電阻器的種類和特性

電阻器的種類和特性

問：我想了解現(xiàn)有電阻器各種類型之間的差別以及在具體應(yīng)用中如何選擇合適的電阻器?

答：好，讓我首先介紹一下實(shí)驗(yàn)室中常用的分立電阻器或軸向引線電阻器，然而再對(duì)分立電阻器與薄膜或厚薄電阻網(wǎng)絡(luò)從價(jià)格和性能方面進(jìn)行比較。軸向引線(Axial Lead)電阻器的類型：軸向引線電阻器
最常用的類型有三種：合成碳膜電阻器或碳膜電阻器、金屬膜電阻器和線繞電阻器。
·合成碳膜電阻器或碳膜電阻器(統(tǒng)稱碳質(zhì)電阻器)用于初始精度和隨溫度變化的穩(wěn)定性認(rèn)為不重要的普通電路。典型應(yīng)用包括晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管偏置電路中集電極或發(fā)射極的負(fù)載電阻，充電電容器的放電電阻以及數(shù)字邏輯電路中的上拉電阻或下拉電阻。碳質(zhì)電阻器按照準(zhǔn)對(duì)數(shù)序列規(guī)定一系列標(biāo)準(zhǔn)電阻值(見表1)，阻值范圍從1Ω到22MΩ，允許偏差從2%(碳膜電阻器)到5%，甚至高達(dá)20%(合成碳膜電阻器)。額定功率范圍從1/8W到2W，其中功率為1/4W和1/2W，允許偏差為5%和10%的電阻器用得最多。

碳質(zhì)電阻器的溫度系數(shù)很差(典型值為 5，000ppm/°C )。所以當(dāng)溫度變化時(shí)要求阻值幾乎不變的精密應(yīng)用場(chǎng)合，不適合選用這種電阻器，但它們的價(jià)格很便宜，1000只碳質(zhì)電阻器僅3美分(USD0?03)。表1例出的是允許偏差為2%和5%，阻值間隔為10%，10倍阻值范圍碳質(zhì)電阻器標(biāo)準(zhǔn)阻值。表1中用細(xì)體字表示的系列阻值的允許偏差僅為10%或20%，間隔為20%［表1中的阻值計(jì)算公式，X=1NT(10×2410n，n=0,1,2,…24，其中INT表示取整運(yùn)算。表1中細(xì)體字阻值計(jì)算公式,X=INT(10×１２10n)，n=0,1,2,…12——譯者注］。
碳質(zhì)電阻器還可使用色碼表示電阻器的阻值和允許偏差(見圖1和表2)：表1 10倍阻值范圍碳質(zhì)電阻器標(biāo)準(zhǔn)阻值
1016274368
1118304775
1220335182
13223656
91
15243962100

表2 碳質(zhì)電阻器的色碼含義
數(shù)字顏色倍乘數(shù)零的個(gè)數(shù)允許偏差
-銀0?01-210%
-金0?10-15%
0黑10-
1棕101-
2紅10022%
3橙1k3-
4黃10k4-
5綠100k5-
6籃M6-
7紫10M7-
8灰---
9白---
-無色--20%

·金屬膜電阻器適合用于要求高初始精度、低溫度系數(shù)和低噪聲的精密應(yīng)用場(chǎng)合。金屬膜電阻器通常用真空鍍膜或陰極濺射工藝，將作為電阻材料的某種金屬或合金(例如鎳鉻合金、氧化錫或氮化鉭)淀積在絕緣基體(例如模制酚醛塑料)表面形成薄膜電阻體構(gòu)成的電阻器。金屬膜電阻器典型應(yīng)用包括電橋電路、RC振蕩器和有源濾波器。金屬膜電阻器的初始精度范圍為0?1%~1?0%，溫度系數(shù)范圍為10~100ppm/°C。阻值范圍為10?0Ω~301kΩ，阻值間隔為2%，最大允許偏差為0?5%和1%的金屬膜電阻器標(biāo)準(zhǔn)阻值如表3所示［表3中阻值的計(jì)算公式為,X=INT(10116n)，n=0,1,2,…116——譯者注］。

表3 金屬膜電阻器標(biāo)準(zhǔn)阻值
1?001?291?682?172?813?644?706?087?87
1?021?321?712?222?873?714?806?218?03
1?041?351?742?262?923?784?896?338?19
1?061?371?782?312?983?864?996?468?35
1?081?401?822?353?043?945?096?598?52
1?101?431?852?403?104?015?196?728?69
1?131?461?892?453?174?095?306?858?86
1?151?491?932?503?234?185?406?999?04
1?171?521?962?553?294?265?517?139?22
1?201?552?002?603?364?345?627?279?41
1?221?582?042?653?434?435?737?429?59
1?241?612?092?703?494?525?857?569?79
1?271?642?132?763?564?615?967?729?98
金屬膜電阻器用4位數(shù)字表示阻值(數(shù)值表示法見圖2)，取代碳質(zhì)電阻器采用的色碼表示法。·線繞電阻器非常精密并且穩(wěn)定(0?05%，＜10ppm/°C)，用于要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合，例如調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和精密衰減電路。典型阻值范圍為0?1Ω~1?2MΩ。高頻效應(yīng)：與“理想”的電阻器不同，“實(shí)際”的電阻器像實(shí)際的電容器一樣也遭受寄生作用。實(shí)際上任何兩

模擬器件天地 1998年第9期

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端元件，根據(jù)工作頻率都可看作一個(gè)電阻器、電容器、電感器或阻尼振蕩電路，如圖3所示。

圖3 “實(shí)際”電阻器模型

像電阻器的基體材料、長度與截面比這些因素決定電阻器附加的寄生電感和寄生電容，從而影響電阻器的高頻等效直流阻抗的穩(wěn)定性。薄膜電阻器通常具有優(yōu)良的高頻響應(yīng)。在100MHz左右，仍能保持其精度。碳質(zhì)電阻器只能用于1MHz左右。線繞電阻器的感抗最高，所以頻率響應(yīng)最差。即使是無電感的線繞電阻器(順時(shí)針方向繞的線圈數(shù)等于逆時(shí)針方向繞的線圈數(shù)，由于工藝仍然存在失配和剩余電感——譯者注)，也具有很高的容抗，當(dāng)工作頻率達(dá)50kHz以上，幾乎不穩(wěn)定。

問：溫度效應(yīng)對(duì)電阻器影響如何?我是否總使用溫度系數(shù)(TC)最低的電阻器?
答：沒有必要，主要根據(jù)應(yīng)用情況而定。圖4示出的是用來測(cè)量環(huán)路電流的電阻器，待測(cè)電流在該電阻兩端產(chǎn)生的電壓等于I×R。在這個(gè)應(yīng)用中，在任一溫度下電阻值的絕對(duì)精度對(duì)測(cè)量該電流的精度至關(guān)重要，所以應(yīng)該使用溫度系數(shù)很低的電阻器。

圖4 測(cè)量環(huán)路電流的電阻器

與上述應(yīng)用實(shí)例不同，圖5示出的是增益為100的運(yùn)算放大器電路中增益設(shè)置電阻器的作用。在增益精度取決于兩個(gè)電阻值的比率(比率配置)這類應(yīng)用中，電阻值的匹配和溫度系數(shù)(TC)的跟蹤程度比絕對(duì)精度更重要。下面通過兩個(gè)實(shí)例來說明這一點(diǎn)。

圖5 同相放大電路中的增益設(shè)置電阻

1?假設(shè)兩個(gè)電阻器RI和RF的實(shí)際溫度系數(shù)(TC)都為100ppm/°C(即0?01%/°C)。當(dāng)溫度變化ΔT時(shí)，對(duì)應(yīng)的電阻值為R=R0(1+TCΔT)
當(dāng)溫度上升10°C時(shí)，RF和RI的阻值都增加0?01%/°C×10°C=0?1%，運(yùn)算放大器的增益公式(非常近似)為1+RF/RI。雖然這兩個(gè)電阻器的阻值相差很大(99∶1)，但它們按相同的百分比(比率)增加，所以該電路的增益不變。這個(gè)例子說明該電路的精度僅僅取決于兩個(gè)電阻值的比率，而與它們的絕對(duì)值無關(guān)。
2?假設(shè)RI的溫度系數(shù)為100ppm/°C，而RF的溫度系數(shù)僅為75ppm/°C。當(dāng)溫度變化10°C時(shí)，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為 1?00075RF/1?001RI=0?99975RF/RI。 這表明，當(dāng)環(huán)境溫度變化10°C，放大器電路增益下降0?025%(相當(dāng)于12位分辨率系統(tǒng)的1LSB)。
人們通常不了解的另一個(gè)參數(shù)是電阻器的自熱效應(yīng)(self?heating effect)。
問：什么是自熱效應(yīng)：
答：指由自身的熱量造成電阻值的改變，因?yàn)楫?dāng)電阻器功耗增加時(shí)必然引起電阻器自身溫度的增加。大多數(shù)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說明都給出“熱阻”或“熱降”這項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，用攝氏度符每瓦(°C/W)單位表示(熱阻定義為電阻器的有效溫度與外部規(guī)定參考點(diǎn)的溫度之差除以器件的穩(wěn)態(tài)散耗功率所得的商——譯者注)。對(duì)于 1/4W 典型尺寸的電阻器，其熱阻大約為125°C/W。讓我們以上述滿度輸入運(yùn)算放大器為例說明熱阻的應(yīng)用。RI的功耗為E2/R=(100mV)2/100Ω=100μW，它引起的溫度變化為100μW×１２５°C/W=0?0125°C，引起的電阻變化為0?01%/°C×0?0125°C=0?00012%≈1ppm，所以可忽略不計(jì)。RF的功耗為E2/R=(9?9V)2/9900Ω=0?0099W，它引起的溫度變化為0?0099W×１２５°C/W=1?24°C，由此引起的電阻變化為0?01%/°C×1?24°C=0?0124%，所以它直接引起增益變化0?012%。熱電偶效應(yīng)：線繞電阻器還存在其它問題。電阻器的繞線和電阻器的引線之間的連接點(diǎn)構(gòu)成一種熱電偶，普通的線繞電阻器由標(biāo)準(zhǔn)180合金?鎳鉻合金連接點(diǎn)產(chǎn)生的熱電勢(shì)為42μV/°C。如果選用價(jià)格比較貴的電阻器，由銅?鎳合金連接點(diǎn)產(chǎn)生的熱電勢(shì)為2?5μV/°C。用作標(biāo)準(zhǔn)電阻引線的180合金由77%銅和23%鎳組成。這種熱電偶效應(yīng)在交流應(yīng)用中并不重要，因?yàn)樵谙嗤瑴囟认?，電阻器兩端的熱電?shì)可以相互抵消。但是如果由于電阻器的功耗或者由于電阻器的一端靠近熱源致使電阻器的一端溫度比另一端高，從而造成凈熱電勢(shì)產(chǎn)生的直流誤差電壓進(jìn)入電路。對(duì)于普通的線繞電阻器，溫度只要差4°C，就會(huì)產(chǎn)生168μV的直流誤差電壓。對(duì)于滿度10V 16位分辨率系統(tǒng)，這個(gè)數(shù)值大于1LSB。

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在安裝線繞電阻器時(shí)設(shè)法使兩引線端溫差最小可以克服上述問題。具體做法可以使電阻器的兩條引線長度相等，使通過它們的熱導(dǎo)性均衡，也可以使任何氣流(不論是強(qiáng)制或自然對(duì)流)與電阻體相垂直(見圖6)，或者注意使電阻器的引線兩端相對(duì)印制電路板上的任一熱源保持相等的等效熱距離(即接受熱流相等的距離)。

問：薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)與厚膜電阻網(wǎng)絡(luò)之間有何差異?電阻器網(wǎng)絡(luò)與分立電阻器相比有何優(yōu)缺點(diǎn)?
答：除了幾乎不用考慮實(shí)際情況的明顯優(yōu)點(diǎn)以外，電阻器網(wǎng)絡(luò)，不論是作為獨(dú)立的整體還是作為單片IC的一部分，經(jīng)過激光修整后還具有精度
高、溫度系數(shù)匹配緊密和溫度特性跟蹤好等優(yōu)點(diǎn)。分立電阻網(wǎng)絡(luò)通常用于精密衰減器和增益設(shè)置電路。薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)還可用于單片集成電路和混合電路儀表放大器，以及使用R?2R梯形網(wǎng)絡(luò)的CMOS數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。厚膜電阻器是一種價(jià)格最低的電阻器，匹配程度中等(＜0?1%)，但溫度系數(shù)(＞100ppm/°C)和跟蹤性能(＞10ppm/°C)很差。厚膜電阻器是采用絲網(wǎng)印刷或電
表4 厚膜與薄膜電阻器網(wǎng)絡(luò)性能比較

類 型優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)

厚 膜低價(jià)格大功率可用激光修整容易制作匹配中等(0?1%)TC差(＞100ppm/°CTC跟蹤差(10ppm/°C)玻璃薄膜匹配好(＜0?01%)TC好(＜100ppm/°C)TC跟蹤好(2ppm/°C)價(jià)格適中可用激光修整低電容 易損壞 體積大 功率低陶瓷薄膜匹配好(＜0?01%)TC好(＜100ppm/°C)TC跟蹤好(2ppm/°C)價(jià)格適中可用激光修整低電容適合混合IC基片 體積大硅 薄 膜匹配好(＜0?01%)TC好(＜100ppm/°C)TC跟蹤好(2ppm/°C)價(jià)格適中可用激光修整低電容適合混合IC基片鍍工藝將電阻性材料淀積在絕緣基體(例如玻璃或陶瓷)上形成的。薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)的價(jià)格適中，而且具有優(yōu)良的匹配性能(0?01%)，以及優(yōu)良的溫度系數(shù)(＜100ppm/°C)和跟蹤性能(＜10ppm/°C)。這些性能都可用激光調(diào)整。薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)是采用汽相淀積法制造的。表4比較了厚膜電阻網(wǎng)絡(luò)與幾種典型的薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點(diǎn)。表5比較了不同基體材料的優(yōu)缺點(diǎn)。

表5 不同基體材料比較

基 體優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)

玻 璃低電容易損壞低功率體積大陶 瓷低電容適合于混合IC基片體積大硅 適合于單片IC基片低功率對(duì)基體形成電容藍(lán)寶石低電容低功率較高價(jià)格在圖7所示的集成儀表放大器電路中，電阻器R1與R′1，R2與R′2，R3與R′3之間嚴(yán)格匹配以保證很高的共模抑制比(高達(dá)120dB，dc~60Hz)。雖然使用分立運(yùn)放和分立電阻器也可能達(dá)到較高的共模抑制比，但匹配電阻器工作量大不合乎匹量生產(chǎn)的要求。

圖7 集成儀表放大器中的匹配電阻

在CMOS數(shù)模轉(zhuǎn)換中采用的R?2R梯形電阻網(wǎng)路(包括反饋電阻)，要求匹配性能好(而不是絕對(duì)精度高)也是很重要的。為了達(dá)到n位精度，電阻器的匹配性能必須小于1/2n，通過激光修整很容易達(dá)到這一點(diǎn)。然而絕對(duì)精度誤差允許大到20%。圖8示出的是CMOS數(shù)模轉(zhuǎn)換器中所使用的典型R?2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)。
圖8 CMOS數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的R?2R梯形電阻網(wǎng)路

珠海工商行 任堅(jiān) 譯，高工 校
譯自Analog Dialogue,31?1(1997)。