一、電阻的基本原理

 

電阻
，和電感、電容一起，是電子學三大基本無源器件
；從能量的角度
，電阻是一個耗能元件，將電能轉化為熱能。

 

數年前
，出現了第四種基本無源器件，叫憶阻器(Memristor)，代表磁通量和電荷量之間的關係。XX文庫裏也有很多資料，有興趣可以了解一下。

 

圖片出自維基百科Memristor

 

通常，都是根據歐姆定律來定義電阻
，給電阻加一個恒定電壓，會產生多大電流
；也可以，通過焦耳定律來定義
，當電阻流過一個電流，單位時間內會產生多少熱量。

 

實際電阻的等效模型

 

 

同樣的，實際電阻都是非理想的，存在一定引線電感和極間電容，當應用場合頻率較高，這些因數不能忽略。

 

某薄膜電阻的頻率特性

 

上圖電阻的高頻特性非常好
，可以看到極間電容隻有0.03pF，引線電感隻有0.002nH，其中75Ω的電阻可以到30GHz。我們通常使用的貼片電阻大都是厚膜電阻，性能遠達不到如此，其引線電感有幾個nH
，極間電容也有幾個pF
，大多隻能用到幾百MHz或幾個GHz。

 

標準阻值表

 

上圖出自Vishay文檔

 

通常電阻阻值都是標準
，上圖給出了不同精度(容差)的電阻的標準阻值，通常乘以10的倍數或除以10的倍數
，就可以得到所有阻值。

 

如何記住上述阻值表呢？其實也很簡單，注意以下三點：

 

● 不同精度的電阻對應著不同精度的係列。通常10%精度的是E12係列
，2%和5%是E24係列
，1%是E96係列，而0.1%
、0.25%和0.5%是E192係列。

● 係列名中的數字代表著該係列有幾個標準阻值，通常為6的倍數。例如，E12係列有12個不同的阻值，E192係列有192個不同的阻值。

● 每個係列的阻值都近似是一個等比數列，公比為10開多少次方，基數是10Ω。例如E12係列的公比是10開12次方
，E96係列的公比都是10開96次方。

 

有興趣的可以按照上表數一數，算一算是不是上述規律。另外
，根據IEC的規定，2%精度對應是E48係列有48個阻值，有興趣的可以算一下是哪些值。上表中，Vishay可能不生產該係列了。

 

阻值標記(Marking)

 

通常我們使用最多的就是5%和1%的片狀電阻，一般0603以上的電阻封裝上都有標記表示電阻值。

 

E24係列(5%)

 

對於大於10Ω，通常有3位數字表示阻值，前兩個表示阻值基數，最後一位表示乘以10的幾次方。例如標記100代表10Ω
，而不是100Ω，472代表4.7kΩ。小於10Ω通常用R來表示小數點，例如2R2，表示2.2Ω。

 

E96係列(1%)

 

通常由2位數字加一個字母表示，2位數字代表是E96係列的第幾個阻值，字母表示乘以10的幾次方，其中Y代表-1

，X代表0
，A代表1，B代表2，C代表3，以此類推。例如47C

，從表中數到47個阻值，是30.1，C代表乘以10的3次方，就是30.1kΩ。

 

另外，對於軸向引線封裝的電阻，阻值標記都是一圈一圈的色環
，具體含義如下圖所示：

 

阻值色環碼

 

從cong左zuo往wang右you，前qian兩liang個ge或huo三san個ge環huan代dai表biao數shu字zi，接jie下xia來lai的de環huan代dai表biao乘cheng數shu，與yu前qian麵mian的de數shu字zi相xiang乘cheng便bian是shi阻zu值zhi。再zai接jie下xia來lai的de環huan代dai表biao電dian阻zu的de容rong差cha，最zui後hou就jiu是shi電dian阻zu的de溫wen度du係xi數shu。

 

二
、電阻的工藝與結構

 

電阻的工藝種類繁多，可以根據阻值是否可以變化
，分成兩大類介紹：

 

● 固定電阻

● 可變電阻

 

2.1 固定電阻

 

固定電阻
，顧名思義就是電阻值是定值，不可變。大多數時候，我們使用的電阻都是固定值的。可以根據封裝的不同大致再分類

 

2.1.1 軸向引線電阻(Axial Leaded Resistor)

 

軸線引線電阻通常都是圓柱形，兩個外電極是圓柱體兩端的軸向導線
，根據材料和工藝的不同還可以再分為多種。

 

繞線電阻(Wire Wound Resistor)

 

 

繞線電阻是將鎳鉻合金導線繞在氧化鋁陶瓷基底上，一圈一圈控製電阻大小。繞線電阻可以製作為精密電阻
，容差可以到0.005%
，同tong時shi溫wen度du係xi數shu非fei常chang低di，缺que點dian是shi繞rao線xian電dian阻zu的de寄ji生sheng電dian感gan比bi較jiao大da，不bu能neng用yong於yu高gao頻pin。繞rao線xian電dian阻zu的de體ti積ji可ke以yi做zuo的de很hen大da，然ran後hou加jia外wai部bu散san熱re器qi，可ke以yi用yong作zuo大da功gong率lv電dian阻zu。

 

碳合成電阻(Carbon Composition Resistor)

 

 

碳tan合he成cheng電dian阻zu主zhu要yao是shi由you碳tan粉fen末mo和he粘zhan合he劑ji一yi起qi燒shao結jie成cheng圓yuan柱zhu型xing的de電dian阻zu體ti，其qi中zhong碳tan粉fen末mo的de濃nong度du決jue定ding了le電dian阻zu值zhi的de大da小xiao，在zai兩liang端duan加jia鍍du錫xi銅tong引yin線xian，最zui後hou封feng裝zhuang成cheng型xing。碳tan合he成cheng電dian阻zu工gong藝yi簡jian單dan，原yuan材cai料liao也ye容rong易yi獲huo得de，所suo以yi價jia格ge最zui便bian宜yi。但dan是shi碳tan合he成cheng電dian阻zu的de性xing能neng不bu太tai好hao，容rong差cha比bi較jiao大da(也就是做不了精密電阻)，溫度特性不好，通常噪聲比較大。碳合成電阻耐壓性能較好
，由於內部是可以看作是碳棒，基本不會被擊穿導致被燒毀。

 

碳膜電阻(Carbon Film Resistor)

 

 

碳膜電阻主要是在陶瓷棒上形成一層碳混合物膜

，例如直接塗一層，碳膜的厚度和其中碳濃度可以控製電阻的大小
；為了更加精確的控製電阻，可以在碳膜上加工出螺旋溝槽，螺旋越多電阻越大；最後加金屬引線
，樹脂封裝成型。碳膜電阻的工藝更加複雜一點
，可以做精密電阻，但由於碳質的原因
，還是溫度特性不太好。

 

金屬膜電阻(Metal Film Resistor)

 

 

yutanmodianzujiegouleisi
，jinshumodianzuzhuyaoshiliyongzhenkongchenjijishuzaitaocibangshangxingchengyicengniegehejindumo
，ranhouzaidumoshangjiagongchuluoxuangoucaolaijingquekongzhidianzu。jinshumodianzukeyishuoshixingnengbijiaohaodedianzu，jingdugao
，keyizuoE192係列
，然後溫度特性好，噪聲低，更加穩定。

Metal film resistor Â

 

金屬氧化物膜電阻(Metal Oxide Film Resistor)

 

上圖出自Metal oxide film resistor

 

yujinshumodianzujiegouleisi，jinshuyanghuawumozhuyaoshizaitaocibangxingchengyicengxiyanghuawumo
，weilezengjiadianzu，keyizaixiyanghuawumoshangjiayicengtiyanghuawumo，ranhouzaiyanghuawumoshangjiagongchuluoxuangoucaolaijingquekongzhidianzu。jinshuyanghuawumodianzuzuidadeyoushijiushinaigaowen。

 

上圖出自Metal oxide film resistor Â

 

2.1.2 片狀電阻

 

金屬箔電阻(Metal Foil Resistor)

 

 

jinshubodianzushitongguozhenkongronglianxingchengniegehejin
，ranhoutongguogunniandefangshizhizuochengjinshubo，zaijiangjinshubonianhezaiyanghualvtaocijidishang
，zaitongguoguangkegongyilaikongzhijinshubodexingzhuang，congerkongzhidianzu。jinshubodianzushimuqianxingnengkeyikongzhidaozuihaodedianzu。

 

厚膜電阻(Thick Film Resistor)

 

 

厚hou膜mo電dian阻zu采cai用yong的de絲si網wang印yin刷shua法fa，就jiu是shi再zai陶tao瓷ci基ji底di上shang貼tie一yi層ceng鈀ba化hua銀yin電dian極ji，然ran後hou在zai電dian極ji之zhi間jian印yin刷shua一yi層ceng二er氧yang化hua釕liao作zuo為wei電dian阻zu體ti。厚hou膜mo電dian阻zu的de電dian阻zu膜mo通tong常chang比bi較jiao厚hou
，大da約yue100微米。具體工藝流程如下圖所示。

 

 

厚膜電阻是目前應用最多的電阻

，價格便宜，容差有5%和1%
，絕大多數產品中使用的都是5%和1%的片狀厚膜電阻。

 

薄膜電阻(Thin Film Resistor)

 

 

薄膜電阻就是氧化鋁陶瓷基底上通過真空沉積形成鎳化鉻薄膜，通常隻有0.1um厚
，隻有厚膜電阻的千分之一，然後通過光刻工藝將薄膜蝕刻成一定的形狀。Thin Film工(gong)藝(yi)在(zai)此(ci)前(qian)電(dian)容(rong)和(he)電(dian)感(gan)的(de)文(wen)章(zhang)中(zhong)已(yi)經(jing)提(ti)到(dao)過(guo)多(duo)次(ci)了(le)，光(guang)刻(ke)工(gong)藝(yi)十(shi)分(fen)精(jing)確(que)，可(ke)以(yi)形(xing)成(cheng)複(fu)雜(za)的(de)形(xing)狀(zhuang)
，因(yin)此(ci)
，薄(bo)膜(mo)電(dian)容(rong)的(de)性(xing)能(neng)可(ke)以(yi)控(kong)製(zhi)的(de)很(hen)好(hao)。

 

上圖出自panasonic chip resistors

 

2.2 可變電阻

 

可變電阻就是電阻值可以變化
，可以有兩種：一是可以手動調整阻值的電阻；另一種就是電阻值可以根據其他物理條件而變化。

 

2.2.1 可調電阻

 

shangzhongxuedeshihou，yinggaidoushiyongguohuadongbianzuqizuoshiyan，dongyidonghuadongbianzuqi，xiaodengpaokeyibianlianghuobianan。huadongbianzuqijiushiketiaodianzu，yuanlidoushiyiyangde。

 

可調電阻

，通常分成了三種：

 

● Potentiometer

 

電dian位wei器qi或huo分fen壓ya計ji，這zhe是shi一yi種zhong三san端duan口kou器qi件jian。電dian位wei器qi被bei中zhong間jian抽chou頭tou分fen成cheng兩liang個ge電dian阻zu，通tong過guo中zhong間jian抽chou頭tou可ke以yi改gai變bian兩liang個ge電dian阻zu的de阻zu值zhi，就jiu可ke以yi改gai變bian分fen得de的de電dian壓ya。

 

● Rheostat

 

變阻器
，其實就是電位器，唯一的區別就是變阻器隻需要用到兩個端口，純粹一個可以精確調整阻值的電阻。

 

● Trimmer

 

微調器
，其實也是電位器，隻不過不需要經常調整，例如設備出廠的時候調整一下即可，通常需要用螺絲刀等特殊工具才能調整。

 

2.2.2 敏感電阻

 

敏感電阻是一類敏感元件，這類電阻大都對某種物理條件特別敏感，該物理條件一變化
，電阻值就會隨著變化，通常可以用作傳感器， 例如光敏電阻
、濕敏電阻
、磁敏電阻等等。在電路設計應用比較多的應該是熱敏電阻和壓敏電阻，常用作保護器件。

熱敏電阻

 

上圖出自Murata Application Manual - PTC

 

PTC就是正溫度係數電阻，通常有兩種：一種是陶瓷材料，叫CPTC，適用於高電壓大電流場合
；另一種是高分子聚合物材料，叫PPTC，適用於低電壓小電流場合。

 

陶瓷PTC
，其電阻材料是一種多晶體陶瓷
，是碳酸鋇、二氧化鈦等多種材料的混合物燒結而成。PTC溫度係數具有很強的非線性，當溫度超過一定閾值時電阻會變得很大，相當於斷路，從而可以起到短路和過流保護的作用。

同時還有負溫度係數電阻，即NTC就不詳細介紹了。

 

壓敏電阻

 

上圖出自Varistor and the Metal Oxide Varistor Tutorial

 

壓敏電阻通常都是金屬氧化物可變電阻，即Metal Oxide Varistor(MOV)，其電阻材料是氧化鋅顆粒和陶瓷顆粒混合後一起燒結成型。MOV的特性就是當電壓超過一定閾值的時候，電阻迅速下降，可以通過大電流，因此可以用於浪湧防護和過壓保護。

將氧化鋅陶瓷采用和MLCC類似的工藝製作成多層型壓敏電阻，即 MLV。MLV封裝較小，通常是片狀的

，額定電壓和通流能力都比MOV小很多

，適用於低壓直流場合。

 

三、電阻的應用與選型

 

電阻的廠商主要有國巨、鬆下、羅姆
、威世、還有國內的風華高科等等。

 

3.1 電阻的應用

 

基(ji)本(ben)上(shang)沒(mei)有(you)電(dian)路(lu)板(ban)會(hui)不(bu)用(yong)電(dian)阻(zu)，任(ren)何(he)電(dian)路(lu)板(ban)上(shang)使(shi)用(yong)最(zui)多(duo)的(de)器(qi)件(jian)就(jiu)是(shi)電(dian)容(rong)和(he)電(dian)阻(zu)。各(ge)種(zhong)上(shang)下(xia)拉(la)電(dian)阻(zu)
，反(fan)饋(kui)電(dian)阻(zu)等(deng)等(deng)。水(shui)平(ping)有(you)限(xian)

，簡(jian)單(dan)講(jiang)述(shu)一(yi)下(xia)。

 

熱效應

 

根據焦耳定律，電流流過電阻就會發熱。電阻的熱效應的應用也有很多，電熱毯
、電火桶
、電水壺。

 

對於一些室外應用的電子設備，特別對於一些集成有高性能CPU的SOC，duigongzuowenduyaoqiuhenkeke

，dadouzhinengmanzushangyejiyingyong，dadongtianzaidongbei，lingxiasanshiduodu
，wendutaidi，henkenengkaibuleji。tongchangdouhuijiayigedagonglvdianzuzuoyujiaregongneng
，dangwendushanglaihou，shebeiqidonglezaiguandiao。zhisuoyouguandiao，yinweishebeizijigongzuodegonghaoyehuifare
，keyibaochiwendu。

 

 

作zuo為wei硬ying件jian工gong程cheng師shi，經jing常chang要yao跑pao到dao環huan境jing實shi驗yan室shi去qu定ding位wei問wen題ti。為wei了le複fu現xian一yi個ge高gao溫wen問wen題ti
，需xu要yao跑pao到dao環huan境jing實shi驗yan室shi搭da測ce試shi環huan境jing
，關guan鍵jian溫wen箱xiang就jiu那na麼me幾ji個ge
，還hai要yao預yu約yue，經jing常chang要yao排pai隊dui太tai麻ma煩fan了le。於yu是shi我wo就jiu自zi己ji作zuo了le一yi個ge再zai簡jian單dan不bu過guo的de定ding位wei神shen器qi，就jiu是shi給gei水shui泥ni電dian阻zu焊han一yi個geDC電dian源yuan座zuo子zi，然ran後hou插cha各ge種zhong電dian源yuan適shi配pei器qi，調tiao整zheng溫wen度du。然ran後hou往wang某mou某mou芯xin片pian上shang放fang個ge幾ji分fen鍾zhong，沒mei有you問wen題ti
，再zai換huan一yi個ge，問wen題ti複fu現xian，問wen題ti聚ju焦jiao到dao某mou個ge芯xin片pian上shang，在zai自zi己ji的de工gong位wei上shang就jiu完wan成cheng高gao溫wen問wen題ti的de定ding位wei。

 

零歐姆電阻

 

零歐姆電阻也叫跳線電阻(Jumper)。在zai電dian路lu設she計ji中zhong
，為wei了le調tiao試shi方fang便bian或huo者zhe作zuo兼jian容rong設she計ji經jing常chang使shi用yong。例li如ru在zai作zuo預yu研yan設she計ji時shi，為wei了le調tiao試shi時shi能neng測ce試shi芯xin片pian的de每mei組zu電dian源yuan的de工gong作zuo電dian流liu，通tong常chang需xu要yao用yong零ling歐ou姆mu電dian阻zu將jiang電dian源yuan分fen成cheng多duo路lu。

 

使用零歐姆電阻時，最常遇到的問題就是功耗怎麼算
，如何判斷選擇的電阻是否滿足要求
？

 

此時

，就需要從電阻的規格書中獲取相關參數，從下圖可以看出RC0402的零歐姆電阻，其電阻值不會超過50mΩ，額定電流不超過1A
，由此就可以判斷電阻是否滿足設計要求。通常0402的零歐姆電阻都可以滿足1A以下的電流要求。

 

原圖截自GENERAL PURPOSE CHIP RESISTORS - Yageo

 

限流

 

有些時候電路中需要一組幾十毫安的電源，但是其電壓在電路中其他地方都用不到，此時單獨弄一組DCDC或者LDO都不太合適，因為電流太小。此時可以使用穩壓管穩壓電路。

 

分壓

 

分壓例如ADC采樣電路，DCDC輸出電壓反饋，電平轉換等等。

 

匹配電阻

 

對於高速信號，PCB走zou線xian需xu要yao考kao慮lv傳chuan輸shu線xian模mo型xing，要yao保bao證zheng阻zu抗kang匹pi配pei，防fang止zhi信xin號hao反fan射she會hui影ying響xiang信xin號hao完wan整zheng性xing。阻zu抗kang匹pi配pei就jiu是shi保bao證zheng負fu載zai阻zu抗kang與yu傳chuan輸shu線xian的de特te征zheng阻zu抗kang相xiang等deng以yi消xiao除chu反fan射she。最zui常chang用yong最zui簡jian單dan的de就jiu是shi源yuan端duan串chuan聯lian匹pi配pei，即ji在zai信xin號hao源yuan端duan串chuan聯lian一yi個ge電dian阻zu，該gai電dian阻zu和he源yuan內nei阻zu之zhi和he等deng於yu傳chuan輸shu線xian特te征zheng阻zu抗kang，這zhe樣yang即ji使shi負fu載zai端duan不bu匹pi配pei，信xin號hao反fan射she回hui來lai會hui被bei源yuan端duan信xin號hao，不bu會hui再zai次ci反fan射she。
 

此外，還有各種非線性的靈敏電阻，可以用作傳感器
、保護電路等等。

 

3.2 電阻的選型

 

選型簡單的說，就是根據器件的規格書，提取關鍵參數
，判斷是否滿足應用的要求。

 

3.2.1 固定值電阻

 

常見類型的電阻的主要參數的對比如下圖所示，出貨量最大的應該是厚膜電阻和金屬膜電阻。

 

 

3.2.2 熱敏電阻

 

PTC在電路中的主要作用和保險絲類似
，就是過流保護
，區別就是保險絲是一次性的，而PTC是可恢複的，而很多時候換保險絲是不可接受的，影響客戶體驗。PTC也屬於安規器件，通常要求通過UL1439認證。

 

 

上圖是PTC的阻抗溫度特性
，當過流的時候PTC發熱
，溫度迅速上升，PTC的阻抗迅速變大
，形成斷路，斷路後電流下降，發熱減少，溫度下降，PTC恢複低阻抗。因此
，PTC非常適合短時過流。

 

 

保持電流

 

選用PTC的時候
，首先要考慮設計工作電流，不能超過PTC保持電流，此時PTC可以保持低阻抗狀態。PTC的保持電流會隨著工作溫度的升高而降低，因此
，工作溫度時需要考慮的重要因素。

 

動作電流

 

動作電流，即PTC進入高阻抗狀態，斷路保護的電流。

 

額定電壓

 

即PTC能承受的最大電壓，超過額定電壓
，PTC可能會被擊穿短路，進而引起燒毀。因此，設計時要考慮各種情況下PTC的工作電壓不能超過其額定電壓。

 

當PTC斷路保護的時候，會承受整個電源電壓，PTC選型的時候，額定電壓要大於電源電壓。通常考慮降額到80%，即電源電壓12V，要選擇耐壓15V以上的PTC。

 

在電源輸入端口
，需要考慮浪湧防護，此時要考慮最大的浪湧電流
，乘以PTC的電阻
，即PTC承受的浪湧電壓，不能超過PTC額定電壓。

 

額定電流

 

即在額定電壓下，PTC能承受的最大短路電流，短路電流超過額定電流，PTC將會損壞。

 

直流電阻

 

PTC直流電阻的存在，會使PTC存在一定的直流壓降，設計時要注意壓降後的電源電壓要滿足要求。

 

和保險絲相比，PTC的額定電壓和額定電流都小很多，而PTC的直流阻抗通常是保險絲的兩部左右。PTC保護的時候，實際是高電阻狀態，因此會有毫安級的漏電流
，而保險絲是熔斷機製
，切斷電流通路，基本不存在漏電流。

 

3.2.3 壓敏電阻

 

壓敏電阻的特性與穩壓二極管(Zener diode)、TVS類似，都屬於鉗位型器件
，主要用於防護電路瞬態過壓，例如浪湧。

 

MOV的理想伏安特性

 

選擇防護器件，主要考慮兩個方麵：一是防護器件在正常工作條件下不能動作或者損壞，二是在設計範圍內的異常情況下要能起到保護電路的作用，即防護能力。

 

 

額定工作電壓

 

額定工作電壓可以認為是MOV能保持高阻抗狀態的最高持續工作電壓。根據應用場合，MOV可以分為交流和直流兩種，兩種場合用的器件規格是不一樣。用於直流場合的MOV通常不能用於交流場合。

 

MOV的額定工作電壓，交流場合考慮交流額定電壓，即Vrms或Vm(ac)
，上圖中的器件可以有效值130V的交流電中正常工作。超過這個電壓，MOV可能動作或者損壞
，導致電路無法工作。

 

主要用於防護瞬態高壓
，持續的過高電壓會導致MOV損壞。

 

鉗位電壓

 

MOVshiqianweixingqijian
，yudaoshuntaigaoyashi
，zukanghuixiajiang
，tongguodadianliu，shuntaigaoyahuibeiyizhi
，danbuhuijiangweiling，ershiyiranbaochixiangduigaoya，tongchangshiedinggongzuodianyade2到3倍。選擇MOV時
，要注意鉗位電壓不能超過被防護器件的最高耐壓，超過時
，需要采用多級防護，例如後級加一個大功率電阻去耦，再加一顆TVS，利用TVS的低鉗位電壓進一步減小殘壓。

 

最大脈衝電流

 

雷擊或者感性負載切換等等，會產生很大浪湧電流，MOV除了鉗位住高壓以外，還需要泄放浪湧電流。

 

MOV能否承受住浪湧電流
，主要和一段時間內MOV承受的能量大小有關，能量過大，MOV過熱燒毀。能量的大小，和浪湧的波形和數目有關，通常，器件的浪湧能力都按8/20us波形能測試。上圖中的MOV，單個3500A的8/20us的浪湧脈衝
，連續2個3000A的8/20us的浪湧脈衝，連續20個750A的8/20us的浪湧脈衝。

 

此外，MOV的寄生電容比較大，不能用在較高速率的信號線上。MOV的響應時間比TVS慢
，對一些快速的脈衝，像ESD可能不起作用。這些也是我們需要考慮的因素。

 

 

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