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别让一个电阻“搞垮”整个电路!资深工程师教你读懂电阻和温度的关系
发布日期:2024-10-06 06:34     点击次数:193
电阻作为最基本、最简单的被动元件,往往在设计时得不到足够的重视。经常有客户反馈,购买了一个昂贵的精密运算放大器或高精度ADC模数转换器,而实际电路并没有达到预期的精度。深入调查原因,发现竟然是电阻在作怪。 在电阻选择时,人们对温度因素往往重视不够。电阻的温度系数、封装\热阻、PCB布局布线,都对系统最终的性能有着不可忽略的微妙影响,可能会在不经意间搞垮电路。

电阻温度系数

我们拿一个反相放大器作为例子,来看看电阻的温度漂移如何影响系统整体精度。

 

如下图:

输入电压0到100mV;输出0到10V(放大100倍);假定后接一个12位模数转换器。

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因此,对于精度的要求如下:

产生的误差小于12位模数转换器半个LSB(最低有效位);半个LSB对应于满量程的0.012%,即122 ppm;即电阻产生的误差不应该超过122ppm。

更重要的温度系数匹配

并不是单个电阻的温度系数越低越好,而是要根据实际情况选择最合适的。假定R1、R2的温度系数相近,根据公式Vout= -R2/R1*Vin。随着环境温度变化,R1、R2同比例变大变小。那么,R1、R2会相互抵消一部分温度漂移的影响。因此,R1与R2的温度系数匹配比单个电阻的绝对温度系数更重要。

 

但应注意的是,不同电阻的温度系数可能相差很大,特别是不同批次的电阻。为解决这一问题,使用低成本的电阻网络是一个广泛使用的解决方案。

 

在Digi-Key的网站中,可以还方便地查询到相关电阻网络的产品信息(Digi-Key电阻器网络)。Digi-Key网站提供了详细的参数分类,用户可以根据“电阻匹配比漂移”参数,找到合适的电阻器网络。

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小贴士: 什么是“电阻匹配比漂移”

电阻匹配比漂移也称作相对温度系数(Relative temperature coefficient)。 对于两个绝对温度系数同样为±25ppm/K的电阻。由于批次等原因,这两个电阻相对的温度系数最大可能为±50ppm/K(下图红线)。如果是使用电阻器网络,这两个电阻,可以做到很好匹配(下图蓝线,±5ppm/K)。

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(图片来源:Vishay)

当然,绝对温度系数也很重要。比如使用1,500ppm/°C的碳素电阻就不太适合该应用。即使R1和R2温度系数匹配,很难实现1%,CR Micro(华润微)半导体IC芯片 意味着R1和R2温度系数匹配仍然会有15ppm/°C的差距。意味着8°C的温度波动就会产生1/2LSB或120ppm误差。

电阻的分装及热阻

同一块板子上的电阻, 由于通过的电流不同,结合电阻本身的封装及热阻,可能会导致温升不一致。我们还是以上面的放大电路为例子:

假定使用1/4 W电阻金属膜电阻R1 = 100Ω ,+50ppm/°CR2 = 9.9KΩ ,+50ppm/°C热阻设为 125°C/WVin=100mV

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更糟糕的是,随着电流越来越大,误差越来越大,这种误差会导致一定的测量非线性。因此,应根据实际电流,适当的调整电阻的封装,来平衡温升的影响。

PC板温度系数

不仅要考虑电阻的温度系数,还要考虑PCB板走线温度系数。否则即使使用昂贵的低温度系数精密电阻,仍然会导致槽糕的结果。PCB走线所用的金属线(如铜线),温度系数甚至会高达3,900ppm/°C。如果使用一个10Ω、10ppm/°C的精密电阻,加上0.1Ω的PCB走线电阻,将会变成一个45ppm/°C温度系数的电阻。对于精密放大电路,这将会有很大的影响。

 

为了帮助电子工程师快速掌握PCB版相关的参数,Digi-Key提供了一款实用的小工具——Digi-Key PCB印制线宽度换算器。此PCB印制线宽度计算器采用IPC-2221标准公式,方便计算PCB走线各种参数。

 

举例说明:

输入PCB板铜箔厚度为1ozPCB走线长度为3cm电流为3A环境温度25°CPCB走线温升不超过5°C

这时便可计算出对应的PCB走线参数,如宽度、电阻、电压降、功率损耗等。

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小贴士:“内部层数”与“暴露在外的层数”

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因此,从上文我们可以得知,应尽量充分考虑关键线路中,PCB布局布线对系统整体性能的影响。

本文小结

温度对电阻的影响,不仅仅要考虑电阻本身,还要将电阻连同整体电路系统设计一同考虑。电阻的温度系数、封装及热阻、PCB布局布线都需要充分的考虑。随着运算放大器越来越精密,数据转换器的分辨率越来越高,避开电阻选择的陷阱变得越来越重要。