一种阻值可变的负电阻电路
阅读说明：本技术 一种阻值可变的负电阻电路 (Variable negative resistance circuit of resistance ) 是由 李颖弢 霍显杰 田力学 李永刚 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种阻值可变的负电阻电路,包括VCVS、CVCS和若干电阻,整体可等效为一个负电阻,并且通过改变VCVS、CCCS的增益可以改变阻值。该电路具有电压工作范围宽、阻值变化范围广等优势,具有以下优点：a、负电阻阻值的可调范围宽,范围可从0到-∞,需要调节负电阻阻值时,首先调节α大小即可；b、负电阻阻值调节灵活,当所需α较大时,可以调节R2适当改变灵敏度,即可使用相对较小的α值进行实现；c、负电阻阻值的精度较高,在α确定的条件下,通过调节β,可使负电阻阻值缓慢地到达所需精度；d、无工作电压的限制,相较于运算放大器构建的电路,本电路可在任意工作电压下运行,无运算放大器必须工作在线性电压区的限制。(The invention discloses a resistance-variable negative resistance circuit, which comprises VCVS, CVCS and a plurality of resistors, wherein the whole circuit can be equivalent to a negative resistor, and the resistance can be changed by changing the gains of the VCVS and the CCCS. The circuit has the advantages of wide voltage working range, wide resistance value change range and the like, and has the following advantages: a. the adjustable range of the resistance value of the negative resistor is wide, the range can be from 0 to-infinity, and when the resistance value of the negative resistor needs to be adjusted, the alpha size is adjusted firstly; b. the negative resistance value is flexibly adjusted, when the required alpha is larger, R2 can be adjusted to properly change the sensitivity, namely the adjustment can be realized by using a relatively smaller alpha value; c. the precision of the resistance value of the negative resistor is high, and the resistance value of the negative resistor can slowly reach the required precision by adjusting beta under the condition that alpha is determined; d. compared with a circuit constructed by an operational amplifier, the circuit can operate under any operating voltage, and the operational amplifier is not limited by the linear voltage region.)
技术领域
本发明涉及电路设计领域，特别涉及一种具有负电阻特性的阻值可变的负电阻电路，可用于电子信息工程、控制工程和电路设计等领域。
背景技术
经典电路理论提出了一种基于运算放大器的负电阻构建方法，这个方法可以等效实现负电阻，但是必须工作在运算放大器的线性电压工作区，如果工作电压不在线性电压工作区，则视为一个阻值确定的普通电阻，这样子就为负电阻的使用带来了一定的局限性。基于运算放大器构建的经典负电阻电路，由于受到运算放大器输出电流的限制，负电阻阻值的调节范围也会有一定的局限性。因此需要寻找大范围阻值的负电阻的构建方法。目前，出现了基于有机半导体材料构建的负电阻，但是这一类负电阻在制造时对工艺和材料的选取有着较高的要求，造价较高。针对以上基于运算放大器的负电阻电路存在的一些缺点，需要设计一种工作电压不受限，负电阻阻值任意可变的负电阻电路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的缺点而提供一种阻值可变的负电阻电路，本发明拓展了负电阻阻值的阻值范围和工作电压范围，同时使用了现有的一些元件进行构建，便于缩小体积，可集成在电路中。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案。
一种阻值可变的负电阻电路，具体如下：包括电流控制的电流源CCCS、电压控制的电压源VCVS、分流电阻R1、调节灵敏度电阻R2，所述电路包括设有第1脚、第2脚和第3脚，第1脚和第3脚之间接分流电阻R1，第1脚接高电势点，第3脚接低电势点；第1脚和第2脚之间接电流控制的电流源CCCS，电流控制的电流源CCCS电流I方向为从第1脚到第2脚；第1脚与第2脚串接一个可变电阻R2作为灵敏度调节电阻，可变电阻R2与电流控制的电流源CCCS形成并联；第2脚与第3脚接电压控制的电压源VCVS，其中第2脚为电压控制的电压源VCVS的低电势点，第3脚为电压控制的电压源VCVS的高电势点，电压控制的电压源VCVS的控制电压为第1脚与第3脚的电势差；第1脚与第3脚再接入外部电路，第1脚接高电势，第3脚接低电势点。
所述电流控制的电流源CCCS的控制电流为外部端口流入第1脚高电势点的电流i，电流控制的电流源CCCS所在支路电流为控制电流放大α倍输出的电流，即电流控制的电流源CCCS电流I为αi，α为电流控制的电流源CCCS的增益，则i的大小即可控制I的大小。
所述电压控制的电压源VCVS端口电压为控制电压，电压控制的电压源VCVS所在的支路电压为控制电压放大β倍的电压。
该电阻为阻值可变的负电阻，根据基尔霍夫定律和戴维南定理可得：
综合上述公式可得：
(α为电流控制电流源的增益，β为电压控制电压源的增益)
当时，可表现为一个负电阻；当时，可表现为一个正电阻。
本发明包括VCVS、CVCS和若干电阻，从电路输入端看过去，整体可等效为一个负电阻，并且通过改变VCVS、CCCS的增益可以改变阻值。该电路具有电压工作范围宽、阻值变化范围广等优势，可以使负电阻用于更多的领域。其具有以下优点：a、负电阻阻值的可调范围宽，范围可从0到-∞，需要调节负电阻阻值时，首先调节α大小即可；b、负电阻阻值调节灵活，当所需α较大时，可以调节R2适当改变灵敏度，即可使用相对较小的α值进行实现；c、负电阻阻值的精度较高，在α确定的条件下，通过调节β，可使负电阻阻值缓慢地到达所需精度；d、无工作电压的限制，相较于运算放大器构建的电路，本电路可在任意工作电压下运行，无运算放大器必须工作在线性电压区的限制。
附图说明
图1为本发明电路结构示意图；
图2为本发明电阻调节的步骤流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定发明的范围。
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
如图1所示，一种阻值可变的负电阻，该电阻的整体电路如下：包括电流控制的电流源CCCS、电压控制的电压源VCVS、分流电阻R1、调节灵敏度电阻R2，电路包括设有第1脚、第2脚和第3脚，第1脚和第3脚之间接分流电阻R1，第1脚接高电势点，第3脚接低电势点；第1脚和第2脚之间接电流控制的电流源CCCS，电流控制的电流源CCCS公式为I=αi，则i的大小即可控制I的大小，控制电流i为外部端口流入第一脚高电势点的电流，I为电流控制的电流源CCCS的电流，即CCCS的电流为αi，CCCS电流方向为从第1脚到第2脚；第1脚与第2脚串接一个可变电阻R2作为灵敏度调节电阻，可变电阻R2与电流控制的电流源CCCS形成并联；第2脚与第3脚接电压控制的电压源VCVS，其中第2脚为低电势点，第3脚为高电势点，电压控制的电压源VCVS的控制电压为第1脚与第3脚的电势差；该电路结构等效视为一个负电阻，第1脚与第3脚再接入外部电路。电流控制的电流源CCCS干路电流为控制电流，电流控制的电流源CCCS所在支路电流为控制电流放大α倍输出的电流。电压控制的电压源VCVS端口电压为控制电压，电压控制的电压源VCVS所在的支路电压为控制电压放大β倍的电压，控制电压的方向为外接端口电压方向。
通过基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律：
可得从外部端口看过去的等效电阻表达式为：，α为流控电流源的增益，β为电压控电压源。通过分析此关系式可知当时，整体表现为一个正电阻；当时，可表现为一个负电阻；当为定值时,电路可以写为：。
从接入端口看过去，等效阻值与α的关系可以视为一个斜率为负一次函数公式，负电阻阻值调节范围为：。改变增益α即可实现部分正电阻和任意数值负电阻的大小，改变可以适当调节负阻变换的灵敏度，在需要负阻精度较高的情况下，利用此特性可以实现负阻值的“粗调”。在粗调结束之后，若对负电阻阻值的精度有要求，则可适当改变β实现对阻值的“精调”，当粗调结束后，此时仅允许β改变，此时整个等效电阻公式即可视为一个反比例函数，反比例函数的斜率变化非常缓慢，即使β稍大，阻值变化也不会很大，只会略微变化，借此实现阻值的精调，可实现负电阻阻值的精确调整。
图2为本发明一种阻值可变的负电阻实现方法的步骤流程图，包括如下步骤：步骤201确定需要的负电阻阻值，根据现有公式确定所需α大小；步骤202若所需α过大，则调节R2大小，避免使用过大的α；步骤203调节β大小，使负电阻阻值到达一个需要的精确的程度；
本发明实现了一种阻值可变的负电阻,增加了负电阻电路的类型,扩展了负电阻的电压工作范围和阻值范围,其结构简单,运行稳定,用其可精确抵消电路中的一些内阻影响，在控制科学与工程中，可以改善被控对象的特性，消除不必要的零极点，为控制器的设计带来便利。
当然,上述说明并非对发明的限制,本发明也不仅限于上述举例,本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,如运用诺顿定理或戴维宁定理将电流源并联的电阻替换为电压源串联电阻等情况也属于本发明的保护范围。