电阻选型指南:常用电阻特性优缺点比较

近二十年来,电子工业以惊人的速度发展。新技术的进步在减小设备尺寸的同时,也加大了分立元件制造商开发理想性能器件的压力。在这些器件中,贴片电阻当前始终保持很高的需求,并且是许多电路的基础构件。它们的空间利用率优于分立式封装电阻,减少了组装前期准备的工作量。随着应用的普及,片式电阻器具有越来越重要的作用。主要参数包括 ESD 保护、热电动势 (EMF)、电阻热系数 (TCR)、自热性、长期稳定性、功率系数和噪声等。

 尽管升级每个组件或子系统可以提高整体性能,但整体性能仍是由组件链中的短板决定的。系统中的每个组件都具有关系到整体性能的内在优缺点,特别是短期和长期稳定性、频响和噪声等问题。分立式电阻行业在线绕电阻、厚膜电阻薄膜电阻和金属箔电阻技术方面取得了进步,而从单位性能成本考虑,每种电阻都有许多需要加以权衡的因素。

各种电阻技术的优缺点如表1所示,表中给出了热应力和机械应力对电阻电气特性的影响。

 

电阻选型指南:常用电阻特性优缺点比较
表1: 不同类型电阻的特性

 

应力(无论机械应力还是热应力)会造成电阻电气参数改变。当形状、长度、几何结构、配置或模块化结构受机械或其他方面因素影响发生变化时,电气参数也会发生变化,这种变化可用基本方程式来表示:R = ρ L/A,式中

 

R = 电阻值,以欧姆为单位,

ρ = 材料电阻率,以欧姆米为单位,

L = 电阻元件长度,以米为单位,

A = 电阻元件截面积,以平方米为单位。

 

电流通过电阻元件时产生热量,热反应会使器件的每种材料发生膨胀或收缩机械变化。环境温度条件也会产生同样的结果。因此,理想的电阻元件应能够根据这些自然现象进行自我平衡,在电阻加工过程中保持物理一致性,使用过程中不必进行热效应或应力效应补偿,从而提高系统稳定性。

 

薄膜电阻

 

薄膜电阻由陶瓷基片上厚度为 50 Å 至 250 Å 的金属沉积层组成 (采用真空或溅射工艺)。薄膜电阻单位面积阻值高于线绕电阻或 Bulk Metal® 金属箔电阻,而且更为便宜。在需要高阻值而精度要求为中等水平时,薄膜电阻更为经济并节省空间。

 

它们具有*佳温度敏感沉积层厚度,但*佳薄膜厚度产生的电阻值严重限制了可能的电阻值范围。因此,采用各种沉积层厚度可以实现不同的电阻值范围。薄膜电阻的稳定性受温度上升的影响。薄膜电阻稳定性的老化过程因实现不同电阻值所需的薄膜厚度而不同,因此在整个电阻范围内是可变的。这种化学/机械老化还包括电阻合金的高温氧化。此外,改变*佳薄膜厚度还会严重影响 TCR。由于较薄的沉积层更容易氧化,因此高阻值薄膜电阻退化率非常高。

由于金属量少,薄膜电阻在潮湿的条件下极易自蚀。浸入封装过程中,水蒸汽会带入杂质,产生的化学腐蚀会在低压直流应用几小时内造成薄膜电阻开路。改变*佳薄膜厚度会严重影响 TCR。由于较薄的沉积层更容易氧化,因此高阻值薄膜电阻退化率非常高。


厚膜电阻

 

如前所述,受尺寸、体积和重量的影响,线绕电阻不可能采用晶片型。尽管精度低于线绕电阻,但由于具有更高的电阻密度 (高阻值/小尺寸) 且成本更低,厚膜电阻得到广泛使用。与薄膜电阻和金属箔电阻一样,厚膜电阻频响速度快,但在目前使用的电阻技术中,其噪声较高。虽然精度低于其他技术,但我们之所以在此讨论厚膜电阻技术,是由于其广泛应用于几乎每一种电路,包括高精密电路中精度要求不高的部分。

 

厚膜电阻依靠玻璃基体中粒子间的接触形成电阻。这些触点构成完整电阻,但工作中的热应变会中断接触。由于大部分情况下并联,厚膜电阻不会开路,但阻值会随着时间和温度持续增加。因此,与其他电阻技术相比,厚膜电阻稳定性差 (时间、温度和功率)。

 

由于结构中成串的电荷运动,粒状结构还会使厚膜电阻产生很高的噪声。给定尺寸下,电阻值越高,金属成份越少,噪声越高,稳定性越差。厚膜电阻结构中的玻璃成分在电阻加工过程中形成玻璃相保护层,因此厚膜电阻的抗湿性高于薄膜电阻。


贴片电阻的具体选型中,一个参数必须根据所有参数的经济性加以权衡。与采用全面优异性能的电阻相比,这样可以节省成本,因为不需要调整电路 (及组装相关组件的成本)。主要通过电阻而不是有源器件提高精度也可以节省成本,因为有源器件略微提高一点性能所需的成本要比电阻高的多。

原作者 Yuval Hernik, 毕业于 Technion (以色列理工学院) 电子工程系。自2008年以来,一直担任 Vishay Precision Group 大金属箔电阻应用工程部总监。
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