作者：Ove Hach， Vishay BCcomponents Beyschlag GmbH

近幾十年來，數(shù)字化的不斷進步深刻地改變了我們的生活。我們?nèi)粘Ｉ畹拿總€領(lǐng)域都離不開數(shù)字電路。功能越來越強大的微控制器使得將模擬信號轉(zhuǎn)換為高分辨率數(shù)字信號成為可能。在選擇上游測量放大器的電阻時需要考慮哪些因素？為了使模擬電路適合數(shù)字電路，有哪些可能避免的錯誤？

在大多數(shù)情況下，模擬信號由阻抗比決定。如果硬件開發(fā)人員能夠了解長期保持穩(wěn)定的精密模擬電子電路的好處，他們就可以利用數(shù)字系統(tǒng)的完整分辨率。本文將重點討論線性固定電阻器的阻抗。

數(shù)字交流/直流轉(zhuǎn)換

數(shù)字化是將數(shù)值空間和時間空間中連續(xù)的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)值空間和時間空間中離散的信號。

表1

說明：A/D轉(zhuǎn)換器最重要的參數(shù)及其對應(yīng)值

A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率會具有另外的作用。其他基本條件（例如Kotelnikov和Shannon的采樣定理、混疊濾波器或各種類型的A/D轉(zhuǎn)換器）不在本文討論范圍之內(nèi)。

模擬信號處理

在測量技術(shù)領(lǐng)域，信息并不能始終用作數(shù)字或頻率信號。信號幅度必須使用分壓器降低到適合A/D轉(zhuǎn)換器的水平，或者使用放大器而提高。分壓器的比例因子或運算放大器的增益因子取決于兩個電阻的相對性能。這意味著只要兩個電阻的性能同樣好或同樣差，兩個電阻的比率就始終相同，因此，電路與電阻的屬性無關(guān)。然而，電阻器的屬性永遠不會相同，這意味著兩個電阻器的比率會發(fā)生變化。該比率隨環(huán)境溫度、功耗和不同薄膜溫度下的老化而變化。

TCR跟蹤的影響

本例采用分壓器研究環(huán)境溫度對各種溫度系數(shù)的影響。形成完整的差分會產(chǎn)生一個近似方程式，而該方程式可以估算由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化對于比例因子產(chǎn)生的影響。

方程式1

假定A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率對應(yīng)于允許的誤差，并且兩個電阻器都經(jīng)歷相同的溫度變化，則根據(jù)所要求的TCR跟蹤，通過置換而得到以下近似方程式。

方程式2

在電子表格程序中，兩個電阻器的必要TCR跟蹤可以根據(jù)彼此數(shù)據(jù)相互估算，作為分壓器所需精度和所用溫度范圍的函數(shù)。

對于緊鄰參考溫度范圍內(nèi)運行的應(yīng)用，如音頻，必要的TCR跟蹤表明溫度系數(shù)之間允許存在相應(yīng)的較大偏差。然而，如果對精度的要求很嚴格，則建議在溫度波動約10 K時使用高級薄膜電阻器。

表2

說明：顏色表示電阻器從厚膜電阻、薄膜電阻向箔電阻發(fā)展的技術(shù)建議

薄膜芯片排阻器

電路中的電阻會受到環(huán)境溫度和功耗的影響。在此類應(yīng)用中，電阻值根據(jù)溫度應(yīng)力和所使用的電阻材料而以不同的速率變大或變小。如果電阻因溫度差異而出現(xiàn)不同程度的老化，分壓器的比例因子將在使用壽命內(nèi)變化。為了最大程度地降低質(zhì)量維護和校準(zhǔn)成本，對于精密測量工程，必須考慮具有相同溫度系數(shù)和容差對的電阻器。如果將所需的電阻器設(shè)計在一個基板上，則所有電阻器均由溫度系數(shù)幾乎相同的同一電阻材料制成。由于在相同的基板上，電阻器在使用期間要承受相同的溫度。結(jié)果，老化效應(yīng)的速率和幅度實際上也相同。

下圖顯示了用于芯片排阻器的陶瓷基板。每個單獨的芯片排阻器上至少存在兩個具有相同屬性的電阻器。此例中采用一個具有四個單獨電阻值的排阻器。

圖1

說明：芯片排阻器的陶瓷基板

溫度對電阻器性能的影響幾乎毫無關(guān)聯(lián)，因為芯片排阻器由相同的電阻材料制成，并且由于共同的TCR退火工藝，它們的溫度系數(shù)曲線幾乎相同。如果施加在芯片排阻器上的應(yīng)力不同，則溫度較高的電阻器會將承受較小應(yīng)力的電阻器升高到幾乎相同的溫度。在測量溫度時，滿負荷電阻與無負荷的電阻之間僅測得約3 K的溫差（見圖2）。

圖2

有了這些結(jié)果，各個電阻器的值變化可以使用漂移方程來估算，而且可以確定每個電阻器的相對偏移變化。下圖3顯示，在8位A/D轉(zhuǎn)換器中使用的分立式薄膜電阻器的漂移可以忽略不計，但對于10位轉(zhuǎn)換器，LSB僅在5000小時后出現(xiàn)誤差。 對于12位及更高位的轉(zhuǎn)換器，建議使用芯片排阻，因為即使在運行的最初幾個小時內(nèi)，分立式電阻的阻值變化仍會超過分辨率。

圖3

公差的影響

仍然需要指出的是，可根據(jù)要求為芯片排阻提供公差匹配。通過此功能，如果有必要，可以消除電子生產(chǎn)線末端的校準(zhǔn)步驟，從而提高SMD生產(chǎn)線的效率。

模擬電路的規(guī)則

用于高分辨率數(shù)字系統(tǒng)的模擬信號處理是一項有挑戰(zhàn)性的綜合任務(wù)。為了使工作能夠以更具結(jié)構(gòu)化的方式手動進行，以下是一些處理電阻器或開發(fā)具有高數(shù)字分辨率的模擬電路的基本規(guī)則：

·勿將分壓器直接連接到A/D轉(zhuǎn)換器。要始終在二者之間連接阻抗轉(zhuǎn)換器

·如果使用的溫度偏離+20 °C的電阻器參考溫度，則注意TCR效應(yīng)

§電阻器的TCR不是線性的

§電阻器的TCR隨生產(chǎn)批次而不同

§一個包裝批次中可以有兩個生產(chǎn)批次

§使用樣品在實驗室中可行的操作在第一批產(chǎn)品的生產(chǎn)中可能會出錯

·為了最大程度地減小功耗對偏移量的影響，應(yīng)使用盡可能大的電阻

·在一個信號路徑中，將電阻器盡可能靠近放置，使它們溫度保持接近

§注意！注意絕緣坐標(biāo)

·注意熱效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）

§避免使用徑向布線的電阻；最好采用軸向設(shè)計

§僅將SMD電阻放置在與熱流平行的位置

§注意與電路板走線的熱關(guān)系相同

·使用盡可能長期穩(wěn)定的電阻

§注意EN 60115-1中連續(xù)負荷條件下的漂移規(guī)格

§“典型”規(guī)格表示未經(jīng)統(tǒng)計驗證的平均值

·盡可能使用薄膜芯片排阻器，因為這些產(chǎn)品提供了TCR和偏移跟蹤或公差匹配

所有行業(yè)領(lǐng)域都使用檢測模擬信號并針對數(shù)字電路進行處理的方式。沒有一個電阻器系列可以滿足所有領(lǐng)域的要求。因此，Vishay推出了廣泛的產(chǎn)品組合。在初步選擇時需要提供支持的客戶以及有特殊問題的客戶可以直接聯(lián)系適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品專家。

關(guān)于作者：

Ove Hach于1998年開始擔(dān)任Vishay Intertechnology的應(yīng)用工程師，目前則擔(dān)任Vishay Draloric和Vishay Beyschlag電阻器品牌的產(chǎn)品營銷高級經(jīng)理。Hach擁有基爾應(yīng)用科技大學(xué)的Dipl. -Ing. （FH） 學(xué)位，自2005年以來一直是DKE K663標(biāo)準(zhǔn)化委員會的成員。