常用電阻優(yōu)缺點(diǎn)比較

1、常用電阻的優(yōu)缺點(diǎn)比較作者：Vishay公司YuvalHernik近二十年來，電子工業(yè)以驚人的速度發(fā)展。新技術(shù)的進(jìn)步在減小設(shè)備尺寸的同時(shí)，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，晶片電阻當(dāng)前始終保持很高的需求，并且是許多電路的基礎(chǔ)構(gòu)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(zhǔn)備的工作量。隨著應(yīng)用的普及，晶片電阻具有越來越重要的作用。主要參數(shù)包括ESD保護(hù)、熱電動(dòng)勢(shì)（EMF）、電阻熱系數(shù)（TCR）、自熱性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、功率系數(shù)和噪聲等。以下技術(shù)對(duì)比中將討論線繞電阻在精密電路中的應(yīng)用。不過請(qǐng)注意，線繞電阻沒有晶片型，因此，受重量和尺寸限制需要采用精密晶片電阻的應(yīng)用不使

2、用這種電阻。盡管升級(jí)每個(gè)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(gè)組件都具有關(guān)系到整體性能的內(nèi)在優(yōu)缺點(diǎn)，特別是短期和長(zhǎng)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(shù)方面取得了進(jìn)步，而從單位性能成本考慮，每種電阻都有許多需要加以權(quán)衡的因素。各種電阻技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示，表中給出了熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力對(duì)電阻電氣特性的影響。表1:不同類型電阻的特性電陰洱庠系數(shù)(KR)-55%至1Z5T,+25xsa初始誤差壽金期末誤羞憩定性+7O*C頡定功豐下2000/icoocS時(shí)ESD(V)藝轉(zhuǎn)定性喘蘆(dB)Bulk0.2ppn/C

3、最小C*.0：5%0.005%(50ppni-.CM?丄性ilOOppm)25.0001秒-42電阻5ppm/C0.05%(500ppm；0.15;(1500ppmj2500幾分誓厚腥電隕5Gpp最小a55%0.5(5000(20000ppm/2000幾分鐘*20豉疑電阻3ppm.C盤小0005J0.05%5D0ppm-；(l&QCppm5000-幾分種*35應(yīng)力（無論機(jī)械應(yīng)力還是熱應(yīng)力）會(huì)造成電阻電氣參數(shù)改變。當(dāng)形狀、長(zhǎng)度、幾何結(jié)構(gòu)、配置或模塊化結(jié)構(gòu)受機(jī)械或其他方面因素影響發(fā)生變化時(shí)，電氣參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，這種變化可用基本方程式來表示：R=pL/A，式中R=電阻值，以歐姆為單位，p=材料電阻

4、率，以歐姆米為單位，L=電阻元件長(zhǎng)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(shí)產(chǎn)生熱量，熱反應(yīng)會(huì)使器件的每種材料發(fā)生膨脹或收縮機(jī)械變化。環(huán)境溫度條件也會(huì)產(chǎn)生同樣的結(jié)果。因此，理想的電阻元件應(yīng)能夠根據(jù)這些自然現(xiàn)象進(jìn)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(jìn)行熱效應(yīng)或應(yīng)力效應(yīng)補(bǔ)償，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。精密線繞電阻線繞電阻一般分為“功率線繞電阻”和“精密線繞電阻”。功率線繞電阻使用過程中會(huì)發(fā)生很大變化，不適于精密度要求很高的情況下使用。因此，本討論不考慮這種電阻。線繞電阻的制作方法一般是將絕緣電阻絲纏繞在特定直徑的線軸上。不同線徑、長(zhǎng)度和合金材料可以達(dá)到所

5、需電阻和初始特性。精密線繞電阻ESD穩(wěn)定性更高，噪聲低于薄膜或厚膜電阻。線繞電阻還具有TCR低、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。線繞電阻初始誤差可以低至土0.005%。TCR（溫度每變化一攝氏度，電阻的變化量）可以達(dá)到3ppm/C典型值。不過，降低電阻值，線繞電阻一般在15ppm/C到25ppm/C。熱噪聲降低，TCR在限定溫度范圍內(nèi)可以達(dá)到土2ppm/C。線繞電阻加工過程中，電阻絲內(nèi)表面（靠近線軸一側(cè)）收縮，而外表面拉伸。這道工藝產(chǎn)生永久變形相對(duì)于彈性變形或可逆變形，必須對(duì)電阻絲進(jìn)行退火。永久性機(jī)械變化（不可預(yù)測(cè)）會(huì)造成電阻絲和電阻電氣參數(shù)任意變化。因此，電阻元件電性能參數(shù)存在很大的不確定性。由于線圈結(jié)構(gòu)，

6、線繞電阻成為電感器，圈數(shù)附近會(huì)產(chǎn)生線圈間電容。為提高使用中的響應(yīng)速度，可以采用特殊工藝降低電感。不過，這會(huì)增加成本，而且降低電感的效果有限。由于設(shè)計(jì)中存在的電感和電容，線繞電阻高頻特性差，特別是50kHz以上頻率。兩個(gè)額定電阻值相同的線繞電阻，彼此之間很難保證特定溫度范圍內(nèi)精確的一致性，電阻值不同，或尺寸不同時(shí)更為困難（例如，滿足不同的功率要求）。這種難度會(huì)隨著電阻值差異的增加進(jìn)一步加劇。以1-kQ電阻相對(duì)于100-kQ電阻為例，這種不一致性是由于直徑、長(zhǎng)度，并有可能由于電阻絲使用的合金不同造成的。而且，電阻芯以及每英寸圈數(shù)也不同一機(jī)械特性對(duì)電氣特性的影響也不一樣。由于不同的電阻值具有不同的熱

7、機(jī)特性，因此它們的工作穩(wěn)定性不一樣，設(shè)計(jì)的電阻比在設(shè)備生命周期中會(huì)發(fā)生很大變化。TCR特性和比率對(duì)于高精度電路極為重要。傳統(tǒng)線繞電阻加工方法不能消除纏繞、封裝、插入和引線成型工藝中產(chǎn)生的各種應(yīng)力。固定過程中，軸向引線往往采用拉緊工藝，通過機(jī)械力加壓封裝。這兩種方法會(huì)改變電阻，無論加電或不加電。從長(zhǎng)期角度看，由于電阻絲調(diào)整為新的形狀，線繞元件會(huì)發(fā)生物理變化。薄膜電阻薄膜電阻由陶瓷基片上厚度為50?至250?的金屬沉積層組成（采用真空或?yàn)R射工藝）。薄膜電阻單位面積阻值高于線繞電阻或BulkMetal?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(shí)，薄膜電阻更為經(jīng)濟(jì)并節(jié)省空間。它們具有

8、最佳溫度敏感沉積層厚度，但最佳薄膜厚度產(chǎn)生的電阻值嚴(yán)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(shí)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(gè)電阻范圍內(nèi)是可變的。這種化學(xué)/機(jī)械老化還包括電阻合金的高溫氧化。此外，改變最佳薄膜厚度還會(huì)嚴(yán)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(huì)帶入雜質(zhì)，產(chǎn)生的化學(xué)腐蝕會(huì)在低壓直流應(yīng)用幾小時(shí)內(nèi)造成薄膜電阻開路。改變最佳薄膜厚度會(huì)嚴(yán)重影響TCR。由于較薄的沉積層更容易氧化，因

9、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(shù)中，其噪聲最高。雖然精度低于其他技術(shù)，但我們之所以在此討論厚膜電阻技術(shù)，是由于其廣泛應(yīng)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(diǎn)構(gòu)成完整電阻，但工作中的熱應(yīng)變會(huì)中斷接觸。由于大部分情況下并聯(lián)，厚膜電阻不會(huì)開路，但阻值會(huì)隨著時(shí)間和溫度持續(xù)增加。因此，與其他電阻技術(shù)相比

10、，厚膜電阻穩(wěn)定性差（時(shí)間、溫度和功率）。由于結(jié)構(gòu)中成串的電荷運(yùn)動(dòng)，粒狀結(jié)構(gòu)還會(huì)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(gòu)中的玻璃成分在電阻加工過程中形成玻璃相保護(hù)層，因此厚膜電阻的抗?jié)裥愿哂诒∧る娮?。金屬箔電阻將具有已知和可控特性的特種金屬箔片敷在特殊陶瓷基片上，形成熱機(jī)平衡力對(duì)于電阻成型是十分重要的。然后，采用超精密工藝光刻電阻電路。這種工藝將低TCR、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、無感抗、無ESD感應(yīng)、低電容、快速熱穩(wěn)定性和低噪聲等重要特性結(jié)合在一種電阻技術(shù)中。這些功能有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，精度、穩(wěn)定性和速度之間不必相互妥協(xié)。為獲得精確電阻值，

11、大金屬箔晶片電阻可通過有選擇地消除內(nèi)在“短板”進(jìn)行修整。當(dāng)需要按已知增量加大電阻時(shí)，可以切割標(biāo)記的區(qū)域（圖2），逐步少量提高電阻。EE；曲EE；曲合金特性及其與基片之間的熱機(jī)平衡力形成的標(biāo)準(zhǔn)溫度系數(shù)，在0C至+60C范圍內(nèi)為土1ppm/C（Z箔為0.05ppm/C）（圖3）。FIGURE3-TYPICALRESISTANCE/TEMPERATURECURVE-3OC400B50ZS+6Q7SiaaizsSb樟TCRChord51叩TrnpvrturFtangvMale*TheTCR旳山能lorioaq她詁卄uenc白d七丫the詩rminatZcompositionanctresultinde

12、vidtionfromifiiscurve采用平箔時(shí)，并聯(lián)電路設(shè)計(jì)可降低阻抗，電阻最大總阻抗為0.08uH。最大電容為0.05pF。1-kQ電阻設(shè)置時(shí)間在100MHZ以下小于1ns。上升時(shí)間取決于電阻值，但較高和較低電阻值相對(duì)于中間值僅略有下降。沒有振鈴噪聲對(duì)于高速切換電路是十分重要的，例如信號(hào)轉(zhuǎn)換。100MHZ頻率下，1-kQ大金屬箔電阻直流電阻與其交流電阻的對(duì)比可用以下公式表示:交流電阻/直流電阻=1.001The-rraldesignotsurlacrnountchiprotj,G&tcrrasistorwitheriremel/lowtiiejTBalEL1F.Drawingnotto

13、seals圖4:大金屬箔電阻結(jié)構(gòu)金屬箔技術(shù)全面組合了高度理想的、過去達(dá)不到的電阻特性，包括低溫度系數(shù)(0C至+60C為0.05ppm/C)，誤差達(dá)到土0.005%(采用密封時(shí)低至土0.001%)，負(fù)載壽命穩(wěn)定性在70C，額定加電2000小時(shí)的情況下達(dá)到土0.005%(50ppm)，電阻間一致性在0C至+60C時(shí)為0.1ppm/C，抗ESD高達(dá)25kV。性能要求？當(dāng)然并非每位設(shè)計(jì)師的電路都需要全部高性能參數(shù)。技術(shù)規(guī)格相當(dāng)差的電阻同樣可以用于大量應(yīng)用中，這方面的問題分為四類：現(xiàn)有應(yīng)用可以利用大金屬箔電阻的全部性能升級(jí)。現(xiàn)有應(yīng)用需要一個(gè)或多個(gè)，但并非全部“行業(yè)最佳”性能參數(shù)。先進(jìn)的電路只有利用精密電阻改進(jìn)的技術(shù)規(guī)格才能開發(fā)。(4)有目的地提前計(jì)劃使用精密電阻滿足今后升級(jí)要求(例如，利用電阻而不是有源器件保持電路精度，從而節(jié)省成本，否則僅僅為了略微提高性能則要顯著增加成本)。例如，在第二(2)類情況下，一個(gè)參數(shù)必須根據(jù)所有參數(shù)的經(jīng)濟(jì)性加以權(quán)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?yàn)椴恍枰{(diào)整電