電阻器的種類和特性

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

答：好，讓我首先介紹一下實驗室中常用的分立電阻器或軸向引線電阻器，然而再對分立電阻器與薄膜或厚薄電阻網絡從價格和性能方面進行比較。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(統稱碳質電阻器)用于初始精度和隨溫度變化的穩定性認為不重要的普通電路。典型應用包括晶體管或場效應管偏置電路中集電極或發射極的負載電阻，充電電容器的放電電阻以及數字邏輯電路中的上拉電阻或下拉電阻。碳質電阻器按照準對數序列規定一系列標準電阻值(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。

碳質電阻器的溫度系數很差(典型值為 5，000ppm/°C )。所以當溫度變化時要求阻值幾乎不變的精密應用場合，不適合選用這種電阻器，但它們的價格很便宜，1000只碳質電阻器僅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倍阻值范圍碳質電阻器標準阻值。表1中用細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中的阻值計算公式，X=1NT(10×2410n，n=0,1,2,…24，其中INT表示取整運算。表1中細體字阻值計算公式,X=INT(10×１２10n)，n=0,1,2,…12——譯者注］。
碳質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倍阻值范圍碳質電阻器標準阻值
1016274368
1118304775
1220335182
13223656
91
15243962100

表2 碳質電阻器的色碼含義
數字顏色倍乘數零的個數允許偏差
-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、低溫度系數和低噪聲的精密應用場合。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成的電阻器。金屬膜電阻器典型應用包括電橋電路、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%的金屬膜電阻器標準阻值如表3所示［表3中阻值的計算公式為,X=INT(10116n)，n=0,1,2,…116——譯者注］。

表3 金屬膜電阻器標準阻值
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位數字表示阻值(數值表示法見圖2)，取代碳質電阻器采用的色碼表示法。·線繞電阻器非常精密并且穩定(0?05%，＜10ppm/°C)，用于要求苛刻的應用場合，例如調諧網絡和精密衰減電路。典型阻值范圍為0?1Ω~1?2MΩ。高頻效應：與“理想”的電阻器不同，“實際”的電阻器像實際的電容器一樣也遭受寄生作用。實際上任何兩

模擬器件天地 1998年第9期

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

圖3 “實際”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定性。薄膜電阻器通常具有優良的高頻響應。在100MHz左右，仍能保持其精度。碳質電阻器只能用于1MHz左右。線繞電阻器的感抗最高，所以頻率響應最差。即使是無電感的線繞電阻器(順時針方向繞的線圈數等于逆時針方向繞的線圈數，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，當工作頻率達50kHz以上，幾乎不穩定。

問：溫度效應對電阻器影響如何?我是否總使用溫度系數(TC)最低的電阻器?
答：沒有必要，主要根據應用情況而定。圖4示出的是用來測量環路電流的電阻器，待測電流在該電阻兩端產生的電壓等于I×R。在這個應用中，在任一溫度下電阻值的絕對精度對測量該電流的精度至關重要，所以應該使用溫度系數很低的電阻器。

圖4 測量環路電流的電阻器

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

圖5 同相放大電路中的增益設置電阻

1?假設兩個電阻器RI和RF的實際溫度系數(TC)都為100ppm/°C(即0?01%/°C)。當溫度變化ΔT時，對應的電阻值為R=R0(1+TCΔT)
當溫度上升10°C時，RF和RI的阻值都增加0?01%/°C×10°C=0?1%，運算放大器的增益公式(非常近似)為1+RF/RI。雖然這兩個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。這個例子說明該電路的精度僅僅取決于兩個電阻值的比率，而與它們的絕對值無關。
2?假設RI的溫度系數為100ppm/°C，而RF的溫度系數僅為75ppm/°C。當溫度變化10°C時，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，當環境溫度變化10°C，放大器電路增益下降0?025%(相當于12位分辨率系統的1LSB)。
人們通常不了解的另一個參數是電阻器的自熱效應(self?heating effect)。
問：什么是自熱效應：
答：指由自身的熱量造成電阻值的改變，因為當電阻器功耗增加時必然引起電阻器自身溫度的增加。大多數生產廠家的產品說明都給出“熱阻”或“熱降”這項技術指標，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定參考點的溫度之差除以器件的穩態散耗功率所得的商——譯者注)。對于 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算放大器為例說明熱阻的應用。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。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：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構成一種熱電偶，普通的線繞電阻器由標準180合金?鎳鉻合金連接點產生的熱電勢為42μV/°C。如果選用價格比較貴的電阻器，由銅?鎳合金連接點產生的熱電勢為2?5μV/°C。用作標準電阻引線的180合金由77%銅和23%鎳組成。這種熱電偶效應在交流應用中并不重要，因為在相同溫度下，電阻器兩端的熱電勢可以相互抵消。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，從而造成凈熱電勢產生的直流誤差電壓進入電路。對于普通的線繞電阻器，溫度只要差4°C，就會產生168μV的直流誤差電壓。對于滿度10V 16位分辨率系統，這個數值大于1LSB。

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在安裝線繞電阻器時設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，使通過它們的熱導性均衡，也可以使任何氣流(不論是強制或自然對流)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：薄膜電阻網絡與厚膜電阻網絡之間有何差異?電阻器網絡與分立電阻器相比有何優缺點?
答：除了幾乎不用考慮實際情況的明顯優點以外，電阻器網絡，不論是作為獨立的整體還是作為單片IC的一部分，經過激光修整后還具有精度
高、溫度系數匹配緊密和溫度特性跟蹤好等優點。分立電阻網絡通常用于精密衰減器和增益設置電路。薄膜電阻網絡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梯形網絡的CMOS數模轉換器和模數轉換器。厚膜電阻器是一種價格最低的電阻器，匹配程度中等(＜0?1%)，但溫度系數(＞100ppm/°C)和跟蹤性能(＞10ppm/°C)很差。厚膜電阻器是采用絲網印刷或電
表4 厚膜與薄膜電阻器網絡性能比較

類 型優 點缺 點

厚 膜低價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。薄膜電阻網絡的價格適中，而且具有優良的匹配性能(0?01%)，以及優良的溫度系數(＜100ppm/°C)和跟蹤性能(＜10ppm/°C)。這些性能都可用激光調整。薄膜電阻網絡是采用汽相淀積法制造的。表4比較了厚膜電阻網絡與幾種典型的薄膜電阻網絡的優缺點。表5比較了不同基體材料的優缺點。

表5 不同基體材料比較

基 體優 點缺 點

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基片低功率對基體形成電容藍寶石低電容低功率較高價格在圖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之間嚴格匹配以保證很高的共模抑制比(高達120dB，dc~60Hz)。雖然使用分立運放和分立電阻器也可能達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的要求。

圖7 集成儀表放大器中的匹配電阻

在CMOS數模轉換中采用的R?2R梯形電阻網路(包括反饋電阻)，要求匹配性能好(而不是絕對精度高)也是很重要的。為了達到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到這一點。然而絕對精度誤差允許大到20%。圖8示出的是CMOS數模轉換器中所使用的典型R?2R梯形電阻網絡。
圖8 CMOS數模轉換器中的R?2R梯形電阻網路

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