高分辨率數(shù)字系統(tǒng)中的電阻器

作者：Ove Hach， Vishay BCcomponents Beyschlag GmbH

近幾十年來(lái)，數(shù)字化的不斷進(jìn)步深刻地改變了我們的生活。我們?nèi)粘Ｉ畹拿總€(gè)領(lǐng)域都離不開(kāi)數(shù)字電路。功能越來(lái)越強(qiáng)大的微控制器使得將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為高分辨率數(shù)字信號(hào)成為可能。在選擇上游測(cè)量放大器的電阻時(shí)需要考慮哪些因素？為了使模擬電路適合數(shù)字電路，有哪些可能避免的錯(cuò)誤？

在大多數(shù)情況下，模擬信號(hào)由阻抗比決定。如果硬件開(kāi)發(fā)人員能夠了解長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的精密模擬電子電路的好處，他們就可以利用數(shù)字系統(tǒng)的完整分辨率。本文將重點(diǎn)討論線性固定電阻器的阻抗。

數(shù)字交流/直流轉(zhuǎn)換

數(shù)字化是將數(shù)值空間和時(shí)間空間中連續(xù)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)值空間和時(shí)間空間中離散的信號(hào)。

表1

說(shuō)明：A/D轉(zhuǎn)換器最重要的參數(shù)及其對(duì)應(yīng)值

A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率會(huì)具有另外的作用。其他基本條件（例如Kotelnikov和Shannon的采樣定理、混疊濾波器或各種類型的A/D轉(zhuǎn)換器）不在本文討論范圍之內(nèi)。

模擬信號(hào)處理

在測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，信息并不能始終用作數(shù)字或頻率信號(hào)。信號(hào)幅度必須使用分壓器降低到適合A/D轉(zhuǎn)換器的水平，或者使用放大器而提高。分壓器的比例因子或運(yùn)算放大器的增益因子取決于兩個(gè)電阻的相對(duì)性能。這意味著只要兩個(gè)電阻的性能同樣好或同樣差，兩個(gè)電阻的比率就始終相同，因此，電路與電阻的屬性無(wú)關(guān)。然而，電阻器的屬性永遠(yuǎn)不會(huì)相同，這意味著兩個(gè)電阻器的比率會(huì)發(fā)生變化。該比率隨環(huán)境溫度、功耗和不同薄膜溫度下的老化而變化。

TCR跟蹤的影響

本例采用分壓器研究環(huán)境溫度對(duì)各種溫度系數(shù)的影響。形成完整的差分會(huì)產(chǎn)生一個(gè)近似方程式，而該方程式可以估算由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化對(duì)于比例因子產(chǎn)生的影響。

方程式1

假定A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率對(duì)應(yīng)于允許的誤差，并且兩個(gè)電阻器都經(jīng)歷相同的溫度變化，則根據(jù)所要求的TCR跟蹤，通過(guò)置換而得到以下近似方程式。

方程式2

在電子表格程序中，兩個(gè)電阻器的必要TCR跟蹤可以根據(jù)彼此數(shù)據(jù)相互估算，作為分壓器所需精度和所用溫度范圍的函數(shù)。

對(duì)于緊鄰參考溫度范圍內(nèi)運(yùn)行的應(yīng)用，如音頻，必要的TCR跟蹤表明溫度系數(shù)之間允許存在相應(yīng)的較大偏差。然而，如果對(duì)精度的要求很嚴(yán)格，則建議在溫度波動(dòng)約10 K時(shí)使用高級(jí)薄膜電阻器。

表2

說(shuō)明：顏色表示電阻器從厚膜電阻、薄膜電阻向箔電阻發(fā)展的技術(shù)建議

薄膜芯片排阻器

電路中的電阻會(huì)受到環(huán)境溫度和功耗的影響。在此類應(yīng)用中，電阻值根據(jù)溫度應(yīng)力和所使用的電阻材料而以不同的速率變大或變小。如果電阻因溫度差異而出現(xiàn)不同程度的老化，分壓器的比例因子將在使用壽命內(nèi)變化。為了最大程度地降低質(zhì)量維護(hù)和校準(zhǔn)成本，對(duì)于精密測(cè)量工程，必須考慮具有相同溫度系數(shù)和容差對(duì)的電阻器。如果將所需的電阻器設(shè)計(jì)在一個(gè)基板上，則所有電阻器均由溫度系數(shù)幾乎相同的同一電阻材料制成。由于在相同的基板上，電阻器在使用期間要承受相同的溫度。結(jié)果，老化效應(yīng)的速率和幅度實(shí)際上也相同。

下圖顯示了用于芯片排阻器的陶瓷基板。每個(gè)單獨(dú)的芯片排阻器上至少存在兩個(gè)具有相同屬性的電阻器。此例中采用一個(gè)具有四個(gè)單獨(dú)電阻值的排阻器。

圖1

說(shuō)明：芯片排阻器的陶瓷基板

溫度對(duì)電阻器性能的影響幾乎毫無(wú)關(guān)聯(lián)，因?yàn)樾酒抛杵饔上嗤碾娮璨牧现瞥?，并且由于共同的TCR退火工藝，它們的溫度系數(shù)曲線幾乎相同。如果施加在芯片排阻器上的應(yīng)力不同，則溫度較高的電阻器會(huì)將承受較小應(yīng)力的電阻器升高到幾乎相同的溫度。在測(cè)量溫度時(shí)，滿負(fù)荷電阻與無(wú)負(fù)荷的電阻之間僅測(cè)得約3 K的溫差（見(jiàn)圖2）。

圖2

有了這些結(jié)果，各個(gè)電阻器的值變化可以使用漂移方程來(lái)估算，而且可以確定每個(gè)電阻器的相對(duì)偏移變化。下圖3顯示，在8位A/D轉(zhuǎn)換器中使用的分立式薄膜電阻器的漂移可以忽略不計(jì)，但對(duì)于10位轉(zhuǎn)換器，LSB僅在5000小時(shí)后出現(xiàn)誤差。 對(duì)于12位及更高位的轉(zhuǎn)換器，建議使用芯片排阻，因?yàn)榧词乖谶\(yùn)行的最初幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，分立式電阻的阻值變化仍會(huì)超過(guò)分辨率。

圖3

公差的影響

仍然需要指出的是，可根據(jù)要求為芯片排阻提供公差匹配。通過(guò)此功能，如果有必要，可以消除電子生產(chǎn)線末端的校準(zhǔn)步驟，從而提高SMD生產(chǎn)線的效率。

模擬電路的規(guī)則

用于高分辨率數(shù)字系統(tǒng)的模擬信號(hào)處理是一項(xiàng)有挑戰(zhàn)性的綜合任務(wù)。為了使工作能夠以更具結(jié)構(gòu)化的方式手動(dòng)進(jìn)行，以下是一些處理電阻器或開(kāi)發(fā)具有高數(shù)字分辨率的模擬電路的基本規(guī)則：

·勿將分壓器直接連接到A/D轉(zhuǎn)換器。要始終在二者之間連接阻抗轉(zhuǎn)換器

·如果使用的溫度偏離+20 °C的電阻器參考溫度，則注意TCR效應(yīng)

§電阻器的TCR不是線性的

§電阻器的TCR隨生產(chǎn)批次而不同

§一個(gè)包裝批次中可以有兩個(gè)生產(chǎn)批次

§使用樣品在實(shí)驗(yàn)室中可行的操作在第一批產(chǎn)品的生產(chǎn)中可能會(huì)出錯(cuò)

·為了最大程度地減小功耗對(duì)偏移量的影響，應(yīng)使用盡可能大的電阻

·在一個(gè)信號(hào)路徑中，將電阻器盡可能靠近放置，使它們溫度保持接近

§注意！注意絕緣坐標(biāo)

·注意熱效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）

§避免使用徑向布線的電阻；最好采用軸向設(shè)計(jì)

§僅將SMD電阻放置在與熱流平行的位置

§注意與電路板走線的熱關(guān)系相同

·使用盡可能長(zhǎng)期穩(wěn)定的電阻

§注意EN 60115-1中連續(xù)負(fù)荷條件下的漂移規(guī)格

§“典型”規(guī)格表示未經(jīng)統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證的平均值

·盡可能使用薄膜芯片排阻器，因?yàn)檫@些產(chǎn)品提供了TCR和偏移跟蹤或公差匹配

所有行業(yè)領(lǐng)域都使用檢測(cè)模擬信號(hào)并針對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行處理的方式。沒(méi)有一個(gè)電阻器系列可以滿足所有領(lǐng)域的要求。因此，Vishay推出了廣泛的產(chǎn)品組合。在初步選擇時(shí)需要提供支持的客戶以及有特殊問(wèn)題的客戶可以直接聯(lián)系適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品專家。

關(guān)于作者：

Ove Hach于1998年開(kāi)始擔(dān)任Vishay Intertechnology的應(yīng)用工程師，目前則擔(dān)任Vishay Draloric和Vishay Beyschlag電阻器品牌的產(chǎn)品營(yíng)銷高級(jí)經(jīng)理。Hach擁有基爾應(yīng)用科技大學(xué)的Dipl. -Ing. （FH） 學(xué)位，自2005年以來(lái)一直是DKE K663標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的成員。