DE2010573A1

DE2010573A1 - Resistance arrangement for balancing measuring circuits

Info

Publication number: DE2010573A1
Application number: DE19702010573
Authority: DE
Inventors: Gerd 5628 Heiligenhaus Kurtenbach Johannes Dipl Ing 4100 Duisburg Auhch
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1970-03-06
Filing date: 1970-03-06
Publication date: 1971-09-16

Description

Widerstands anordnung zum Abgleich von Meßschaltungen Gegenstand der Erfindung ist eine Widerstands anordnung zum Abgleich von Meßschaltungen mit einem ohmschen Widerstand von ausreichender Stabilität.Resistance arrangement for balancing measuring circuits the subject of Invention is a resistor arrangement for balancing measuring circuits with a ohmic resistance of sufficient stability.

In elektrischen Meßschaltungen verschiedenster Art ist es erforderlich, vor der Inbetriebnahme oder auch nach einiger Betriebsdauer Abgleichvorgange durchzuführen, um bestimmte Eichwerte zu realisieren, Ar.heitspunkte einzustellen oder Verstärkungs- und Ubertragungsfaktoren festzulegen. Im einzelnen ist es dazu erforderlich, Spannungen oder Ströme definierter Größe an bestimmten Stellen der Schaltung zu realisieren. Es ist bekannt, für diesen Zweck abgleichbare Einzelwiderstände oder Widerstandskombinationen, wie z.B. Spannungsteiler, zu benutzen, an deren Genauigkeit, Temperatur- und Alterungsverhalten hohe Anforderungen gestellt werden. Daher werden derartige Meßwiderstände aus einem besonderen Widerstandsmaterial, wie Manganinfgewickelt und vor dem Einbau oder in der Schaltung abgeglichen. Wenn der Abgleich in der Schaltung erfolgen muß, stören bei empfindlichen Schaltungen die beim Löten entstehenden Therrnospannungen. Vor jeder neuen Messung muß daher abgewartet werden, bis sich die Lötstelle auf Raumtemperatur abgekthlt hat.In various types of electrical measuring circuits, it is necessary to Carry out calibration processes before commissioning or even after some operating time, in order to realize certain calibration values, to set ar. and determine transmission factors. For this purpose, it is necessary in detail to have tensions or to realize currents of a defined size at certain points in the circuit. It is known to use adjustable individual resistors or combinations of resistors for this purpose, such as voltage dividers, for their accuracy, temperature and aging behavior high demands are made. Therefore, such measuring resistors are made of a special resistance material, such as Manganinfwickwick and before the Installation or adjusted in the circuit. If the adjustment has to be done in the circuit, interfere with sensitive circuits, the thermal voltages generated during soldering. Before each new measurement, it is therefore necessary to wait until the soldering point is open Has cooled down from room temperature.

Wenn bei einer späteren änderung des Meßbereichs der Widerstandswert vergrößert werden muß, ist die gesamte Widerstandsspule auszubauen und durch eine andere zu ersetzen.If at a later change of the measuring range the resistance value must be enlarged, the entire resistance coil is to be removed and replaced by a to replace others.

Zur Anpassung z.B. von Verstärkern an die unterschiedlichsten Meßaufgaben werden AbgleichwiderstAnde mit jeweils entsprechenden Werten benötigt. Die Vielfalt der vorkommenden Widerstandswerte verhindert eine rationelle Fertigung und bedingt eine aufwendige Lagerhalterung.For adapting amplifiers, for example, to a wide variety of measurement tasks balancing resistors with corresponding values are required. The diversity the occurring resistance values prevents efficient production and to a limited extent an elaborate bearing holder.

In bestimmten Fällen kann man zwar Cinstellwiderstände (Trimmer) verwenden, jedoch haben diese den Nachteil, daß sie in der Anschaffung teuer sind und bei vertretbarem Preis nur eine sprunghafte Auflösung gestatten. Außerdem ist der übergangswiderstand des Schleifers von Erschütterungen und Einwirkungen aggressiver Gasbestandteile der Luft abhängig.In certain cases you can use cinstell resistors (trimmers), however, these have the disadvantage that they are expensive to purchase and affordable Price allow only an erratic resolution. In addition, the contact resistance is the grinder from vibrations and the effects of aggressive gas components dependent on the air.

Nachfolgend wird das Problem anhand einer bekannten Schaltung erläutert. Fi. zeigt die Prinzipschaltung eines stromseriengegengekoppelten Verstärkers mit einer EingangsspannungUO,einem Ausgangsstrom IA, einem Lastwiderstand RA und einem Gegenkopplungswiderstand RF, der nach der Beziehung RF = UO zu er-A rechnen ist. Dieser Widerstand muß auf o,l % genau abgeglichen sein und ein ausgezeichnetes Alterungsverhalten aufweisen.The problem is explained below using a known circuit. Fi. shows the basic circuit of an amplifier with negative current series feedback an input voltage UO, an output current IA, a load resistor RA and a Negative feedback resistance RF, which is to be calculated according to the relationship RF = UO-A. This resistance must be balanced to 0.1% and show excellent aging behavior exhibit.

Wenn beispielsweise die Verstärkereingangsspannung UO = 10 mV und der Ausgangsstrom 1A = 2b mA beträgt, ergibt sich für den Gegenkopplungswiderstand ein Wert von RF = 0,5 Ohm.For example, if the amplifier input voltage UO = 10 mV and the output current is 1A = 2b mA, results for the negative feedback resistance a value of RF = 0.5 ohms.

Der Abgleich eines so kleinen Widerstandes in herkömnlicher Technik, z.B. als drahtgewickelte Widerstandsspule, ist zeitraübend und teuer. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, durch Anwendung an sich bekannter Techniken eine neue Lösung zu finden, die den hohen Anforderungen der Meßtechnik bei einem Minimum an Aufwand genügt.The adjustment of such a small resistance in conventional technology, e.g. as a wire-wound resistance coil, is time-consuming and expensive. It is therefore The object of the invention is to provide a new solution by using techniques known per se to find the high requirements of measurement technology with a minimum of effort enough.

Erfindungsgemäß ist bei einer hTiderstandsanordnung der eingangs genannten Art die mit dem ohmschen Widerstand erzeugte konstante Bezugsgröße durch ein stufenweise veränderbares Widerstandsnetzwerk (R1, R2) in integrierter Technik unter weitgehender Ausschaltung der Temperatur- und Alterungseinflüsse auf einen vorgegebenen Nennwert unterteilbar.According to the invention, the resistor arrangement mentioned at the outset is used in the case of a resistor arrangement Type the constant reference value generated with the ohmic resistance through a stepwise Changeable resistor network (R1, R2) in integrated technology under extensive Elimination of the temperature and aging effects to a specified nominal value divisible.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, Meßwiderstände so weit wie möglich in integrierter Technik auszuführen, wobei der Abgleich durch Unterbrechung oder Herstellung von leitenden Verbindungen an abgestuften Teilwiderständen erfolgt. Da integrierte Widerstände hinsichtlich ihrer Stabilität beim heutigen Stand der Technik noch nicht den Anforderungen der Meßtechnik genügen, wird einem stabilen Widerstand, z.B. einem grob abgeglichenen Manganindrahtwiderstand, ein Widerstandsnetzwerk in integrierter Technik zugeordnet. Dessen an sich ungenügendes Temperatur- und Altérungsverhalten wird entscheidend dadurch verbessert, daß man den gewünschten Nennwert von dem auf einem Trägersubstrat untergebrachten Netzwerk abgreift, so daß sich die Temperatur- und Alterungsfehler der beiden Teilwiderstände fast völlig aufheben.The invention is based on the idea of measuring resistors as far as possible to perform in integrated technology, with the comparison by interruption or production of conductive connections at graded partial resistors takes place. Since integrated resistors with regard to their stability at the current level of Technology does not yet meet the requirements of measurement technology, becomes a stable one Resistance, e.g. a roughly balanced manganine wire resistor, a resistor network assigned in integrated technology. Its in itself insufficient temperature and Aging behavior is decisively improved by having the desired Nominal value is tapped from the network housed on a carrier substrate, so that the temperature and aging errors of the two partial resistances are almost completely lift.

Integrierte Widerstandsnetzwerke sind an sich bekannt. Sie können in Dickfilm- oder Dünnfilmtechnik ausgeführt sein. Bei der Dickfilmtechnik werden auf einem Trägersubstrat im Siebdruckverfahren Leiterbahnen und Anschlußpunkte aufgebracht.Integrated resistor networks are known per se. You can be carried out in thick-film or thin-film technology. When using thick film technology Conductor tracks and connection points applied to a carrier substrate in a screen printing process.

In eine weiteren Druckvorgang werden dann Widerstandsbahnen bestimmter geometrischer Abmessungen erzeugt. Die aufgedruckten Schichten werden bei hoher Temperatur eingebrannt. Allerdings ist es beim heutigen Stand der Technik noch nicht möglich, Widerstände zu realisieren, die ein gleich gutes Temperaturverhalten zeigen wie die bekannten Widerstand.iegierungen.Resistance paths are then determined in a further printing process geometric dimensions generated. The printed layers are at high Burned in temperature. However, it is not yet at the current state of the art possible to realize resistors that show an equally good temperature behavior like the well-known resistance alloys.

Einzelwiderstände in integrierter Technik sind daher noch nicht zum Abgleich von präzisen Meßschaltungen geeignet.Individual resistors in integrated technology are therefore not yet available for Adjustment of precise measuring circuits suitable.

Es ist jedoch bekannt, daß sowohl der Temperatur- als auch der Alterungskoeffizient von Dickfilmwiderständen, die aus demselben Ursprungsmaterial und in demselben Fertigungsprozed hergestellt wurden, recht gut übereinstimmten. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Teilungsverhältnis eines Spannungsteilers aus solchen Ederständen eine Größenordnung stabiler ist als die Konstanz eines Einzelwiderstandes, da sich die Veränderungskoeffizienten bei der Quotlentenbildung aufheben.However, it is known that both temperature and aging coefficients of thick film resistors made from the same original material and in the same manufacturing process were made, matched quite well. The invention lies in the knowledge is based on the fact that the division ratio of a voltage divider from such Ederstands is an order of magnitude more stable than the constancy of a single resistor, since cancel the coefficients of change in the formation of quotas.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Fig. 2 bis 5 der Zeichnungen erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in FIGS. 2 to 5 of the drawings.

Fig. 2 zeigt einen Verstärker mit einem Widerstandsnetzwerk zur Gegenkopplung Fig. 3 zeigt die in diesem Netzwerk gewählte Realisierung des Widerstandes R2 Fi.g 4 zeigt den Aufbau'eines Widerstandsnetzwerkes in integrierter Technik für den Anwendungsfall nach Fig. 2 Fig. 5 zeigt eine Schaltung zur Erzeugung stabiler Zweigströme.Fig. 2 shows an amplifier with a resistor network for negative feedback 3 shows the implementation of the resistor R2 Fi.g selected in this network 4 shows the structure of a resistor network in integrated technology for the application according to Fig. 2 Fig. 5 shows a circuit for generating stable branch currents.

Einander entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols.

In Fig. 2 ist wiederum mit V der eigentliche Verstärker, UO die Verstärkereingangspannung, 1A der Verstärkerausgangsstrom und RA der Außenwiderstand bezeichnet. Der Gegenkopplungswiderstand besteht aus einem Festwiderstand RM, der torzugsweise als Manganinwiderstand ausgebildet ist,und einem parallelgeschalteten Widerstandsnetzwerk R , R2 mit einem zum Verstärkereingang geführten Spannungsteilerabgriff.In Fig. 2, V is again the actual amplifier, UO the amplifier input voltage, 1A denotes the amplifier output current and RA the external resistance. The negative feedback resistance consists of a fixed resistor RM, which is designed as a manganin resistor is, and a parallel connected resistor network R, R2 with one to the amplifier input guided voltage divider tap.

An dem Festwiderstand RM fällt eine Bezugsspannung mit ausreichender Temperatur- und Alterungsstabilität ab, die größer ist als die in den Verstärkereingang einzuschleusende Gegenkopplungsspannung. Von dieser Spannung wird ein gewünschter Wert dadurch abgegriffen, daß die Widerstände R1 und R2 oder R1 oder R2 stufenweise geändert werden. Wie diese änderung erfolgen kann, wird in Fig. 3 für den Widerstand R2 gezeigt.A reference voltage with sufficient voltage drops across the fixed resistor RM Temperature and aging stability, which is greater than that in the amplifier input Negative feedback voltage to be introduced. This tension becomes a desired one The value is tapped off in that the resistors R1 and R2 or R1 or R2 are stepped be changed. How this change can take place is shown in FIG. 3 for the resistance R2 shown.

Widerstände zwischen 5 Ohm und 5 Kilo-Ohm sind in Reihe geschaltet. Durch Kurzschließen nicht benötigter Einzelwiderstände kann zwischen dem Minimal- und dem Maximalwert (= Summe aller Teilwiderstände) jeder Zwischenwert in einer Abstufung von 5 Ohm eingestellt werden. Mit den eingezeichneten Kurzschlußbrücken ergibt sich z.B. ein Gesamtwiderstandswert von 12380 Ohm. Der Widerstand R1 des Spannungsteilers nach Fig.2 ist ähnlich, jedoch mit einer anderen Abstufung aufgebaut. Um mit einem Minimalaufwand an Arbeitszeit und Material innerhalb des Gesamtbereiches jeden Teilungsfaktor mit einer Genauigkeit von 0,1% einstellen zu können, ist es zweckmäßig, R1 tetradisch, z.B. mit den Stufen 1, 2, 2 und 5, und R2 dual zu unterteilen.Resistors between 5 ohms and 5 kilo-ohms are connected in series. By short-circuiting individual resistors that are not required, the minimum and the maximum value (= sum of all partial resistances) each intermediate value in one Graduations of 5 ohms can be set. With the short-circuit bridges shown this results, for example, in a total resistance value of 12380 ohms. The resistor R1 of the The voltage divider according to Fig. 2 is similar, but constructed with a different gradation. To with a minimum of working time and material within the entire area It is to be able to set each division factor with an accuracy of 0.1% appropriate, R1 tetradic, e.g. with levels 1, 2, 2 and 5, and To subdivide R2 in two ways.

Mit R1 wird der Teilungsfaktor grob eingestellt und dann mit R2 fein abgeglichen. Der Widerstand R2 enthält einen nicht überbrückbaren Teilwiderstand R2V, der um so größer gegenüber dem kleinsten Teilwiderstand von R2 sein muß, je feiner die Abgleichstufen gewählt werden sollen. Fig. 4 zeigt ein Widerstandsnetzwerk in integrierter Technik, das auf einen quadratischen Trägersubstrat 1 aufgebaut ist. Als Basismaterial kommt bei Dickfilmscaltungen z.B. Keramik infrage. Auf dem Trägersubstrat sind Leitungsbahnen 2 und flächenhafte Widerstände 3 untergebracht, die hier rein schematisch dargestellt sind.The division factor is roughly set with R1 and then fine with R2 matched. Resistor R2 contains a partial resistance that cannot be bridged R2V, which must be greater than the smallest partial resistance of R2, ever finer the adjustment levels should be selected. Fig. 4 shows a resistor network in integrated technology, which is built on a square carrier substrate 1 is. Ceramic can be used as a base material for thick-film circuits, for example. On the The carrier substrate accommodates conductor tracks 2 and two-dimensional resistors 3, which are shown here purely schematically.

In der Praxis haben diese Widerstände die Form von Rechtecken oder mäanderförmigen Linien; Die einzelnen Teilwiderstände sind über Leitungsbahnen~mit Anschlußflächen 4 verbunden, die an drei Seiten des Substrats angeordnet sind. Durch aufgelötete Leiterkämme sind zunächst alle Teilwiderstände bis auf den Widerstand R2V überbrückt. Der Abgleich erfolgt durch Auftrennen der Leiterkäme mit einem Schneidwerkzeug, d.h. ohne Wärmeentwicklung an der Trennstelle. An den Anschlußstellen 6 und 7 ist der Widerstand R1 und an den Anschlußstellen 7, 8 der Widerstand R2 abgreifbar.In practice, these resistors are in the form of rectangles or meandering lines; The individual partial resistances are via line paths ~ with Pads 4 connected, which are arranged on three sides of the substrate. By Soldered-on conductor combs are initially all partial resistances except for the resistor R2V bridged. The adjustment is carried out by cutting the conductor lines with a cutting tool, i.e. without heat development at the cutting point. At the connection points 6 and 7 is the resistor R1 and at the connection points 7, 8 the resistor R2 can be tapped.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgte der Abgleich durch Auftrennen der Kurzschlußverbindungen. Eine andere Möglichkeit des Abgleiches ist darin zu sehen, daß man auf die aufgelöteten Leiterkämme verzichtet und stattdessen von Fall zu Fall die nicht benötigten Teilwiderstände kurzschließt.The comparison was carried out in the exemplary embodiment shown Separation of the short-circuit connections. Another way of matching is to see that one is on the soldered-on ladder combs are dispensed with and instead short-circuits the partial resistors that are not required on a case-by-case basis.

Dies könnte ohne thermische Beanspruchung dadurch geschehen, daß man die entsprechenden Anschlußpunkte mit einer Leitpaste oder einem Leitlack überbrückt.This could be done without thermal stress in that one the corresponding connection points are bridged with a conductive paste or a conductive paint.

Das in Fig. 2 - 4 beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung behandelt die Erzeugung einer konstanten Bezugsspannung mit einem preiswerten Festwiderstand, die auf einfache Art gemäß Fig. 2 mit einem Widerstandsnetzwerk in integrierter Technik stabil und präzis auf eine vorgegebene Nennspannung unterteilt wird. Unter Berücksichtigung des Dualitätsprinzips kann die Erfindung auch für andere Anwendungsfälle, z.B. zur Erzeugung eines stabilen Zweigstroms aus einem konstanten Ausgangsstrom, vorteilhaft angewendet werde.The embodiment of the invention described in FIGS. 2-4 dealt with the generation of a constant reference voltage with an inexpensive fixed resistor, which is integrated in a simple manner according to FIG. 2 with a resistor network Technology is divided stably and precisely to a specified nominal voltage. Under Taking into account the duality principle, the invention can also be used for other applications, e.g. to generate a stable branch current from a constant output current, will be used advantageously.

Fig. 5 zeigt eine solche Anordnung im Prinzip.Fig. 5 shows such an arrangement in principle.

Mit W ist ein relativ hochohmiger Widerstand ausreichender Stabilität bezeichnet. Er bestimmt in Abhängigkeit von der angelegten Spannung den Wert des Stromes Iv. R3 und R4 sind stufig unterteilte und teilweise überbrückbare Zweigwiderstände eines integrierten Widerstandsnetzwerkes. Sie unterteilen den Strom stabil in die Teilströme I3 und 1 Die Anwendbarkeit der Erfindung ist von der Art und dem Herstellungsverfahren der integrierten Schaltung unabhängig. Anstelle der in den Beispielen ausführlicher beschriebenen Dickfilmtechnik kann das Widerstandsnetzwerk unter Beibehaltung des gleichen Aufbauprinzips auch in Dünnfilmtechnik. oder einer anderen integrierten Technik hergestellt sein. Auch hierbei gilt, daß die auf einem Substrat aus dem gleichen Ursprungsmaterial und in dem gleichen Fertigungsverfahren hergestellten Widerstände untereinander eine gute Stabilität aufweisen und daß die Veränderungsfaktoren sich bei der Quotientenbildung weitgehend aufheben.With W a relatively high resistance is sufficient stability designated. It determines the value of the depending on the applied voltage Stromes Iv. R3 and R4 are stepped and partially bridged branch resistors an integrated resistor network. They divide the current stably into the Partial currents I3 and 1 The applicability of the invention is of the The type and manufacturing process of the integrated circuit is independent. Instead of the thick film technique described in more detail in the examples, the resistor network while maintaining the same construction principle also in thin-film technology. or one other integrated technology. Here, too, applies that the on one Substrate made from the same original material and in the same manufacturing process Manufactured resistors among each other have good stability and that the Change factors largely cancel each other out in the formation of the quotient.

Zusammengefaßt ergeben sich durch die Anwendung der Erfindung folgende Vorteile: Das Siebdruckverfahren bei der Dickfilmtechnik ermöglicht eine rationelle Herstellung von Widerstandsnetzwerken. Der Abgleich der Schaltungen erfolgt im eingebauten Zustand ohne c die Anwendung von Wärme, so daß keine Thermospannungen entstehen und dadurch Wartezeiten vermieden werden, die bei Lötarbeiten erforderlich sind. Nachträgliche Bereichsänderungen sind in jeder Richtung ohne Zusatzmaterial möglich. Die Widerstandsnetzwerke können so ausgelegt werden, daß durch Grob-und Feineinstellung alle vorkommenden Meßbereiche mit einer Ausführung erfaßt werden. Dadurch ist eine Vorratsfertigung und eine vereinfachte Lagerhaltung möglich. Für Meßschaltungen mit geringeren Genauigkeitsansprüchen kann der externe Vorwiderstand als Dick- bzw. Dünnfilmwiderstand auf dem gleichen Substrat mitgedruckt werden, wodurch sich eine besonders preiswerte Gesamtanordnung ergibt. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Abgleichschaltungen wenig Raum einnehmen und daß die Trägerkörper mechanisch stabil gegen äußere Einwirkungen sind.In summary, the application of the invention provides the following Advantages: The screen printing process in thick film technology enables an efficient Manufacture of resistor networks. The adjustment of the circuits takes place in the built-in State without c the application of heat, so that no thermal stresses arise and thereby avoid waiting times that are necessary for soldering work. Subsequent area changes are possible in any direction without additional material. The resistor networks can be designed so that by coarse and Fine tuning all occurring measuring ranges can be recorded with one version. This is a Stock production and simplified storage possible. For measuring circuits With lower accuracy requirements, the external series resistor can be used as a thick or Thin-film resistor can be printed on the same substrate, creating a particularly inexpensive overall arrangement results. Another advantage is to be seen in that the balancing circuits take up little space and that the carrier body is mechanical are stable against external influences.

lo Seiten Beschreibung 8 Ansprüchelo pages description 8 claims

Claims

Claims: W Resistor arrangement for balancing measuring circuits with an ohmic resistance of sufficient stability, characterized in that the constant reference value generated with the ohmic resistance (RM) through a stepwise changeable 'resistance network (R1, R) in integrated technology under extensive Elimination of the temperature and aging effects to a specified nominal value is divisible.

2. Resistor arrangement according to claim 1, characterized in that that the resistor network is produced in thick film technology on a carrier substrate (l) is; on the individual resistors (3) with graduated values through metallic conductors (5) are bridged in such a way that they can be separated mechanically without the action of heat are.

3. Resistor arrangement according to claim 1, characterized in that that the resistor network is produced in thin-film technology on a carrier substrate is, on the individual resistors with graded values by metallic conductors like this are bridged so that they can be separated mechanically without the action of heat.

4. Resistor arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that that the individual resistors (3) via conductor tracks (2) to the edge of the substrate (1) are guided and that the connection points (4) are soldered to ladder combs (5), which can be separated at the desired point with mechanical tools.

5. Resistor arrangement according to claim 1 to 4, characterized in that that the fixed resistor is also on the carrier substrate in the same manufacturing process is generated.

6. Resistor arrangement according to claim 1 to 5, characterized in that that the fixed resistor (rom) is used to generate a reference voltage and that on the desired voltage in the parallel-connected resistor network (R1, R2) Voltage divider circuit is tapped.

7. Resistor arrangement according to claim 6, characterized in that one branch resistance (R2) of the voltage divider is tetradic and the other branch resistance (R1) is subdivided according to a geometric series.

8. resistor arrangement according to claim 7, characterized in that A non-bridged series resistor (R2V) is provided within the voltage divider is.