1 电阻
1.1 电阻的作用
- 分压、分流、限流
- 全频段滤波
- 降低电路的品质因数Q
- 信号通路:Q越大,同频特性越陡,容易发生振铃,信号容易失真
- 储能电路:Q越大损耗越小
- 选频电路:Q越大滤波能力越强
- 在高速电路中对不同接时序兼容:不同板卡使用匹配电阻+0欧电阻进行时序兼容
1.2 电阻选型要点
电阻选型主要从以下几点考虑:
1、电阻的阻值:电阻阻值通常采用的是E24标准(5%)和E96标准(1%),也有精度更高的E192标准(阻值表查询)。
在阻值选用时,尽量选取常用阻值,往往价格更低。由于目前1%高精度电阻价格也不贵,在一份原理图中,对于同阻值不同精度的电阻,可考虑都用高精度型号,减少元器件型号的数量。
2、电阻的尺寸:通常所说的贴片电阻尺寸使用的是EIA(美国电子工业协会)代码,以英寸为单位。
在电阻选型过程中,通常需要预估电路面积,在满足功率要求前提下选择合适的电阻尺寸。
图1.1 电阻尺寸表
3、电阻的额定功率:电阻的额定功率不可忽略,需要降额使用,可依据厂家给的功率曲线按60%降额使用。在电流采样时需要着重考虑电阻额定功率是否满足要求;在时钟电源电路中,若使用电阻作为全频段的噪声衰减器,也需要考虑流过电阻的电流大小。
电阻手册给出的额定功率为一定温度范围内的值,在超出温度范围的使用情况下,须参考数据手册给出的温度-额定功率曲线。
4、电阻的精度:当电阻用于采样等用途时,需采用更高精度的阻值,1%及以上。
5、电阻的温漂(TCR):表示温度改变
1
∘
C
1^{\circ}C
1∘C时,电阻值的相对变化,单位为
p
p
m
/
∘
C
ppm/^\circ C
ppm/∘C(ppm:百万分之)。
T
C
R
=
R
2
−
R
1
R
1
⋅
Δ
T
=
R
2
−
R
1
R
1
⋅
(
T
2
−
T
1
)
(平均)
TCR=\dfrac{R_2-R_1}{R_1 \cdot \Delta T} = \dfrac{R_2-R_1}{R_1 \cdot (T_2-T_1)} \text{(平均)}
TCR=R1⋅ΔTR2−R1=R1⋅(T2−T1)R2−R1(平均)
温度敏感应用场景下需要考虑使用金属箔电阻(金属箔电阻:温度升高,金属的电导率下降,阻抗增大;但由于基质材料热胀冷缩,电阻结构压缩引起内部阻抗减小)。
6、最大电压:根据额定功率和电阻值能算出一个工作电压,但厂家给的手册上会单独给出一个工作电压(Working Voltage)和最大负载电压(Max Overload Voltage),实际应取计算出的工作电压和最大负载电压之间的较小值,再考虑75%左右降额来使用。超过厂家给的最大负载电压使用,从散热角度可以接受,但可能会在膜层的刻槽间发生飞弧击穿而损坏电阻。
1.3 电阻的主要使用场景
1.3.1 上、下拉电阻
上下拉电阻作用
-
维持输入引脚处于稳定状态。有时输入引脚悬空(高阻态)时,会造成输入结果是不定态,引起输出振荡;或者其他场合(按键电路、CMOS芯片引脚)不希望出现高阻态,可以通过上下拉电阻的方式稳定引脚的输入状态。
-
配合MOS管实现电平转换电路。
-
总线的I/O接口上下拉电阻。例如IIC电路的上拉电阻,需要根据总线传输速率和总线电路的寄生电容大小。
-
增加引脚的驱动能力。
-
电平标准匹配。
-
增强电路的抗干扰能力。
阻值选择原则
- 从减小功耗以及芯片的灌电流能力考虑。
- 从确保足够的驱动电流考虑。
- 对于高速电路,过大的上拉电阻可能边沿变平缓,需要电阻与电路寄生电容形成RC滤波电路,影响信号的高频分量的传输。
- 对于不同的电平逻辑,其高低电平的门槛电平不同,需要考虑电阻,保证能正确输出电平。
- 考虑上拉电阻的频率特性。
1.3.2 MOS管栅极驱动电阻
不光是MOS管的栅极,其他频率较高信号的通路也是同理。在PCB走线上,往往存在寄生电感和寄生电容,MOS管的栅极引脚也存在输入寄生电容。在一定频率信号输入下,电感和电容容易发生谐振,此时串入一个合适阻值的电阻,能降低电路品质因数Q,避免振荡产生。
1.3.3 电源反馈电阻
在电源输出反馈应用中,首先需要选用高精度的电阻,反馈电阻的精度和稳定性对电源输出精度和稳定影响比较大。其次,阻值还要考虑电源芯片要求的,流过反馈网络的最小电流。
1.3.4 晶振并联电阻
一个晶振电路在其输出端串联了一个22K的电阻,在其输出端和输入端之间并联了一个10M的电阻,这是由于连接晶振的芯片端内部是一个线性运算放大器,将输入进行反向180度输出,晶振处的负载电容电阻组成的网络提供另外180度的相移,整个环路的相移360度,满足振荡的相位条件,同时还要求闭环增益大于等于1,晶体才正常工作。
晶振输入输出并联上电阻作用是产生负反馈,保证放大器工作在高增益的线性区,一般在M欧级。输出端的电阻与负载电容组成网络,提供180度相移,同时起到限流的作用,防止反向器输出对晶振过驱动,损坏晶振。
1.3.5 0欧电阻
0欧电阻不代表阻值为0,实际阻值的约为几十
m
Ω
m\Omega
mΩ,常见的等级有
20
m
Ω
、
30
m
Ω
、
50
m
Ω
20m\Omega、30m\Omega、50m\Omega
20mΩ、30mΩ、50mΩ三个等级,具体需要参考数据手册。同时,0欧电阻需要考虑其通流能力。
1、作为跳线
第一,实际常使用于单面板上,用来当做跳线,节约成本。一般不建议使用。
第二,在不同功能电路选择的连线上,使用0欧电阻作为跳线。
第三,兼容设计电路中,使用0欧姆电阻来兼容不同的电路连接方式,包括不同的板卡或不同的时序兼容要求。
2、不同地之间进行单点接地
在数字和模拟等混合电路中往往要求两个地之间分开,并且单点连接。此时可以使用0欧电阻,同时也可以使用电感或者磁珠,后续会在磁珠部分进行具体描述。
3、用于保护设计
0欧电阻充当低成本熔丝,对电路进行过流保护。由于PCB走线的熔断电流较大,当发生短路过流等故障是很难熔断。由于0欧电阻电流承受能力较弱,因此电流会先将0欧电阻熔断。
4、为调试预留位置
在匹配电路参数不确定时(如阻抗匹配),用0欧电阻代替,实际调试时再确定参数。
1.3.6 阻抗匹配
输入阻抗:指一个电路输入端的等效阻抗;
输出阻抗:就是一个信号的内阻;可以等效为一个理想电压源串一个电阻。
阻抗匹配
当负载电阻跟信号源内阻相等时,负载可获得最大输出功率,这就是我们常说的阻抗匹配之一。
在低频电路中,一般不考虑传输线的匹配问题,只考虑信号源跟负载之间的情况,因为低频信号的波长相对于传输线来说很长,传输线可以看成是“短线”,反射可以不考虑。如果我们需要输出电流大,则选择小的负载R;如果我们需要输出电压大,则选择大的负载R;如果我们需要输出功率最大,则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。
在高频电路中,需要考虑反射的问题。当信号的频率很高时,则信号的波长就很短,当波长短得跟传输线长度可以比拟时,反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。当信号传输线的特征阻抗和负载阻抗不一致时,阻抗变化,就会在负载端产生反射。因此需要采用端接电阻的方式使阻抗一致。
常用的方法:源端端接、并联端接、戴维宁端接、RC端接