高分辨率数字系统中的电阻器

作者：Ove Hach， Vishay BCcomponents Beyschlag GmbH

近几十年来，数字化的不断进步深刻地改变了我们的生活。我们日常生活的每个领域都离不开数字电路。功能越来越强大的微控制器使得将模拟信号转换为高分辨率数字信号成为可能。在选择上游测量放大器的电阻时需要考虑哪些因素？为了使模拟电路适合数字电路，有哪些可能避免的错误？

在大多数情况下，模拟信号由阻抗比决定。如果硬件开发人员能够了解长期保持稳定的精密模拟电子电路的好处，他们就可以利用数字系统的完整分辨率。本文将重点讨论线性固定电阻器的阻抗。

数字交流/直流转换

数字化是将数值空间和时间空间中连续的信号转换为数值空间和时间空间中离散的信号。

表1

说明：A/D转换器最重要的参数及其对应值

A/D转换器的分辨率会具有另外的作用。其他基本条件（例如Kotelnikov和Shannon的采样定理、混叠滤波器或各种类型的A/D转换器）不在本文讨论范围之内。

模拟信号处理

在测量技术领域，信息并不能始终用作数字或频率信号。信号幅度必须使用分压器降低到适合A/D转换器的水平，或者使用放大器而提高。分压器的比例因子或运算放大器的增益因子取决于两个电阻的相对性能。这意味着只要两个电阻的性能同样好或同样差，两个电阻的比率就始终相同，因此，电路与电阻的属性无关。然而，电阻器的属性永远不会相同，这意味着两个电阻器的比率会发生变化。该比率随环境温度、功耗和不同薄膜温度下的老化而变化。

TCR跟踪的影响

本例采用分压器研究环境温度对各种温度系数的影响。形成完整的差分会产生一个近似方程式，而该方程式可以估算由于环境温度变化引起的电阻变化对于比例因子产生的影响。

方程式1

假定A/D转换器的分辨率对应于允许的误差，并且两个电阻器都经历相同的温度变化，则根据所要求的TCR跟踪，通过置换而得到以下近似方程式。

方程式2

在电子表格程序中，两个电阻器的必要TCR跟踪可以根据彼此数据相互估算，作为分压器所需精度和所用温度范围的函数。

对于紧邻参考温度范围内运行的应用，如音频，必要的TCR跟踪表明温度系数之间允许存在相应的较大偏差。然而，如果对精度的要求很严格，则建议在温度波动约10 K时使用高级薄膜电阻器。

表2

说明：颜色表示电阻器从厚膜电阻、薄膜电阻向箔电阻发展的技术建议

薄膜芯片排阻器

电路中的电阻会受到环境温度和功耗的影响。在此类应用中，电阻值根据温度应力和所使用的电阻材料而以不同的速率变大或变小。如果电阻因温度差异而出现不同程度的老化，分压器的比例因子将在使用寿命内变化。为了最大程度地降低质量维护和校准成本，对于精密测量工程，必须考虑具有相同温度系数和容差对的电阻器。如果将所需的电阻器设计在一个基板上，则所有电阻器均由温度系数几乎相同的同一电阻材料制成。由于在相同的基板上，电阻器在使用期间要承受相同的温度。结果，老化效应的速率和幅度实际上也相同。

下图显示了用于芯片排阻器的陶瓷基板。每个单独的芯片排阻器上至少存在两个具有相同属性的电阻器。此例中采用一个具有四个单独电阻值的排阻器。

图1

说明：芯片排阻器的陶瓷基板

温度对电阻器性能的影响几乎毫无关联，因为芯片排阻器由相同的电阻材料制成，并且由于共同的TCR退火工艺，它们的温度系数曲线几乎相同。如果施加在芯片排阻器上的应力不同，则温度较高的电阻器会将承受较小应力的电阻器升高到几乎相同的温度。在测量温度时，满负荷电阻与无负荷的电阻之间仅测得约3 K的温差（见图2）。

图2

有了这些结果，各个电阻器的值变化可以使用漂移方程来估算，而且可以确定每个电阻器的相对偏移变化。下图3显示，在8位A/D转换器中使用的分立式薄膜电阻器的漂移可以忽略不计，但对于10位转换器，LSB仅在5000小时后出现误差。 对于12位及更高位的转换器，建议使用芯片排阻，因为即使在运行的最初几个小时内，分立式电阻的阻值变化仍会超过分辨率。

图3

公差的影响

仍然需要指出的是，可根据要求为芯片排阻提供公差匹配。通过此功能，如果有必要，可以消除电子生产线末端的校准步骤，从而提高SMD生产线的效率。

模拟电路的规则

用于高分辨率数字系统的模拟信号处理是一项有挑战性的综合任务。为了使工作能够以更具结构化的方式手动进行，以下是一些处理电阻器或开发具有高数字分辨率的模拟电路的基本规则：

·勿将分压器直接连接到A/D转换器。要始终在二者之间连接阻抗转换器

·如果使用的温度偏离+20 °C的电阻器参考温度，则注意TCR效应

§电阻器的TCR不是线性的

§电阻器的TCR随生产批次而不同

§一个包装批次中可以有两个生产批次

§使用样品在实验室中可行的操作在第一批产品的生产中可能会出错

·为了最大程度地减小功耗对偏移量的影响，应使用尽可能大的电阻

·在一个信号路径中，将电阻器尽可能靠近放置，使它们温度保持接近

§注意！注意绝缘坐标

·注意热效应（塞贝克效应）

§避免使用径向布线的电阻；最好采用轴向设计

§仅将SMD电阻放置在与热流平行的位置

§注意与电路板走线的热关系相同

·使用尽可能长期稳定的电阻

§注意EN 60115-1中连续负荷条件下的漂移规格

§“典型”规格表示未经统计验证的平均值

·尽可能使用薄膜芯片排阻器，因为这些产品提供了TCR和偏移跟踪或公差匹配

所有行业领域都使用检测模拟信号并针对数字电路进行处理的方式。没有一个电阻器系列可以满足所有领域的要求。因此，Vishay推出了广泛的产品组合。在初步选择时需要提供支持的客户以及有特殊问题的客户可以直接联系适当的产品专家。

关于作者：

Ove Hach于1998年开始担任Vishay Intertechnology的应用工程师，目前则担任Vishay Draloric和Vishay Beyschlag电阻器品牌的产品营销高级经理。Hach拥有基尔应用科技大学的Dipl. -Ing. （FH） 学位，自2005年以来一直是DKE K663标准化委员会的成员。