询问应用工程师：电阻

Q.我想了解可用电阻器类型之间的差异，以及如何为特定应用选择合适的电阻器。

答：当然，让我们先谈谈我们在实验室中习惯使用的熟悉的“分立”或轴向引线型电阻器;然后，我们将比较分立器件和薄膜或厚膜网络的成本和性能权衡。

轴向引线类型： 我们将讨论的三种最常见的轴向引线电阻器类型是碳成分，或碳膜、金属膜和绕线：

碳成分或碳膜型电阻器用于通用电路，其中初始精度和稳定性随温度变化并不重要。典型应用包括用作集电极或发射极负载、晶体管/FET 偏置网络、充电电容器的放电路径以及数字逻辑电路中的上拉和/或下拉元件。

碳型电阻器按准对数顺序分配一系列标准值（表1），从1欧姆到22兆欧，公差从2%（碳膜）到5%到20%（碳成分）。额定功率耗散范围为 1/8 瓦至 2 瓦。1/4 瓦和 1/2 瓦、5% 和 10% 类型往往是最受欢迎的。

碳型电阻器的温度系数较差（通常为5， 000 ppm/°C）;因此，它们不太适合需要很少电阻随温度变化的精密应用，但它们价格低廉——每件 3， 0 个数量只需 03 美分 [1.000 美元]。

表1列出了10%和1%容差的十进制（2：5范围）标准电阻值，间隔10%。光面中较小的子集表示唯一具有 10% 或 20% 公差的值;它们相距20%。

表 1.标准电阻值：2%、5% 和 10%

 

10	16	27	43	68
11	18	30	47	75
12	20	33	51	82
13	22	36	56	91
15	24	39	64	100

 

碳型电阻器使用颜色编码带来识别电阻器的欧姆值和容差：

表 2.碳型电阻器的颜色代码

 

数字	颜色	倍数	# 个零	宽容
—	银	0.01	–2	10%
—	金	0.10	–1	5%
0	黑	1	0	—
1	棕色	10	1	—
2	红	100	2	2%
3	橙	1k	3	—
4	黄色	10k	4	—
5	绿	100k	5	—
6	蓝	1米	6	—
7	紫	10米	7	—
8	灰色	—	—	—
9	白	—	—	—
—	没有	—	—	20%

 

金属膜电阻器适用于需要初始精度、低温度系数和低噪声的精密应用。金属膜电阻器通常由镍铬合金、氧化锡或氮化钽组成，采用密封或模制酚醛体。典型应用包括桥式电路、RC 振荡器和有源滤波器。初始精度范围为 0.1 至 1.0 %，温度系数范围为 10 至 100 ppm/°C。 标准值范围为 10.0 欧姆至 301 欧姆，离散增量为 2%（额定容差为 0.5% 和 1%）。

表 3.薄膜型电阻器的标准值

 

1.00	1.29	1.68	2.17	2.81	3.64	4.70	6.08	7.87
1.02	1.32	1.71	2.22	2.87	3.71	4.80	6.21	8.03
1.04	1.35	1.74	2.26	2.92	3.78	4.89	6.33	8.19
1.06	1.37	1.78	2.31	2.98	3.86	4.99	6.46	8.35
1.08	1.40	1.82	2.35	3.04	3.94	5.09	6.59	8.52
1.10	1.43	1.85	2.40	3.10	4.01	5.19	6.72	8.69
1.13	1.46	1.89	2.45	3.17	4.09	5.30	6.85	8.86
1.15	1.49	1.93	2.50	3.23	4.18	5.40	6.99	9.04
1.17	1.52	1.96	2.55	3.29	4.26	5.51	7.13	9.22
1.20	1.55	2.00	2.60	3.36	4.34	5.62	7.27	9.41
1.20	1.55	2.00	2.60	3.36	4.34	5.62	7.27	9.41
1.22	1.58	2.04	2.65	3.43	4.43	5.73	7.42	9.59
1.22	1.58	2.04	2.65	3.43	4.43	5.73	7.42	9.59
1.24	1.61	2.09	2.70	3.49	4.52	5.85	7.56	9.79
1.27	1.64	2.13	2.76	3.56	4.61	5.96	7.72	9.98

 

金属膜电阻器使用 4 位编号序列来标识电阻器值，而不是用于碳类型的色带方案：

线绕精密电阻器非常精确和稳定（0.05%，<10 ppm/°C）;它们用于要求苛刻的应用，例如调谐网络和精密衰减器电路。典型电阻值为 0.1 欧姆至 1.2 莫姆。

高频效果：与“理想”电阻器不同，“真正的”电阻器，如真正的电容器（模拟对话30），受到寄生效应的影响。（实际上，任何两端元件可能看起来像电阻器、电容器、电感器或阻尼谐振电路，具体取决于测试频率。

电阻基材和长度与横截面积之比等因素决定了寄生L和C在多大程度上影响电阻器在高频下有效直流电阻的恒定性。薄膜型电阻器通常具有优异的高频响应;最好将其精度保持在 100 MHz 左右。 碳型的用法约为 1 MHz。 绕线电阻器具有最高的电感，因此频率响应最差。即使它们是无感绕的，它们也往往具有高电容，并且可能不适合在50 kHz以上使用。

Q.温度效应如何？我是否应该始终使用温度系数 （TCR） 最低的电阻器？

答：不一定。很大程度上取决于应用程序。对于此处所示的单个电阻器，在环路中测量电流，电流在电阻两端产生等于I x R的电压。在此应用中，任何温度下的电阻绝对精度对于电流测量的精度至关重要，因此将使用TC非常低的电阻。

另一个例子是增益为100 op放大器电路中增益设置电阻的行为，如下所示。在这种类型的应用中，增益精度取决于电阻比（比率配置）、电阻匹配和电阻温度系数（TCR）的跟踪，比绝对精度更为关键。

这里有几个例子可以说明这一点。

1. 假设两个电阻的实际 TC 为 100 ppm/°C（即 0.01%/°C）。温度变化后的电阻 ΔT 为

R = R0（1+ TC ΔT)

对于 10°C 的温升，两者RF和R我增加 0.01%/°C x 10°C = 0.1%。运算放大器增益[到非常好的近似值] 1 +RF/R我.由于两个电阻值虽然有很大不同（99：1），但增加了相同的百分比，因此它们的比率因此增益保持不变。请注意，增益精度仅取决于电阻比，与绝对值无关。

2. 假设R我TC 为 100 ppm/°C，但RF的TC仅为75 ppm/°C。 对于 10°C 的变化，R我增加 0.1% 至其初始值的 1.001 倍，并且RF增加 0.075% 至其初始值的 1.00075 倍。增益的新值是

(1.00075RF)/(1.001R我） = 0.99975RF/R我

当环境温度变化为10°C时，放大器电路的增益降低了0.025%（相当于1位系统中的12 LSB）。另一个不常被理解的参数是电阻中的自热效应。

问：那是什么？

A.自发热会导致电阻发生变化，因为当耗散功率增加时温度升高。大多数制造商的数据表将包括称为“热阻”或“热降额”的规格，以摄氏度/瓦特 （°C/W） 表示。对于典型尺寸的 1/4 W 电阻器，热阻约为 125°C/W。让我们将其应用于上述全量程输入运算放大器电路的示例：

R 耗散的功率我是

和2/R = （100 mV）2/100欧姆 = 100 μW，导致温度变化为 100 μW x 125°C/W = 0.0125°C，1ppm 电阻变化可以忽略不计 （0.00012%）。

R 耗散的功率F是

和2/R = （9.9 V）2/9900欧姆 = 9.9 mW，导致温度变化为 0.0099 W x 125°C/W = 1.24°C，电阻变化为 0.0124%，直接转化为 0.012% 的增益变化。

热电偶效应：绕线精密电阻器还有另一个问题。电阻线和电阻引线的连接处形成一个热电偶，对于普通绕线电阻器的标准“合金42”/镍铬合金结，其热电电动势为180μV/°C。如果选择具有[更昂贵的]铜/镍铬合金结的电阻，则值为2.5 μV/°C。 （“合金180”是77%铜和23%镍的标准成分铅合金。

这种热电偶效应在交流应用中并不重要，当电阻的两端处于相同温度时，它们会抵消;但是，如果一端比另一端温度高，无论是由于电阻器中的功率耗散，还是由于电阻器相对于热源的位置，净热电电动势都会在电路中引入错误的直流电压。使用普通绕线电阻时，仅4°C的温差将引入168 μV的直流误差，在1V/10位系统中大于16 LSB！

这个问题可以通过安装绕线电阻器来解决，以确保温差最小化。这可以通过保持两根引线的长度相等来实现，以均衡通过它们的热传导，确保任何气流（无论是强制还是自然对流）都垂直于电阻器主体，并注意电阻器的两端与印刷电路板上的任何热源保持相同的热距离（即接收相等的热流）。

Q.“薄膜”和“厚膜”网络之间有什么区别，使用电阻网络与分立器件相比有什么优点/缺点？

A.除了占用空间少的明显优势外，电阻网络（无论是作为独立实体还是单片IC的一部分）还具有通过激光调整、紧密TC匹配和良好温度跟踪实现高精度的优势。分立式网络的典型应用是精密衰减器和增益设置级。薄膜网络还用于单片（IC）和混合仪表放大器的设计，以及采用R2R梯形网络拓扑的CMOS D/A和A/D转换器。

厚膜电阻器是成本最低的类型，它们具有公平匹配（<0.1%），但TC性能较差（<100 ppm/°C）和漏电起痕（<10 ppm/°C）。它们是通过将电阻元件筛选或电镀到基板材料（例如玻璃或陶瓷）上来生产的。

薄膜网络价格适中，具有良好的匹配性（0.01%），以及良好的TC（<100 ppm/°C）和跟踪（<10 ppm/°C）。所有这些都是激光微调的。薄膜网络是使用气相沉积制造的。

表4比较了厚膜和几种类型的薄膜电阻网络的优缺点。表5比较了基板材料。

表 4.电阻网络

 

类型	优势	弊
厚膜	低成本	公平匹配 （0.1%）
	高功率	低热电偶 （>100 ppm/°C）
	可激光调整	跟踪 TC 差
	随时可用	（10 页/°C）
玻璃上的薄膜	良好的匹配性 （<0.01%）	嫩
	良好的热电偶 （<100 ppm/°C）	通常几何形状较大
	良好的漏电起痕 TC （2 ppm/°C）	低功耗
	成本适中
	可激光调整
	低电容
陶瓷薄膜	良好的匹配性 （<0.01%）	通常几何形状较大
	良好的热电偶 （<100 ppm/°C）
	良好的漏电起痕 TC （2 ppm/°C）
	成本适中
	可激光调整
	低电容
	适用于混合IC基板
硅片上的薄膜	良好的匹配性 （<0.01%）
	良好的热电偶 （<100 ppm/°C）
	良好的漏电起痕 TC （2 ppm/°C）
	成本适中
	可激光调整
	低电容
	适用于混合IC基板

 

表 5.基板材料

 

酶作用物	优势	弊
玻璃	低电容	嫩
		低功耗
		大几何形状
陶瓷	低电容	大几何形状
	适用于混合IC基板
硅	适用于单片	低功耗
	建设	基板电容
蓝宝石	低电容	低功耗
		成本更高

 

在下面所示的IC仪表放大器示例中，电阻R1-R1'、R2-R2'、R3-R3'之间的紧密匹配可确保高共模抑制（高达120 dB，直流至60 Hz）。虽然使用分立运算放大器和电阻可以实现更高的共模抑制，但在生产环境中，匹配电阻元件的艰巨任务是不可取的。

匹配，而不是绝对精度，在CMOS D/A转换器中使用的R2R梯形网络（包括反馈电阻）中也很重要。为了实现n位性能，电阻必须匹配到1/2以内n，这可以通过激光修整轻松实现。然而，绝对精度误差可能高达±20%。这里显示的是CMOS数字模拟转换器中使用的典型R-2R梯形网络。

审核编辑：郭婷