Резисторы в аналоговой и цифроаналоговой технике - часть 1
Несмотря на кажущуюся простоту, дешевизну и распространенность, современный SMD резисторы для поверхностного монтажаявляются весьма сложным устройством, при изготовлении которого используются многие достижения современных высоких технологий.
Для того, чтобы убедиться в этом, достаточно взглянуть на упрощенную внутреннюю структуру такого непроволочного резистора, представленную на рис.1.
Основным несущим элементом резистора является подложка, изготовленная из окиси аллюминия (Al2O3).
Этот материал обладает хорошими диэлектрическими свойствами, но помимо этого имеет очень высокую теплопроводность, что необходимо для отвода тепла, выделяющегося в резистивном слое, в окружающую среду.
Основные (но не все!) электрические характеристики резистора определяются резистивным элементом, в качестве которого чаще всего используется пленка металла или окисла, например чистого хрома или двуокиси рутения, нанесенная на подложку.
Состав, технология нанесения на подложку и характер обработки этой пленки являются важнейшими элементами, определяющими характеристики резистора, и чаще всего представляют производственный секрет фирмы производителя.
Некоторые виды - резисторы проволочные - в качестве резистивного материала используют тонкую (до 10 мкм) проволоку из материала с низким температурным коэффициентом сопротивления (например, константана), намотанную на подложку. В последнем случае номинал резистора обычно не превышает 100 Ом.
Для соединения резистивного элемента с проводниками печатной платы служат несколько слоев контактных элементов.
Внутренний контактный слой обычно выполнен из серебра или палладия, промежуточный слой представляет собой тонкую пленку никеля, а внешний – свинцово-оловянный припой.
Такая сложная контактная конструкция предназначена для обеспечения надежной взаимной адгезии слоев. От качества выполнения контактных элементов резистора зависят такие его характеристики, как надежность и токовые шумы.
Последним элементом конструкции SMD резистора является защитный слой, обеспечивающий предохранение всех элементов конструкции резистора от воздействия факторов окружающей среды и в первую очередь от влаги. Этот слой выполняется из стекла или полимерных материалов.
На рис.2. приведены обозначения геометрических параметров SMD резисторов.
Основные геометрические и некоторые электрические характеристики SMD резисторов определяются их типоразмерами, наиболее употребительные из которых приведены в таблице 1.
Таблица 1
|
Типоразмер
|
Максимально
допустимая
мощность, Вт
|
Максимальное
рабочее
напряжение, В
|
L, мм
|
W, мм
|
H, мм
|
T, мм
|
|
0402
|
0,0625
|
50
|
1,0±0,05
|
0,5±0,05
|
0,35±0,05
|
0,35±0,05
|
|
0603
|
0,1
|
50
|
1,6±0,15
|
0,8±0,15
|
0,45±0,1
|
0,45±0,1
|
|
0805
|
0,125
|
150
|
2,0±0,05
|
1,25±0,2
|
0,5±0,1
|
0,5±0,1
|
|
1206
|
0,25
|
200
|
3,1±0,05
|
1,6±0,15
|
0,6±0,1
|
0,6±0,1
|
|
1210
|
0,33
|
200
|
3,1±0,1
|
2,6±0,15
|
0,5±0,2
|
0,5±0,2
|
|
1812
|
0,5
|
200
|
4,5±0,1
|
3,2±0,15
|
0,5±0,2
|
0,5±0,2
|
|
2010
|
0,75
|
200
|
5,0±0,1
|
2,5±0,15
|
0,5±0,2
|
0,5±0,2
|
|
2512
|
1,0
|
200
|
6,35±0,1
|
3,2±0,15
|
0,5±0,2
|
0,5±0,2
|
Важнейшими характеристиками резисторов являются величина номинального сопротивления, допуск на эту величину и температурный коэффициент изменения сопротивления.
С этими характеристиками тесно связаны допустимая рассеиваемая мощность и тепловое сопротивление между резистором и окружающей средой.
Кроме того, в некоторых областях применения резисторов могут оказаться существенными их шумовые характеристики (особенно токовый шум) а также временная стабильность, предельная величина рабочего напряжения, зависимость сопротивления от приложенного напряжения и частотные параметры резистора (характеристики его эквивалентной схемы на различных частотах).
Рассмотрим важнейшие из этих характеристик с точки зрения применения резисторов в аналоговых и цифроаналоговых электронных устройствах. Таковыми являются величина номинального сопротивления, допуск на эту величину и температурный коэффициент изменения сопротивления.
Допуск на величину номинального сопротивления задается в процентах от номинального значения сопротивления.
Номинальное значение – это величина сопротивления резистора, измеренная при фиксированных значениях факторов внешних воздействий.
Важнейшим среди этих факторов является температура. Обычно номинальное значение сопротивления приводится для температуры +20°С и нормального атмосферного давления.
SMD резисторы выпускаются с допусками на номинальное сопротивление в пределах от ±0.05% до ±5%. Разработчикам следует иметь в виду, что самыми распространенными, доступными и дешевыми являются резисторы с допуском на номинальное значение ±5% и ±1%.
Более точные резисторы обычно требуют предварительного заказа и их стоимость возрастает в несколько раз.
Температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) называется величина, характеризующая обратимое относительное изменение сопротивление резистора при изменении его температуры на 1°С.
Следует иметь в виду, что изменение температуры резистора может происходить как из-за изменения температуры окружающей среды, так и из-за его саморазогрева.
Значение ТКС определяется по формуле:
ТКС=DR/(R*DТ)
где DR – абсолютное значение изменения сопротивления при изменении температуры резистора на величину DТ,
R – номинальное значение сопротивления резистора.
Величина ТКС измеряется в 1/ °С, однако, чаще всего ее измеряют в единицах ppm (1ppm=10E-6 1/°С). Современные SMD резисторы выпускаются со значением ТКС в пределах от ±5 до ±200 ppm.
Интересно сопоставить влияние на общее отклонение от номинального значения сопротивления резистора его допуска и температурного изменения. Это сопоставление можно выполнить введением такого параметра, как критическая температура Тк, определяемая как изменение температуры резистора, при которой изменение его сопротивления, определяемое величиной ТКС, сравняется с допуском на номинальное сопротивление.
Значение Тк для различных значений допусков и ТКС приведено в таблице 2.
Таблица 2
|
Допуск на номинальное значение сопротивления резистора, %
|
|
ТКС, ppm
|
5
|
2
|
1
|
0,5
|
0,2
|
0,1
|
0,05
|
|
|
Значение критической температуры Тк, °C
|
|
±200
|
250
|
100
|
50
|
25
|
10
|
5
|
2,5
|
|
±100
|
500
|
200
|
100
|
50
|
20
|
10
|
5
|
|
±50
|
|
400
|
200
|
100
|
40
|
20
|
10
|
|
±25
|
|
|
400
|
200
|
80
|
40
|
20
|
|
±15
|
|
|
|
333
|
133
|
67
|
33
|
|
±10
|
|
|
|
500
|
200
|
100
|
50
|
|
±5
|
|
|
|
|
400
|
200
|
100
|
Из этой таблицы видно, что выпуск резисторов с допуском ±0.05% и ТКС равным ±25... ±200ppm является бессмысленным, так как изменение температуры резистора на 20°С может иметь место даже за счет его саморазогрева.
В то же время критическая температура для резисторов с допуском ±0.05% меньше диапазона допустимой рабочей температуры, которая для большинства SMD резисторов составляет от –55 до +125 °С.
Рассмотрим пример простейшей аналоговой схемы – инвертора на операционном усилителе (рис.3.) и оценим ее точностные характеристики с точки зрения применяемых резисторов.
Коэффициент передачи этой схемы К без учета погрешностей, вносимых операционным усилителем, определяется выражением:
К=-U1/U2=-R3/R1.
Учитывая малое значение допуска на величину номинального сопротивления резистора, можно с достаточной степенью точности утверждать, что при наихудшем сочетании допусков на резисторы допуск на значение К в два раза больше допуска на номинал резистора.
Это значит, что для применяя в данной схеме SMD резисторы наивысшей точности и без учета влияния нагрева резисторов невозможно достижение точности коэффициента передачи выше ±0.1%!
Такой точности явно недостаточно для многих аналоговых устройств. К счастью, в действительности ситуация несколько легче. Дело в том, что в приведенном выражении для коэффициента передачи его точность определяется не абсолютными значениями сопротивлений резисторов R1 и R3, а их отношением.
Если для схемы используются резисторы одной фирмы и одной партии, то значения их ТКС и номинальных значений могут быть значительно ближе, чем паспортные данные на каждый резистор в отдельности.
Это позволяет существенно повысить результирующую точность схемы, как при нормальной температуре, так и при ее изменении.
Однако, на практике применить предложенный подход к уменьшению погрешности схем не так просто!
В рассмотренной выше схеме он хорошо работает только при К=-1, так как для этого требуются одинаковые резисторы, которые могут быть выбраны из одной партии. При других значениях К эта схема не даст требуемой точности, так как для резисторов разных номиналов вероятность расхождения параметров (особенно ТКС) существенно возрастает.
Для выхода из этого затруднения при К=-2 можно предложить схему, представленную на рис.4.
В этой схеме, несмотря на кажущуюся на первый взгляд ее нелогичность (два последовательно соединенных резистора вместо одного), можно применить резисторы одного номинала, из одной партии и, таким образом, использовать все преимущества предложенного выше подхода к повышению точности схемы.
Совершенно ясно, что подобный подход может быть использован и для других значений коэффициентов передачи К.
В заключение можно сформулировать несколько простых правил применения резисторов в аналоговых и цифроаналоговых схемах, способствующих уменьшению погрешностей.
1. Рекомендуется использовать такие схемные решения, в которых конечная погрешность схемы определяется не абсолютными значениями резисторов, а их отношениями.
2. По возможности следует использовать в схеме максимальное количество резисторов одного номинала. Для получения резисторов различных номиналов рекомендуется использовать комбинации из последовательного и/или параллельного соединения резисторов одного номинала.
3. Для прецизионных схем рекомендуется использовать резисторы самых больших типоразмеров, обеспечивающих наилучший отвод тепла и, таким образом, уменьшающих саморазогрев резисторов.
Семенякина О.А.
ЗАО "Реом СПб"
Внимание! Все материалы сайта охраняются законом об авторском праве. Любая перепечатка информации, изложенной в любом разделе допускается только со ссылкой на страницу, откуда взята перепечатанная информация.
Смотрите также: резисторы сп39