電阻選型指南：常用電阻特性優(yōu)缺點比較

近二十年來，電子工業(yè)以驚人的速度發(fā)展。新技術的進步在減小設備尺寸的同時，也加大了分立元件制造商開發(fā)理想性能器件的壓力。在這些器件中，貼片電阻當前始終保持很高的需求，并且是許多電路的基礎構件。它們的空間利用率優(yōu)于分立式封裝電阻，減少了組裝前期準備的工作量。隨著應用的普及，片式電阻器具有越來越重要的作用。主要參數(shù)包括 ESD 保護、熱電動勢 (EMF)、電阻熱系數(shù) (TCR)、自熱性、長期穩(wěn)定性、功率系數(shù)和噪聲等。

 盡管升級每個組件或子系統(tǒng)可以提高整體性能，但整體性能仍是由組件鏈中的短板決定的。系統(tǒng)中的每個組件都具有關系到整體性能的內(nèi)在優(yōu)缺點，特別是短期和長期穩(wěn)定性、頻響和噪聲等問題。分立式電阻行業(yè)在線繞電阻、厚膜電阻、薄膜電阻和金屬箔電阻技術方面取得了進步，而從單位性能成本考慮，每種電阻都有許多需要加以權衡的因素。

各種電阻技術的優(yōu)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(shù)改變。當形狀、長度、幾何結(jié)構、配置或模塊化結(jié)構受機械或其他方面因素影響發(fā)生變化時，電氣參數(shù)也會發(fā)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 = 電阻元件截面積，以平方米為單位。

 

電流通過電阻元件時產(chǎn)生熱量，熱反應會使器件的每種材料發(fā)生膨脹或收縮機械變化。環(huán)境溫度條件也會產(chǎn)生同樣的結(jié)果。因此，理想的電阻元件應能夠根據(jù)這些自然現(xiàn)象進行自我平衡，在電阻加工過程中保持物理一致性，使用過程中不必進行熱效應或應力效應補償，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

 

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)。薄膜電阻單位面積阻值高于線繞電阻或 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(jīng)濟并節(jié)省空間。

 

它們具有*佳溫度敏感沉積層厚度，但*佳薄膜厚度產(chǎn)生的電阻值嚴重限制了可能的電阻值范圍。因此，采用各種沉積層厚度可以實現(xiàn)不同的電阻值范圍。薄膜電阻的穩(wěn)定性受溫度上升的影響。薄膜電阻穩(wěn)定性的老化過程因?qū)崿F(xiàn)不同電阻值所需的薄膜厚度而不同，因此在整個電阻范圍內(nèi)是可變的。這種化學/機械老化還包括電阻合金的高溫氧化。此外，改變*佳薄膜厚度還會嚴重影響 TCR。由于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。

由于金屬量少，薄膜電阻在潮濕的條件下極易自蝕。浸入封裝過程中，水蒸汽會帶入雜質(zhì)，產(chǎn)生的化學腐蝕會在低壓直流應用幾小時內(nèi)造成薄膜電阻開路。改變*佳薄膜厚度會嚴重影響 TCR。由于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。盡管精度低于線繞電阻，但由于具有更高的電阻密度 (高阻值/小尺寸) 且成本更低，厚膜電阻得到廣泛使用。與薄膜電阻和金屬箔電阻一樣，厚膜電阻頻響速度快，但在目前使用的電阻技術中，其噪聲較高。雖然精度低于其他技術，但我們之所以在此討論厚膜電阻技術，是由于其廣泛應用于幾乎每一種電路，包括高精密電路中精度要求不高的部分。

 

厚膜電阻依靠玻璃基體中粒子間的接觸形成電阻。這些觸點構成完整電阻，但工作中的熱應變會中斷接觸。由于大部分情況下并聯(lián)，厚膜電阻不會開路，但阻值會隨著時間和溫度持續(xù)增加。因此，與其他電阻技術相比，厚膜電阻穩(wěn)定性差 (時間、溫度和功率)。

 

由于結(jié)構中成串的電荷運動，粒狀結(jié)構還會使厚膜電阻產(chǎn)生很高的噪聲。給定尺寸下，電阻值越高，金屬成份越少，噪聲越高，穩(wěn)定性越差。厚膜電阻結(jié)構中的玻璃成分在電阻加工過程中形成玻璃相保護層，因此厚膜電阻的抗?jié)裥愿哂诒∧る娮琛?/p>
在貼片電阻的具體選型中，一個參數(shù)必須根據(jù)所有參數(shù)的經(jīng)濟性加以權衡。與采用全面優(yōu)異性能的電阻相比，這樣可以節(jié)省成本，因為不需要調(diào)整電路 (及組裝相關組件的成本)。主要通過電阻而不是有源器件提高精度也可以節(jié)省成本，因為有源器件略微提高一點性能所需的成本要比電阻高的多。

原作者 Yuval Hernik， 畢業(yè)于 Technion (以色列理工學院) 電子工程系。自2008年以來，一直擔任 Vishay Precision Group 大金屬箔電阻應用工程部總監(jiān)。
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