Q.我想了解可用电阻器类型之间的差异,以及如何为特定应用选择合适的电阻器。
答:当然,让我们先谈谈我们在实验室中习惯使用的熟悉的“分立”或轴向引线型电阻器;然后,我们将比较分立器件和薄膜或厚膜网络的成本和性能权衡。
轴向引线类型: 我们将讨论的三种最常见的轴向引线电阻器类型是碳成分,或碳膜、金属膜和绕线:
碳成分或碳膜型电阻器用于通用电路,其中初始精度和稳定性随温度变化并不重要。典型应用包括用作集电极或发射极负载、晶体管/FET 偏置网络、充电电容器的放电路径以及数字逻辑电路中的上拉和/或下拉元件。
碳型电阻器按准对数顺序分配一系列标准值(表1),从1欧姆到22兆欧,公差从2%(碳膜)到5%到20%(碳成分)。额定功率耗散范围为 1/8 瓦至 2 瓦。1/4 瓦和 1/2 瓦、5% 和 10% 类型往往是最受欢迎的。
碳型电阻器的温度系数较差(通常为5, 000 ppm/°C);因此,它们不太适合需要很少电阻随温度变化的精密应用,但它们价格低廉——每件 3, 0 个数量只需 03 美分 [1.000 美元]。
表1列出了10%和1%容差的十进制(2:5范围)标准电阻值,间隔10%。光面中较小的子集表示唯一具有 10% 或 20% 公差的值;它们相距20%。
表 1.标准电阻值:2%、5% 和 10%
10 | 16 | 27 | 43 | 68 |
11 | 18 | 30 | 47 | 75 |
12 | 20 | 33 | 51 | 82 |
13 | 22 | 36 | 56 | 91 |
15 | 24 | 39 | 64 | 100 |
碳型电阻器使用颜色编码带来识别电阻器的欧姆值和容差:
表 2.碳型电阻器的颜色代码
数字 | 颜色 | 倍数 | # 个零 | 宽容 |
— |
银 | 0.01 |
–2 |
10% |
— |
金 | 0.10 |
–1 |
5% |
0 | 黑 | 1 | 0 |
— |
1 | 棕色 | 10 | 1 |
— |
2 | 红 | 100 | 2 | 2% |
3 | 橙 | 1k | 3 |
— |
4 | 黄色 | 10k | 4 |
— |
5 | 绿 | 100k | 5 |
— |
6 | 蓝 | 1米 | 6 |
— |
7 | 紫 | 10米 | 7 |
— |
8 | 灰色 |
— |
— |
— |
9 | 白 |
— |
— |
— |
— |
没有 |
— |
— |
20% |
金属膜电阻器适用于需要初始精度、低温度系数和低噪声的精密应用。金属膜电阻器通常由镍铬合金、氧化锡或氮化钽组成,采用密封或模制酚醛体。典型应用包括桥式电路、RC 振荡器和有源滤波器。初始精度范围为 0.1 至 1.0 %,温度系数范围为 10 至 100 ppm/°C。 标准值范围为 10.0 欧姆至 301 欧姆,离散增量为 2%(额定容差为 0.5% 和 1%)。
表 3.薄膜型电阻器的标准值
1.00 | 1.29 | 1.68 | 2.17 | 2.81 | 3.64 | 4.70 | 6.08 | 7.87 |
1.02 | 1.32 | 1.71 | 2.22 | 2.87 | 3.71 | 4.80 | 6.21 | 8.03 |
1.04 | 1.35 | 1.74 | 2.26 | 2.92 | 3.78 | 4.89 | 6.33 | 8.19 |
1.06 | 1.37 | 1.78 | 2.31 | 2.98 | 3.86 | 4.99 | 6.46 | 8.35 |
1.08 | 1.40 | 1.82 | 2.35 | 3.04 | 3.94 | 5.09 | 6.59 | 8.52 |
1.10 | 1.43 | 1.85 | 2.40 | 3.10 | 4.01 | 5.19 | 6.72 | 8.69 |
1.13 | 1.46 | 1.89 | 2.45 | 3.17 | 4.09 | 5.30 | 6.85 | 8.86 |
1.15 | 1.49 | 1.93 | 2.50 | 3.23 | 4.18 | 5.40 | 6.99 | 9.04 |
1.17 | 1.52 | 1.96 | 2.55 | 3.29 | 4.26 | 5.51 | 7.13 | 9.22 |
1.20 | 1.55 | 2.00 | 2.60 | 3.36 | 4.34 | 5.62 | 7.27 | 9.41 |
1.20 | 1.55 | 2.00 | 2.60 | 3.36 | 4.34 | 5.62 | 7.27 | 9.41 |
1.22 | 1.58 | 2.04 | 2.65 | 3.43 | 4.43 | 5.73 | 7.42 | 9.59 |
1.22 | 1.58 | 2.04 | 2.65 | 3.43 | 4.43 | 5.73 | 7.42 | 9.59 |
1.24 | 1.61 | 2.09 | 2.70 | 3.49 | 4.52 | 5.85 | 7.56 | 9.79 |
1.27 | 1.64 | 2.13 | 2.76 | 3.56 | 4.61 | 5.96 | 7.72 | 9.98 |
金属膜电阻器使用 4 位编号序列来标识电阻器值,而不是用于碳类型的色带方案:
线绕精密电阻器非常精确和稳定(0.05%,<10 ppm/°C);它们用于要求苛刻的应用,例如调谐网络和精密衰减器电路。典型电阻值为 0.1 欧姆至 1.2 莫姆。
高频效果:与“理想”电阻器不同,“真正的”电阻器,如真正的电容器(模拟对话30),受到寄生效应的影响。(实际上,任何两端元件可能看起来像电阻器、电容器、电感器或阻尼谐振电路,具体取决于测试频率。
电阻基材和长度与横截面积之比等因素决定了寄生L和C在多大程度上影响电阻器在高频下有效直流电阻的恒定性。薄膜型电阻器通常具有优异的高频响应;最好将其精度保持在 100 MHz 左右。 碳型的用法约为 1 MHz。 绕线电阻器具有最高的电感,因此频率响应最差。即使它们是无感绕的,它们也往往具有高电容,并且可能不适合在50 kHz以上使用。
Q.温度效应如何?我是否应该始终使用温度系数 (TCR) 最低的电阻器?
答:不一定。很大程度上取决于应用程序。对于此处所示的单个电阻器,在环路中测量电流,电流在电阻两端产生等于I x R的电压。在此应用中,任何温度下的电阻绝对精度对于电流测量的精度至关重要,因此将使用TC非常低的电阻。
另一个例子是增益为100 op放大器电路中增益设置电阻的行为,如下所示。在这种类型的应用中,增益精度取决于电阻比(比率配置)、电阻匹配和电阻温度系数(TCR)的跟踪,比绝对精度更为关键。
这里有几个例子可以说明这一点。
1. 假设两个电阻的实际 TC 为 100 ppm/°C(即 0.01%/°C)。温度变化后的电阻 ΔT 为
R = R0(1+ TC ΔT)
对于 10°C 的温升,两者RF和R我增加 0.01%/°C x 10°C = 0.1%。运算放大器增益[到非常好的近似值] 1 +RF/R我.由于两个电阻值虽然有很大不同(99:1),但增加了相同的百分比,因此它们的比率因此增益保持不变。请注意,增益精度仅取决于电阻比,与绝对值无关。
2. 假设R我TC 为 100 ppm/°C,但RF的TC仅为75 ppm/°C。 对于 10°C 的变化,R我增加 0.1% 至其初始值的 1.001 倍,并且RF增加 0.075% 至其初始值的 1.00075 倍。增益的新值是
(1.00075RF)/(1.001R我) = 0.99975RF/R我
当环境温度变化为10°C时,放大器电路的增益降低了0.025%(相当于1位系统中的12 LSB)。另一个不常被理解的参数是电阻中的自热效应。
问:那是什么?
A.自发热会导致电阻发生变化,因为当耗散功率增加时温度升高。大多数制造商的数据表将包括称为“热阻”或“热降额”的规格,以摄氏度/瓦特 (°C/W) 表示。对于典型尺寸的 1/4 W 电阻器,热阻约为 125°C/W。让我们将其应用于上述全量程输入运算放大器电路的示例:
R 耗散的功率我是
和2/R = (100 mV)2/100欧姆 = 100 μW,导致温度变化为 100 μW x 125°C/W = 0.0125°C,1ppm 电阻变化可以忽略不计 (0.00012%)。
R 耗散的功率F是
和2/R = (9.9 V)2/9900欧姆 = 9.9 mW,导致温度变化为 0.0099 W x 125°C/W = 1.24°C,电阻变化为 0.0124%,直接转化为 0.012% 的增益变化。
热电偶效应:绕线精密电阻器还有另一个问题。电阻线和电阻引线的连接处形成一个热电偶,对于普通绕线电阻器的标准“合金42”/镍铬合金结,其热电电动势为180μV/°C。如果选择具有[更昂贵的]铜/镍铬合金结的电阻,则值为2.5 μV/°C。 (“合金180”是77%铜和23%镍的标准成分铅合金。
这种热电偶效应在交流应用中并不重要,当电阻的两端处于相同温度时,它们会抵消;但是,如果一端比另一端温度高,无论是由于电阻器中的功率耗散,还是由于电阻器相对于热源的位置,净热电电动势都会在电路中引入错误的直流电压。使用普通绕线电阻时,仅4°C的温差将引入168 μV的直流误差,在1V/10位系统中大于16 LSB!
这个问题可以通过安装绕线电阻器来解决,以确保温差最小化。这可以通过保持两根引线的长度相等来实现,以均衡通过它们的热传导,确保任何气流(无论是强制还是自然对流)都垂直于电阻器主体,并注意电阻器的两端与印刷电路板上的任何热源保持相同的热距离(即接收相等的热流)。
Q.“薄膜”和“厚膜”网络之间有什么区别,使用电阻网络与分立器件相比有什么优点/缺点?
A.除了占用空间少的明显优势外,电阻网络(无论是作为独立实体还是单片IC的一部分)还具有通过激光调整、紧密TC匹配和良好温度跟踪实现高精度的优势。分立式网络的典型应用是精密衰减器和增益设置级。薄膜网络还用于单片(IC)和混合仪表放大器的设计,以及采用R2R梯形网络拓扑的CMOS D/A和A/D转换器。
厚膜电阻器是成本最低的类型,它们具有公平匹配(<0.1%),但TC性能较差(<100 ppm/°C)和漏电起痕(<10 ppm/°C)。它们是通过将电阻元件筛选或电镀到基板材料(例如玻璃或陶瓷)上来生产的。
薄膜网络价格适中,具有良好的匹配性(0.01%),以及良好的TC(<100 ppm/°C)和跟踪(<10 ppm/°C)。所有这些都是激光微调的。薄膜网络是使用气相沉积制造的。
表4比较了厚膜和几种类型的薄膜电阻网络的优缺点。表5比较了基板材料。
表 4.电阻网络
类型 |
优势 |
弊 |
厚膜 |
低成本 |
公平匹配 (0.1%) |
高功率 |
低热电偶 (>100 ppm/°C) |
|
可激光调整 |
跟踪 TC 差 |
|
随时可用 |
(10 页/°C) |
|
玻璃上的薄膜 |
良好的匹配性 (<0.01%) |
嫩 |
良好的热电偶 (<100 ppm/°C) |
通常几何形状较大 |
|
良好的漏电起痕 TC (2 ppm/°C) |
低功耗 |
|
成本适中 |
||
可激光调整 |
||
低电容 |
||
陶瓷薄膜 |
良好的匹配性 (<0.01%) |
通常几何形状较大 |
良好的热电偶 (<100 ppm/°C) |
||
良好的漏电起痕 TC (2 ppm/°C) |
||
成本适中 |
||
可激光调整 |
||
低电容 |
||
适用于混合IC基板 |
||
硅片上的薄膜 |
良好的匹配性 (<0.01%) |
|
良好的热电偶 (<100 ppm/°C) |
||
良好的漏电起痕 TC (2 ppm/°C) |
||
成本适中 |
||
可激光调整 |
||
低电容 |
||
适用于混合IC基板 |
表 5.基板材料
酶作用物 | 优势 | 弊 |
玻璃 |
低电容 |
嫩 |
低功耗 |
||
大几何形状 |
||
陶瓷 |
低电容 |
大几何形状 |
适用于混合IC基板 |
||
硅 |
适用于单片 |
低功耗 |
建设 |
基板电容 |
|
蓝宝石 |
低电容 |
低功耗 |
成本更高 |
在下面所示的IC仪表放大器示例中,电阻R1-R1'、R2-R2'、R3-R3'之间的紧密匹配可确保高共模抑制(高达120 dB,直流至60 Hz)。虽然使用分立运算放大器和电阻可以实现更高的共模抑制,但在生产环境中,匹配电阻元件的艰巨任务是不可取的。
匹配,而不是绝对精度,在CMOS D/A转换器中使用的R2R梯形网络(包括反馈电阻)中也很重要。为了实现n位性能,电阻必须匹配到1/2以内n,这可以通过激光修整轻松实现。然而,绝对精度误差可能高达±20%。这里显示的是CMOS数字模拟转换器中使用的典型R-2R梯形网络。
审核编辑:郭婷
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