电阻器的种类及其特性.doc

1、20 电阻器的种类及其特性Steve Guinta问：我想了解现有电阻器各种类型之间的差别以及在具体应用中如何选择合适的电阻器?答：好，让我首先介绍一下实验室中常用的分立电阻器或轴向引线电阻器，然而再对分立电阻器与薄膜或厚薄电阻网络从价格和性能方面进行比较。轴向引线(Axial Lead)电阻器的类型：轴向引线电阻器最常用的类型有三种：合成碳膜电阻器或碳膜电阻器、金属膜电阻器和线绕电阻器。合成碳膜电阻器或碳膜电阻器(统称碳质电阻器) 用于初始精度和随温度变化的稳定性认为不重要的普通电路。典型应用包括晶体管或场效应管偏置电路中集电极或发射极的负载电阻，充电电容器的放电电阻以及数字逻辑电路中的上拉

2、电阻或下拉电阻。碳质电阻器按照准对数序列规定一系列标准电阻值(见表 1)，阻值范围从 1 到 22M，允许偏差从 2%(碳膜电阻器)到 5%，甚至高达 20%(合成碳膜电阻器 )。额定功率范围从 1/8W 到2W，其中功率为 1/4W 和 1/2W，允许偏差为 5%和 10%的电阻器用得最多。碳质电阻器的温度系数很差(典型值为 5，000ppm/C ) 。所以当温度变化时要求阻值几乎不变的精密应用场合，不适合选用这种电阻器，但它们的价格很便宜，1000 只碳质电阻器仅 3 美分(USD0 03)。表 1 例出的是允许偏差为 2%和 5%，阻值间隔为 10%，10 倍阻值范围碳质电阻器标准阻值。

3、表1 中用细体字表示的系列阻值的允许偏差仅为 10%或 20%，间隔为 20%表 1 中的阻值计算公式，X=1NT(102410n，n=0,1,2,24，其中 INT表示取整运算。表 1 中细体字阻值计算公式,X=INT(1010n)，n=0,1,2,12译者注 。碳质电阻器还可使用色码表示电阻器的阻值和允许偏差(见图 1 和表 2)：表 1 10 倍阻值范围碳质电阻器标准阻值101627436811183047751220335182132236569115243962100表 2 碳质电阻器的色码含义数字颜色倍乘数零的个数允许偏差-银 0 01-210%-金 0 10-15%0 黑 10-

4、1 棕 101-2 红 10022%3 橙 1k3-4 黄 10k4-5 绿 100k5-6 篮 M6-7 紫 10M7-8 灰-9 白-无色-20%金属膜电阻器适合用于要求高初始精度、低温度系数和低噪声的精密应用场合。金属膜电阻器通常用真空镀膜或阴极溅射工艺，将作为电阻材料的某种金属或合金(例如镍铬合金、氧化锡或氮化钽)淀积在绝缘基体 (例如模制酚醛塑料)表面形成薄膜电阻体构成的电阻器。金属膜电阻器典型应用包括电桥电路、RC 振荡器和有源滤波器。金属膜电阻器的初始精度范围为 0 1%1 0%，温度系数范围为 10100ppm/C。阻值范围为 10 0301k，阻值间隔为 2%，最大允许偏差为

5、 0 5%和 1%的金属膜电阻器标准阻值如表 3 所示表 3 中阻值的计算公式为,X=INT(10116n)，n=0,1,2,116译者注 。表 3 金属膜电阻器标准阻值1 001 291 682 172 813 644 706 087 871 021 321 712 222 873 714 806 218 031 041 351 742 262 923 784 896 338 191 061 371 782 312 983 864 996 468 351 081 401 822 353 043 945 096 598 521 101 431 852 403 104 015 196 728 6

6、91 131 461 892 453 174 095 306 858 861 151 491 932 503 234 185 406 999 041 171 521 962 553 294 265 517 139 221 201 552 002 603 364 345 627 279 411 221 582 042 653 434 435 737 429 591 241 612 092 703 494 525 857 569 791 271 642 132 763 564 615 967 729 98金属膜电阻器用 4 位数字表示阻值(数值表示法见图 2)，取代碳质电阻器采用的色码表示法。线绕

7、电阻器非常精密并且稳定(0 05%，10ppm/C) ，用于要求苛刻的应用场合，例如调谐网络和精密衰减电路。典型阻值范围为 0 11 2M。高频效应：与“理想”的电阻器不同， “实际”的电阻器像实际的电容器一样也遭受寄生作用。实际上任何两模拟器件天地 1998 年第 9 期模拟器件天地 1998 年第 9 期端元件，根据工作频率都可看作一个电阻器、电容器、电感器或阻尼振荡电路，如图3 所示。图 3 “实际”电阻器模型像电阻器的基体材料、长度与截面比这些因素决定电阻器附加的寄生电感和寄生电容，从而影响电阻器的高频等效直流阻抗的稳定性。薄膜电阻器通常具有优良的高频响应。在100MHz 左右，仍能保

8、持其精度。碳质电阻器只能用于 1MHz 左右。线绕电阻器的感抗最高，所以频率响应最差。即使是无电感的线绕电阻器(顺时针方向绕的线圈数等于逆时针方向绕的线圈数，由于工艺仍然存在失配和剩余电感译者注)，也具有很高的容抗，当工作频率达 50kHz 以上，几乎不稳定。问：温度效应对电阻器影响如何?我是否总使用温度系数(TC)最低的电阻器?答：没有必要，主要根据应用情况而定。图 4 示出的是用来测量环路电流的电阻器，待测电流在该电阻两端产生的电压等于 IR。在这个应用中，在任一温度下电阻值的绝对精度对测量该电流的精度至关重要，所以应该使用温度系数很低的电阻器。图 4 测量环路电流的电阻器与上述应用实例不

9、同，图 5 示出的是增益为 100 的运算放大器电路中增益设置电阻器的作用。在增益精度取决于两个电阻值的比率(比率配置) 这类应用中，电阻值的匹配和温度系数(TC)的跟踪程度比绝对精度更重要。下面通过两个实例来说明这一点。图 5 同相放大电路中的增益设置电阻1 假设两个电阻器 RI 和 RF 的实际温度系数(TC)都为 100ppm/C(即 0 01%/C)。当温度变化 T 时，对应的电阻值为 R=R0(1+TCT)当温度上升 10C 时，RF 和 RI 的阻值都增加 0 01%/C10C=0 1%，运算放大器的增益公式(非常近似)为 1+RF/RI。虽然这两个电阻器的阻值相差很大(991)，

10、但它们按相同的百分比(比率)增加，所以该电路的增益不变。这个例子说明该电路的精度仅仅取决于两个电阻值的比率，而与它们的绝对值无关。2 假设 RI 的温度系数为 100ppm/C，而 RF 的温度系数仅为 75ppm/C。当温度变化 10C 时，阻值 RI 增加 0 1%，是初始值的 1 001 倍，而 RF 增加 0 075%是初始值的1 00075倍。由此得到新的增益值为 1 00075RF/1 001RI=0 99975RF/RI。 这表明，当环境温度变化 10C，放大器电路增益下降 0 025%(相当于 12 位分辨率系统的1LSB)。人们通常不了解的另一个参数是电阻器的自热效应(sel

11、f heating effect)。问：什么是自热效应：答：指由自身的热量造成电阻值的改变，因为当电阻器功耗增加时必然引起电阻器自身温度的增加。大多数生产厂家的产品说明都给出“热阻”或“热降”这项技术指标，用摄氏度符每瓦(C/W)单位表示( 热阻定义为电阻器的有效温度与外部规定参考点的温度之差除以器件的稳态散耗功率所得的商译者注)。对于 1/4W 典型尺寸的电阻器，其热阻大约为 125C/W。让我们以上述满度输入运算放大器为例说明热阻的应用。RI 的功耗为 E2/R=(100mV)2/100=100W ，它引起的温度变化为 100WC/W=0 0125C，引起的电阻变化为 0 01%/C0 0

12、125C=0 00012%1ppm，所以可忽略不计。RF 的功耗为 E2/R=(9 9V)2/9900=0 0099W，它引起的温度变化为 0 0099WC/W=1 24C，由此引起的电阻变化为 0 01%/C1 24C=0 0124%，所以它直接引起增益变化 0 012%。热电偶效应：线绕电阻器还存在其它问题。电阻器的绕线和电阻器的引线之间的连接点构成一种热电偶，普通的线绕电阻器由标准 180 合金 镍铬合金连接点产生的热电势为 42V/C 。如果选用价格比较贵的电阻器，由铜 镍合金连接点产生的热电势为 2 5V/C。用作标准电阻引线的 180 合金由 77%铜和 23%镍组成。这种热电偶效

13、应在交流应用中并不重要，因为在相同温度下，电阻器两端的热电势可以相互抵消。但是如果由于电阻器的功耗或者由于电阻器的一端靠近热源致使电阻器的一端温度比另一端高，从而造成净热电势产生的直流误差电压进入电路。对于普通的线绕电阻器，温度只要差 4C，就会产生 168V 的直流误差电压。对于满度 10V 16 位分辨率系统，这个数值大于 1LSB。模拟器件天地 1998 年第 9 期模拟器件天地 1998 年第 9 期在安装线绕电阻器时设法使两引线端温差最小可以克服上述问题。具体做法可以使电阻器的两条引线长度相等，使通过它们的热导性均衡，也可以使任何气流(不论是强制或自然对流)与电阻体相垂直(见图 6)

14、，或者注意使电阻器的引线两端相对印制电路板上的任一热源保持相等的等效热距离(即接受热流相等的距离 )。问：薄膜电阻网络与厚膜电阻网络之间有何差异?电阻器网络与分立电阻器相比有何优缺点?答：除了几乎不用考虑实际情况的明显优点以外，电阻器网络，不论是作为独立的整体还是作为单片 IC 的一部分，经过激光修整后还具有精度高、温度系数匹配紧密和温度特性跟踪好等优点。分立电阻网络通常用于精密衰减器和增益设置电路。薄膜电阻网络还可用于单片集成电路和混合电路仪表放大器，以及使用 R 2R梯形网络的 CMOS 数模转换器和模数转换器。厚膜电阻器是一种价格最低的电阻器，匹配程度中等(0 1%)，但温度系数(100

15、ppm/C)和跟踪性能(10ppm/C)很差。厚膜电阻器是采用丝网印刷或电表 4 厚膜与薄膜电阻器网络性能比较类 型优 点缺 点厚 膜低价格大功率可用激光修整容易制作匹配中等(0 1%)TC 差(100ppm/CTC 跟踪差(10ppm/C) 玻璃薄膜匹配好(0 01%)TC 好(100ppm/C)TC 跟踪好(2ppm/C)价格适中可用激光修整低电容 易损坏 体积大 功率低陶瓷薄膜匹配好(0 01%)TC 好(100ppm/C)TC 跟踪好(2ppm/C)价格适中可用激光修整低电容适合混合 IC 基片 体积大硅 薄 膜匹配好(0 01%)TC 好(100ppm/C)TC 跟踪好 (2ppm/

16、C)价格适中可用激光修整低电容适合混合 IC 基片镀工艺将电阻性材料淀积在绝缘基体(例如玻璃或陶瓷) 上形成的。薄膜电阻网络的价格适中，而且具有优良的匹配性能(0 01%)，以及优良的温度系数(100ppm/C)和跟踪性能(10ppm/C)。这些性能都可用激光调整。薄膜电阻网络是采用汽相淀积法制造的。表 4 比较了厚膜电阻网络与几种典型的薄膜电阻网络的优缺点。表 5 比较了不同基体材料的优缺点。表 5 不同基体材料比较基 体优 点缺 点玻 璃低电容易损坏低功率体积大陶 瓷低电容适合于混合 IC 基片体积大硅 适合于单片 IC 基片低功率对基体形成电容蓝宝石低电容低功率较高价格在图 7 所示的集

17、成仪表放大器电路中，电阻器 R1 与 R 1，R2 与 R2，R3 与 R3之间严格匹配以保证很高的共模抑制比(高达 120dB，dc60Hz)。虽然使用分立运放和分立电阻器也可能达到较高的共模抑制比，但匹配电阻器工作量大不合乎匹量生产的要求。图 7 集成仪表放大器中的匹配电阻在 CMOS 数模转换中采用的 R 2R 梯形电阻网路(包括反馈电阻) ，要求匹配性能好(而不是绝对精度高)也是很重要的。为了达到 n 位精度，电阻器的匹配性能必须小于 1/2n，通过激光修整很容易达到这一点。然而绝对精度误差允许大到 20%。图 8 示出的是 CMOS 数模转换器中所使用的典型 R 2R 梯形电阻网络。图 8 CMOS 数模转换器中的 R 2R 梯形电阻网路