上可调整范围为零至标称值以内的任意值，但因实际结构与设计精度要求等原因 达不到"任意"要求，它们只能做到有级调节或者模糊调节。在精密仪器的研发过程中发现 其调节精度低，误差较大，操作复杂，不利于高精度校准的进行。
【发明内容】
[0004] 本实用新型所要解决的技术问题是:提供一种可控有源电阻，解决了现有技术中 电阻器阻值量程小、分辨率低的问题。
[0005] 本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006] -种可控有源电阻，包括第一至第四放大器、第一至第八电阻、开关管、电压跟随 器，其中，第一至第四放大器和电压跟随器均包括正极输入端、负极输入端、输出端，开关管 包括输入端、输出端、控制端，第一放大器的正极输入端与其输出端连接，第一放大器的负 极输入端分别与开关管的输入端、电压跟随器的正极输入端连接并作为该可控有源电阻的 一端，第一放大器的输出端与第一电阻的一端连接;第二放大器的负极输入端分别与第二 电阻的一端、第二放大器的输出端连接，第二放大器的正极输入端分别与第五电阻的一端、 第六电阻的一端连接，并作为该可控有源电阻的另一端;开关管的控制端分别与第一电阻 的另一端、第二电阻的另一端连接，开关管的输出端分别与第三电阻的一端、第三放大器的 输出端连接;第三放大器的正极输入端分别与第三电阻的另一端、第四电阻的一端连接， 第三放大器的负极输入端与第五电阻的另一端连接;第四放大器的正极输入端分别与第七 电阻的一端、第八电阻的一端连接，第四放大器的负极输入端与第六电阻的另一端连接，第 四放大器的输出端分别与第四电阻的另一端、第七电阻的另一端连接；电压跟随器的负极 输入端分别与其输出端、第八电阻的另一端连接。
[0007] 所述第一电阻和第二电阻的阻值相等，第三电阻和第四电阻的阻值相等，第五电 阻的阻值等于第三电阻和第四电阻并联的阻值，第六电阻的阻值等于第七电阻和第八电阻 并联的阻值。
[0008] 为了进一步解决现有技术中电阻器误差大、量程小的问题，本方案还提出一种可 控有源电阻，包括至少两个开关管组成的串联电路、两个放大器、两个电阻，其中，两个放大 器分别为第五放大器、第六放大器，两个电阻分别为第九电阻、第十电阻，开关管的控制端 相互连接，开关管串联电路的输入端和输出端分别作为该可控有源电阻的两端，开关管串 联电路的输入端与第五放大器的负极输入端连接，第五放大器的正极输入端分别与其输出 端、第九电阻的一端连接，开关管串联电路的输出端与第六放大器的正极输入端连接，第六 放大器的负极输入端分别与其输出端、第十电阻的一端连接，开关管串联电路的控制端分 别与第九电阻的另一端、第十电阻的另一端连接。
[0009] 所述开关管包括两个，分别为第二开关管、第三开关管，其中，第二开关管的输入 端作为该可控有源电阻的输入端，第三开关管的输出端作为该可控有源电阻的输出端，第 二开关管的输出端与第三开关管的输入端连接，第二开关管的控制端与第三开关管的控制 端连接。
[0010] 所述第九电阻和第十电阻的阻值相等。
[0011] 与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
[0012] 1、本实用新型提供了两种可在零至标称值以内的任意值的有源电阻。
[0013] 2、本实用新型在现有的基础上，添加了隔离放大器，排除了接入电路对有源电阻 阻值的影响，具有更高的精度。
[0014] 3、本实用新型电路简单，易操作，具有自动、宽量程、高分辨率等优点。
【附图说明】
[0015] 图1为可变电阻的非线性补偿电路。
[0016] 图2为可控有源电阻电路图。
[0017] 图3为基于图2的开关管两端电阻值与VDS的关系。
[0018] 图4为基于图2的Vds两端电阻与Vds的关系。
[0019] 图5为具有电压跟随器的可控有源电阻电路图。
[0020] 图6为基于图5的开关管两端电阻值与Vds的关系。
[0021] 图7为基于图5的Vds两端电阻与Vds的关系。
[0022]图8为开关管串联的可控有源电阻电路图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图对本实用新型的结构及工作过程作进一步说明。
[0024] -种可控有源电阻，包括第一至第四放大器、第一至第八电阻、开关管、电压跟随 器，其中，第一至第四放大器和电压跟随器均包括正极输入端、负极输入端、输出端，开关管 包括输入端、输出端、控制端，第一放大器的正极输入端与其输出端连接，第一放大器的负 极输入端分别与开关管的输入端、电压跟随器的正极输入端连接并作为该可控有源电阻的 一端，第一放大器的输出端与第一电阻的一端连接;第二放大器的负极输入端分别与第二 电阻的一端、第二放大器的输出端连接，第二放大器的正极输入端分别与第五电阻的一端、 第六电阻的一端连接，并作为该可控有源电阻的另一端;开关管的控制端分别与第一电阻 的另一端、第二电阻的另一端连接，开关管的输出端分别与第三电阻的一端、第三放大器的 输出端连接;第三放大器的正极输入端分别与第三电阻的另一端、第四电阻的一端连接，第 三放大器的负极输入端与第五电阻的另一端连接;第四放大器的正极输入端分别与第七电 阻的一端、第八电阻的一端连接，第四放大器的负极输入端与第六电阻的另一端连接，第四 放大器的输出端分别与第四电阻的另一端、第七电阻的另一端连接；电压跟随器的负极输 入端分别与其输出端、第八电阻的另一端连接。
[0025] -种可控有源电阻，包括至少两个开关管组成的串联电路、两个放大器、两个电 阻，其中，两个放大器分别为第五放大器、第六放大器，两个电阻分别为第九电阻、第十电 阻，开关管的控制端相互连接，开关管串联电路的输入端和输出端分别作为该可控有源电 阻的两端，开关管串联电路的输入端与第五放大器的负极输入端连接，第五放大器的正极 输入端分别与其输出端、第九电阻的一端连接，开关管串联电路的输出端与第六放大器的 正极输入端连接，第六放大器的负极输入端分别与其输出端、第十电阻的一端连接，开关管 串联电路的控制端分别与第九电阻的另一端、第十电阻的另一端连接。
[0026] 使用场效应管设计高精度可控有源电阻时可以使用的几种方法：
[0027] 一、解决线性问题的方法:根据可变电阻区的漏源电流表达式，运用叠加原理，消 除Vds2的影响。
[0028] 二、解决如何扩大输入电压范围的方法：
[0029] ①在源极加上一个与输入电压有关的压控电压源，使得输入电压增大时，源极电 压也随之增加，从而扩展了输入电压的范围；
[0030] ②在非线性补偿后串联n个相同的场效应管，既增大了输入电压范围，也提高了电 阻值。
[0031] 三、解决如何控制漏源电阻值的方法:控制电阻值，就是控制非线性补偿后加在漏 源间Vc的电压值，需事先测量好电阻R与Vc关系式，在给定一个R后，通过存储器调用，再由D/ A输入给VC，设计可控有源电阻的具体过程如下：
[0032] 步骤一根据M0S场效应管在可变电阻区的漏极电流的表达式（1)，得到漏源电阻表 达式(2)，
[0035] 其中：VT是夹断电压，Vgs是栅源电压，Vds是漏源电压，是沟道表面载流子迀移率， Cox是单位面积栅-氧化物-半导体电容(F/m2)。？是有效沟道宽度，L是有效沟道长度。
[0036] 步骤二根据叠加原理，如图1所示，为了减小可变电阻的非线性度，可在可变电阻 区完全消除Vds对漏源电阻值的影响，令V gs = (Vc+Vds)/2，将Vgs代入公式（1)、（ 2)，可得公式 ⑶、⑷： (3)
(4)
[0039] 此时，Rds与Vds无关。
[0040] 步骤三扩大动态范围，即扩大场效应管工作在可变电阻区时的输入电压Vin的范 围。
[0041] 方法一:根据电路的自举原理，如图2所示，在场效应管的源极上加一个压控电压 源，该压控电压源由第三、第四放大器和第三至第八电阻组成，其中R3A = R4A，电路平衡电 阻R5A = R3A // R4A、R6A = R7A // R8A，即R5A的阻值等于R3A与R4A并联的阻值，R6A的阻值等于 R7A与R8A并联的阻值。其中a式小于1的常数。由图2可知，当输入电压￥1使￥<1增大时，压控电 压源使V s也随之增大，从而使Vds仍然满足在可变电阻区的工作条件。此电阻的等效输入阻 抗Rin为
(5)
[0044] 取a = 0.5时，即R7A = 500Q，R8A=lkQ时，如图2,效果图3是开关管两端电阻值与 Vds的关系，图4是VDS两端电阻与VDS的关系。由图3可知，输入电压VI为0.2、0.4、0.6、0.8、IV 时，V(d)/-I (VI)即输入电压两端的电阻值分别为108.419、109.855、111.299、112.776、 114.295Q ;由图4可知，输入电压VI为0.2、0.4、0.6、0.8、1￥时，￥((1)/10(11)即开关管与地 两端的电阻值分别为121.612、123.417、125.241、127.114、129.046 Q。由这两组数据对比 可知，由于第四放大器的分流作用，有源电阻两端接入输入电压对开关管两端的阻值影响 较大。
[0045] 在输出端与R8之间加入一个电压跟随器，如图5,效果图6是开关管两端电阻值与 Vds的关系，图7是Vds两端电阻与Vds的关系。由图6可知，输入电压VI为0.2、0.4、0.6、0.8、IV 时，V(d)/-I( VI)即输入电压两端的电阻值分别 121.778、123.524、125.329、127.193、 129.120Q ;由图7可知，输入电压VI为0.2、0.4、0.6、0.8、1￥时，￥((1)/10(11)即开关管与地 两端的电阻值分别为121.772、123.521、125.326、127.191、129.119 Q。由这两组数据对比 可知，加入电压跟随器之后，有源电阻两端接入输入电压对开关管两端的阻值影响较小。
[0046] 方法二:在步骤二的基础上串联相同型号的场效应管，图8给出的是两个相同型号 场效应管的串联。这种方法既增大了电阻，也扩大了输入电压的范围。若将n个相同型号的 场效应管串联，则最大输入电压扩大n倍，n为大于1的整数，输入电阻Ri n为
[0047] Rin = nRds (6)
[0048] 本实施例采用串联两个场效应管进行说明，具体的方案可以串联多个开关管，根 据不同的调节范围，可以选择不同的开关管串联，能够实现宽的电压调节范围。
【主权项】
1. 一种可控有源电阻，其特征在于:包括第一至第四放大器、第一至第八电阻、开关管、 电压跟随器，其中，第一至第四放大器和电压跟随器均包括正极输入端、负极输入端、输出 端，开关管包括输入端、输出端、控制端，第一放大器的正极输入端与其输出端连接，第一放 大器的负极输入端分别与开关管的输入端、电压跟随器的正极输入端连接并作为该可控有 源电阻的一端，第一放大器的输出端与第一电阻的一端连接;第二放大器的负极输入端分 别与第二电阻的一端、第二放大器的输出端连接，第二放大器的正极输入端分别与第五电 阻的一端、第六电阻的一端连接，并作为该可控有源电阻的另一端;开关管的控制端分别与 第一电阻的另一端、第二电阻的另一端连接，开关管的输出端分别与第三电阻的一端、第三 放大器的输出端连接;第三放大器的正极输入端分别与第三电阻的另一端、第四电阻的一 端连接，第三放大器的负极输入端与第五电阻的另一端连接;第四放大器的正极输入端分 别与第七电阻的一端、第八电阻的一端连接，第四放大器的负极输入端与第六电阻的另一 端连接，第四放大器的输出端分别与第四电阻的另一端、第七电阻的另一端连接;电压跟随 器的负极输入端分别与其输出端、第八电阻的另一端连接。2. 根据权利要求1所述的可控有源电阻，其特征在于:所述第一电阻和第二电阻的阻值 相等，第三电阻和第四电阻的阻值相等，第五电阻的阻值等于第三电阻和第四电阻并联的 阻值，第六电阻的阻值等于第七电阻和第八电阻并联的阻值。3. -种可控有源电阻，其特征在于：包括至少两个开关管组成的串联电路、两个放大 器、两个电阻，其中，两个放大器分别为第五放大器、第六放大器，两个电阻分别为第九电 阻、第十电阻，开关管的控制端相互连接，开关管串联电路的输入端和输出端分别作为该可 控有源电阻的两端，开关管串联电路的输入端与第五放大器的负极输入端连接，第五放大 器的正极输入端分别与其输出端、第九电阻的一端连接，开关管串联电路的输出端与第六 放大器的正极输入端连接，第六放大器的负极输入端分别与其输出端、第十电阻的一端连 接，开关管串联电路的控制端分别与第九电阻的另一端、第十电阻的另一端连接。4. 根据权利要求3所述的可控有源电阻，其特征在于:所述开关管包括两个，分别为第 二开关管、第三开关管，其中，第二开关管的输入端作为该可控有源电阻的输入端，第三开 关管的输出端作为该可控有源电阻的输出端，第二开关管的输出端与第三开关管的输入端 连接，第二开关管的控制端与第三开关管的控制端连接。5. 根据权利要求3或4所述的可控有源电阻，其特征在于:所述第九电阻和第十电阻的 阻值相等。
【文档编号】G01K15/00GK205506265SQ201620301676
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】行鸿彦, 于祥
【申请人】南京信息工程大学