電路中電阻的應用分析
發布時間:2012-11-08 責任編輯:rexliu
【導讀】電阻在電路中起限製電流或將電能轉變為熱能的作用,主要是作為一個限流元件來使用,另外還有分壓、分流和降壓的作用。本文對精密線繞電阻、薄膜電阻、厚膜電阻、金屬箔電阻進行詳細介紹。
電阻在電路中起限製電流或將電能轉變為熱能的作用,主要是作為一個限流元件來使用,另外還有分壓、分流和降壓的作用。
電阻按其製造工藝,可以分為精密線繞電阻、薄膜電阻、厚膜電阻、金屬箔電阻,各種電阻技術的優缺點如表1所示,表中給出了熱應力和機械應力對電阻電氣特性的影響。

表1: 不同類型電阻的特性
應力(無論機械應力還是熱應力)會造成電阻電氣參數改變。當形狀、長度、幾何結構、配置或模塊化結構受機械或其他方麵因素影響發生變化時,電氣參數也會發生變化,這種變化可用基本方程式來表示:R = ρ L/A,式中
R = 電阻值,以歐姆為單位,
ρ = 材料電阻率,以歐姆米為單位,
L = 電阻元件長度,以米為單位,
A = 電阻元件截麵積,以平方米為單位。
電(dian)流(liu)通(tong)過(guo)電(dian)阻(zu)元(yuan)件(jian)時(shi)產(chan)生(sheng)熱(re)量(liang),熱(re)反(fan)應(ying)會(hui)使(shi)器(qi)件(jian)的(de)每(mei)種(zhong)材(cai)料(liao)發(fa)生(sheng)膨(peng)脹(zhang)或(huo)收(shou)縮(suo)機(ji)械(xie)變(bian)化(hua)。環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)條(tiao)件(jian)也(ye)會(hui)產(chan)生(sheng)同(tong)樣(yang)的(de)結(jie)果(guo)。因(yin)此(ci),理(li)想(xiang)的(de)電(dian)阻(zu)元(yuan)件(jian)應(ying)能(neng)夠(gou)根(gen)據(ju)這(zhe)些(xie)自(zi)然(ran)現(xian)象(xiang)進(jin)行(xing)自(zi)我(wo)平(ping)衡(heng),在(zai)電(dian)阻(zu)加(jia)工(gong)過(guo)程(cheng)中(zhong)保(bao)持(chi)物(wu)理(li)一(yi)致(zhi)性(xing),使(shi)用(yong)過(guo)程(cheng)中(zhong)不(bu)必(bi)進(jin)行(xing)熱(re)效(xiao)應(ying)或(huo)應(ying)力(li)效(xiao)應(ying)補(bu)償(chang),從(cong)而(er)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)穩(wen)定(ding)性(xing)。
精密線繞電阻
線繞電阻一般分為“功率線繞電阻”和“精密線繞電阻”。功率線繞電阻使用過程中會發生很大變化,不適於精密度要求很高的情況下使用。因此,本討論不考慮這種電阻。
線繞電阻的製作方法一般是將絕緣電阻絲纏繞在特定直徑的線軸上。不同線徑、長度和合金材料可以達到所需電阻和初始特性。精密線繞電阻 ESD 穩定性更高,噪聲低於薄膜或厚膜電阻。線繞電阻還具有 TCR 低、穩定性高的特點。
線繞電阻初始誤差可以低至 ± 0.005 %。TCR (溫度每變化一攝氏度,電阻的變化量) 可以達到 3 ppm/°C典型值。不過,降低電阻值,線繞電阻一般在15 ppm/°C 到 25 ppm/°C。熱噪聲降低,TCR 在限定溫度範圍內可以達到 ± 2 ppm/°C 。
線繞電阻加工過程中,電阻絲內表麵 (靠近線軸一側) 收縮,而外表麵拉伸。這道工藝產生永久變形 — 相對於彈性變形或可逆變形,必須對電阻絲進行退火。永久性機械變化 (不可預測) 會造成電阻絲和電阻電氣參數任意變化。因此,電阻元件電性能參數存在很大的不確定性。
由(you)於(yu)線(xian)圈(quan)結(jie)構(gou),線(xian)繞(rao)電(dian)阻(zu)成(cheng)為(wei)電(dian)感(gan)器(qi),圈(quan)數(shu)附(fu)近(jin)會(hui)產(chan)生(sheng)線(xian)圈(quan)間(jian)電(dian)容(rong)。為(wei)提(ti)高(gao)使(shi)用(yong)中(zhong)的(de)響(xiang)應(ying)速(su)度(du),可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)特(te)殊(shu)工(gong)藝(yi)降(jiang)低(di)電(dian)感(gan)。不(bu)過(guo),這(zhe)會(hui)增(zeng)加(jia)成(cheng)本(ben),而(er)且(qie)降(jiang)低(di)電(dian)感(gan)的(de)效(xiao)果(guo)有(you)限(xian)。由(you)於(yu)設(she)計(ji)中(zhong)存(cun)在(zai)的(de)電(dian)感(gan)和(he)電(dian)容(rong),線(xian)繞(rao)電(dian)阻(zu)高(gao)頻(pin)特(te)性(xing)差(cha),特(te)別(bie)是(shi) 50 kHz 以上頻率。
兩個額定電阻值相同的線繞電阻,彼此之間很難保證特定溫度範圍內精確的一致性,電阻值不同,或尺寸不同時更為困難 (例如,滿足不同的功率要求)。這種難度會隨著電阻值差異的增加進一步加劇。以1-kΩ 電阻相對於100-kΩ 電阻為例,這種不一致性是由於直徑、長度,並有可能由於電阻絲使用的合金不同造成的。而且,電阻芯以及每英寸圈數也不同—機械特性對電氣特性的影響也不一 樣。由於不同的電阻值具有不同的熱機特性,因此它們的工作穩定性不一樣,設計的電阻比在設備生命周期中會發生很大變化。TCR 特性和比率對於高精度電路極為重要。
傳統線繞電阻加工方法不能消除纏繞、封裝、插cha入ru和he引yin線xian成cheng型xing工gong藝yi中zhong產chan生sheng的de各ge種zhong應ying力li。固gu定ding過guo程cheng中zhong,軸zhou向xiang引yin線xian往wang往wang采cai用yong拉la緊jin工gong藝yi,通tong過guo機ji械xie力li加jia壓ya封feng裝zhuang。這zhe兩liang種zhong方fang法fa會hui改gai變bian電dian阻zu,無wu論lun加jia電dian或huo不bu加jia電dian。從cong長chang期qi角jiao度du看kan,由you於yu電dian阻zu絲si調tiao整zheng為wei新xin的de形xing狀zhuang,線xian繞rao元yuan件jian會hui發fa生sheng物wu理li變bian化hua。
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薄膜電阻
薄膜電阻由陶瓷基片上厚度為 50 Å 至 250 Å 的金屬沉積層組成 (采用真空或濺射工藝)。薄膜電阻單位麵積阻值高於線繞電阻或 Bulk Metal® 金屬箔電阻,而且更為便宜。在需要高阻值而精度要求為中等水平時,薄膜電阻更為經濟並節省空間。
它ta們men具ju有you最zui佳jia溫wen度du敏min感gan沉chen積ji層ceng厚hou度du,但dan最zui佳jia薄bo膜mo厚hou度du產chan生sheng的de電dian阻zu值zhi嚴yan重zhong限xian製zhi了le可ke能neng的de電dian阻zu值zhi範fan圍wei。因yin此ci,采cai用yong各ge種zhong沉chen積ji層ceng厚hou度du可ke以yi實shi現xian不bu同tong的de電dian阻zu值zhi範fan圍wei。薄bo膜mo電dian阻zu 的de穩wen定ding性xing受shou溫wen度du上shang升sheng的de影ying響xiang。薄bo膜mo電dian阻zu穩wen定ding性xing的de老lao化hua過guo程cheng因yin實shi現xian不bu同tong電dian阻zu值zhi所suo需xu的de薄bo膜mo厚hou度du而er不bu同tong,因yin此ci在zai整zheng個ge電dian阻zu範fan圍wei內nei是shi可ke變bian的de。這zhe種zhong化hua學xue/機械老化還包括電 阻合金的高溫氧化。此外,改變最佳薄膜厚度還會嚴重影響 TCR。由於較薄的沉積層更容易氧化,因此高阻值薄膜電阻退化率非常高。
youyujinshuliangshao,bomodianzuzaichaoshidetiaojianxiajiyizishi。jinrufengzhuangguochengzhong,shuizhengqihuidairuzazhi,chanshengdehuaxuefushihuizaidiyazhiliuyingyongjixiaoshineizaochengbomodianzukailu。gaibianzuijiabomohouduhuiyanzhongyingxiang TCR。由於較薄的沉積層更容易氧化,因此高阻值薄膜電阻退化率非常高。
厚膜電阻
如前所述,受尺寸、體積和重量的影響,線繞電阻不可能采用晶片型。盡管精度低於線繞電阻,但由於具有更高的電阻密度 (高阻值/小尺寸) 且qie成cheng本ben更geng低di,厚hou膜mo電dian阻zu得de到dao廣guang泛fan使shi用yong。與yu薄bo膜mo電dian阻zu和he金jin屬shu箔bo電dian阻zu一yi樣yang,厚hou膜mo電dian阻zu頻pin響xiang速su度du快kuai,但dan在zai目mu前qian使shi用yong的de電dian阻zu技ji術shu中zhong,其qi噪zao聲sheng最zui高gao。雖sui然ran精jing度du低di於yu其qi他ta技ji術shu,但dan 我們之所以在此討論厚膜電阻技術,是由於其廣泛應用於幾乎每一種電路,包括高精密電路中精度要求不高的部分。
houmodianzuyikaobolijitizhonglizijiandejiechuxingchengdianzu。zhexiechudiangouchengwanzhengdianzu,dangongzuozhongdereyingbianhuizhongduanjiechu。youyudabufenqingkuangxiabinglian,houmodianzubuhuikailu,danzuzhihuisuizheshijianhewenduchixuzengjia。yinci,yuqitadianzujishuxiangbi,houmodianzuwendingxingcha (時間、溫度和功率)。
由you於yu結jie構gou中zhong成cheng串chuan的de電dian荷he運yun動dong,粒li狀zhuang結jie構gou還hai會hui使shi厚hou膜mo電dian阻zu產chan生sheng很hen高gao的de噪zao聲sheng。給gei定ding尺chi寸cun下xia,電dian阻zu值zhi越yue高gao,金jin屬shu成cheng份fen越yue少shao,噪zao聲sheng越yue高gao,穩wen定ding性xing越yue差cha。厚hou膜mo電dian阻zu結jie構gou中zhong的de玻bo璃li成cheng分fen在zai電dian阻zu加jia工gong過guo程cheng中zhong形xing成cheng玻bo璃li相xiang保bao護hu層ceng,因yin此ci厚hou膜mo電dian阻zu的de抗kang濕shi性xing高gao於yu薄bo膜mo電dian阻zu。
金屬箔電阻
將(jiang)具(ju)有(you)已(yi)知(zhi)和(he)可(ke)控(kong)特(te)性(xing)的(de)特(te)種(zhong)金(jin)屬(shu)箔(bo)片(pian)敷(fu)在(zai)特(te)殊(shu)陶(tao)瓷(ci)基(ji)片(pian)上(shang),形(xing)成(cheng)熱(re)機(ji)平(ping)衡(heng)力(li)對(dui)於(yu)電(dian)阻(zu)成(cheng)型(xing)是(shi)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)的(de)。然(ran)後(hou),采(cai)用(yong)超(chao)精(jing)密(mi)工(gong)藝(yi)光(guang)刻(ke)電(dian)阻(zu)電(dian)路(lu)。這(zhe)種(zhong)工(gong)藝(yi)將(jiang)低(di) TCR、長期穩定性、無感抗、無 ESD 感應、低電容、快速熱穩定性和低噪聲等重要特性結合在一種電阻技術中。
這些功能有助於提高係統穩定性和可靠性,精度、穩定性和速度之間不必相互妥協。為獲得精確電阻值,大金屬箔晶片電阻可通過有選擇地消除內在“短板”進行修整。當需要按已知增量加大電阻時,可以切割標記的區域 (圖2),逐步少量提高電阻。

圖2
合金特性及其與基片之間的熱機平衡力形成的標準溫度係數,在0 °C 至 + 60 °C 範圍內為 ± 1 ppm/°C (Z 箔為0.05 ppm/°C) (圖3)。

圖3
采用平箔時,並聯電路設計可降低阻抗,電阻最大總阻抗為 0.08 uH。最大電容為 0.05 pF。1-kΩ 電阻設置時間在 100 MHz以下小於 1 ns。上shang升sheng時shi間jian取qu決jue於yu電dian阻zu值zhi,但dan較jiao高gao和he較jiao低di電dian阻zu值zhi相xiang對dui於yu中zhong間jian值zhi僅jin略lve有you下xia降jiang。沒mei有you振zhen鈴ling噪zao聲sheng對dui於yu高gao速su切qie換huan電dian路lu是shi十shi分fen重zhong要yao的de,例li如ru信xin號hao轉zhuan換huan。
100 MHZ 頻率下,1-kΩ 大金屬箔電阻直流電阻與其交流電阻的對比可用以下公式表示:
交流電阻/直流電阻 = 1.001

圖4: 大金屬箔電阻結構
金屬箔技術全麵組合了高度理想的、過去達不到的電阻特性,包括低溫度係數(0 °C 至 + 60 °C 為 0.05 ppm/°C),誤差達到 ± 0.005 % (采用密封時低至 ± 0.001 %),負載壽命穩定性在 70 °C,額定加電2000小時的情況下達到 ± 0.005 % (50 ppm),電阻間一致性在 0 °C 至 + 60 °C 時為 0.1 ppm/°C,抗 ESD 高達 25 kV。
性能要求
當然並非每位設計師的電路都需要全部高性能參數。技術規格相當差的電阻同樣可以用於大量應用中,這方麵的問題分為四類:
(1) 現有應用可以利用大金屬箔電阻的全部性能升級。
(2) 現有應用需要一個或多個,但並非全部“行業最佳”性能參數。
(3) 先進的電路隻有利用精密電阻改進的技術規格才能開發。
(4) 有目的地提前計劃使用精密電阻滿足今後升級要求 (例如,利用電阻而不是有源器件保持電路精度,從而節省成本,否則僅僅為了略微提高性能則要顯著增加成本)。
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