一
、電阻的基本原理

 

電阻，和電感、電容一起，是電子學三大基本無源器件；從能量的角度
，電阻是一個耗能元件，將電能轉化為熱能。

 

數年前

，出現了第四種基本無源器件，叫憶阻器(Memristor)，代表磁通量和電荷量之間的關係。XX文庫裏也有很多資料，有興趣可以了解一下。

 

圖片出自維基百科Memristor

 

通常
，都是根據歐姆定律來定義電阻，給電阻加一個恒定電壓，會產生多大電流
；也可以，通過焦耳定律來定義
，當電阻流過一個電流，單位時間內會產生多少熱量。

 

實際電阻的等效模型

 

 

同樣的
，實際電阻都是非理想的，存在一定引線電感和極間電容，當應用場合頻率較高，這些因數不能忽略。

 

某薄膜電阻的頻率特性

 

上圖電阻的高頻特性非常好，可以看到極間電容隻有0.03pF，引線電感隻有0.002nH
，其中75Ω的電阻可以到30GHz。我們通常使用的貼片電阻大都是厚膜電阻，性能遠達不到如此

，其引線電感有幾個nH
，極間電容也有幾個pF，大多隻能用到幾百MHz或幾個GHz。

 

標準阻值表

 

上圖出自Vishay文檔

 

通常電阻阻值都是標準

，上圖給出了不同精度(容差)的電阻的標準阻值
，通常乘以10的倍數或除以10的倍數，就可以得到所有阻值。

 

如何記住上述阻值表呢
？其實也很簡單，注意以下三點：

 

● 不同精度的電阻對應著不同精度的係列。通常10%精度的是E12係列
，2%和5%是E24係列，1%是E96係列
，而0.1%、0.25%和0.5%是E192係列。

● 係列名中的數字代表著該係列有幾個標準阻值，通常為6的倍數。例如，E12係列有12個不同的阻值，E192係列有192個不同的阻值。

● 每個係列的阻值都近似是一個等比數列
，公比為10開多少次方，基數是10Ω。例如E12係列的公比是10開12次方，E96係列的公比都是10開96次方。

 

有興趣的可以按照上表數一數
，算一算是不是上述規律。另外，根據IEC的規定，2%精度對應是E48係列有48個阻值

，有興趣的可以算一下是哪些值。上表中，Vishay可能不生產該係列了。

 

阻值標記(Marking)

 

通常我們使用最多的就是5%和1%的片狀電阻，一般0603以上的電阻封裝上都有標記表示電阻值。

 

E24係列(5%)

 

對於大於10Ω，通常有3位數字表示阻值，前兩個表示阻值基數，最後一位表示乘以10的幾次方。例如標記100代表10Ω，而不是100Ω，472代表4.7kΩ。小於10Ω通常用R來表示小數點
，例如2R2，表示2.2Ω。

 

E96係列(1%)

 

通常由2位數字加一個字母表示，2位數字代表是E96係列的第幾個阻值，字母表示乘以10的幾次方，其中Y代表-1，X代表0，A代表1，B代表2
，C代表3，以此類推。例如47C
，從表中數到47個阻值，是30.1，C代表乘以10的3次方

，就是30.1kΩ。

 

另外，對於軸向引線封裝的電阻，阻值標記都是一圈一圈的色環，具體含義如下圖所示：

 

阻值色環碼

 

congzuowangyou，qianlianggehuosangehuandaibiaoshuzi，jiexialaidehuandaibiaochengshu
，yuqianmiandeshuzixiangchengbianshizuzhi。zaijiexialaidehuandaibiaodianzuderongcha，zuihoujiushidianzudewenduxishu。

 

二、電阻的工藝與結構

 

電阻的工藝種類繁多，可以根據阻值是否可以變化，分成兩大類介紹：

 

● 固定電阻

● 可變電阻

 

2.1 固定電阻

 

固定電阻

，顧名思義就是電阻值是定值
，不可變。大多數時候
，我們使用的電阻都是固定值的。可以根據封裝的不同大致再分類

 

2.1.1 軸向引線電阻(Axial Leaded Resistor)

 

軸線引線電阻通常都是圓柱形，兩個外電極是圓柱體兩端的軸向導線
，根據材料和工藝的不同還可以再分為多種。

 

繞線電阻(Wire Wound Resistor)

 

 

繞線電阻是將鎳鉻合金導線繞在氧化鋁陶瓷基底上，一圈一圈控製電阻大小。繞線電阻可以製作為精密電阻，容差可以到0.005%，同(tong)時(shi)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)非(fei)常(chang)低(di)
，缺(que)點(dian)是(shi)繞(rao)線(xian)電(dian)阻(zu)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)比(bi)較(jiao)大(da)，不(bu)能(neng)用(yong)於(yu)高(gao)頻(pin)。繞(rao)線(xian)電(dian)阻(zu)的(de)體(ti)積(ji)可(ke)以(yi)做(zuo)的(de)很(hen)大(da)
，然(ran)後(hou)加(jia)外(wai)部(bu)散(san)熱(re)器(qi)，可(ke)以(yi)用(yong)作(zuo)大(da)功(gong)率(lv)電(dian)阻(zu)。

 

碳合成電阻(Carbon Composition Resistor)

 

 

tanhechengdianzuzhuyaoshiyoutanfenmohezhanhejiyiqishaojiechengyuanzhuxingdedianzuti，qizhongtanfenmodenongdujuedingledianzuzhidedaxiao
，zailiangduanjiaduxitongyinxian，zuihoufengzhuangchengxing。tanhechengdianzugongyijiandan，yuancailiaoyerongyihuode
，suoyijiagezuibianyi。danshitanhechengdianzudexingnengbutaihao，rongchabijiaoda(也就是做不了精密電阻)，溫度特性不好，通常噪聲比較大。碳合成電阻耐壓性能較好，由於內部是可以看作是碳棒，基本不會被擊穿導致被燒毀。

 

碳膜電阻(Carbon Film Resistor)

 

 

碳膜電阻主要是在陶瓷棒上形成一層碳混合物膜，例如直接塗一層
，碳膜的厚度和其中碳濃度可以控製電阻的大小；為了更加精確的控製電阻，可以在碳膜上加工出螺旋溝槽，螺旋越多電阻越大；最後加金屬引線，樹脂封裝成型。碳膜電阻的工藝更加複雜一點，可以做精密電阻
，但由於碳質的原因
，還是溫度特性不太好。

 

金屬膜電阻(Metal Film Resistor)

 

 

與(yu)碳(tan)膜(mo)電(dian)阻(zu)結(jie)構(gou)類(lei)似(si)，金(jin)屬(shu)膜(mo)電(dian)阻(zu)主(zhu)要(yao)是(shi)利(li)用(yong)真(zhen)空(kong)沉(chen)積(ji)技(ji)術(shu)在(zai)陶(tao)瓷(ci)棒(bang)上(shang)形(xing)成(cheng)一(yi)層(ceng)鎳(nie)鉻(ge)合(he)金(jin)鍍(du)膜(mo)，然(ran)後(hou)在(zai)鍍(du)膜(mo)上(shang)加(jia)工(gong)出(chu)螺(luo)旋(xuan)溝(gou)槽(cao)來(lai)精(jing)確(que)控(kong)製(zhi)電(dian)阻(zu)。金(jin)屬(shu)膜(mo)電(dian)阻(zu)可(ke)以(yi)說(shuo)是(shi)性(xing)能(neng)比(bi)較(jiao)好(hao)的(de)電(dian)阻(zu)，精(jing)度(du)高(gao)，可(ke)以(yi)做(zuo)E192係列，然後溫度特性好，噪聲低，更加穩定。

Metal film resistor Â

 

金屬氧化物膜電阻(Metal Oxide Film Resistor)

 

上圖出自Metal oxide film resistor

 

與yu金jin屬shu膜mo電dian阻zu結jie構gou類lei似si，金jin屬shu氧yang化hua物wu膜mo主zhu要yao是shi在zai陶tao瓷ci棒bang形xing成cheng一yi層ceng錫xi氧yang化hua物wu膜mo，為wei了le增zeng加jia電dian阻zu
，可ke以yi在zai錫xi氧yang化hua物wu膜mo上shang加jia一yi層ceng銻ti氧yang化hua物wu膜mo，然ran後hou在zai氧yang化hua物wu膜mo上shang加jia工gong出chu螺luo旋xuan溝gou槽cao來lai精jing確que控kong製zhi電dian阻zu。金jin屬shu氧yang化hua物wu膜mo電dian阻zu最zui大da的de優you勢shi就jiu是shi耐nai高gao溫wen。

 

上圖出自Metal oxide film resistor Â

 

2.1.2 片狀電阻

 

金屬箔電阻(Metal Foil Resistor)

 

 

金jin屬shu箔bo電dian阻zu是shi通tong過guo真zhen空kong熔rong煉lian形xing成cheng鎳nie鉻ge合he金jin，然ran後hou通tong過guo滾gun碾nian的de方fang式shi製zhi作zuo成cheng金jin屬shu箔bo，再zai將jiang金jin屬shu箔bo黏nian合he在zai氧yang化hua鋁lv陶tao瓷ci基ji底di上shang，再zai通tong過guo光guang刻ke工gong藝yi來lai控kong製zhi金jin屬shu箔bo的de形xing狀zhuang，從cong而er控kong製zhi電dian阻zu。金jin屬shu箔bo電dian阻zu是shi目mu前qian性xing能neng可ke以yi控kong製zhi到dao最zui好hao的de電dian阻zu。

 

厚膜電阻(Thick Film Resistor)

 

 

houmodianzucaiyongdesiwangyinshuafa，jiushizaitaocijidishangtieyicengbahuayindianji，ranhouzaidianjizhijianyinshuayicengeryanghualiaozuoweidianzuti。houmodianzudedianzumotongchangbijiaohou，dayue100微米。具體工藝流程如下圖所示。

 

 

厚膜電阻是目前應用最多的電阻，價格便宜，容差有5%和1%，絕大多數產品中使用的都是5%和1%的片狀厚膜電阻。

 

薄膜電阻(Thin Film Resistor)

 

 

薄膜電阻就是氧化鋁陶瓷基底上通過真空沉積形成鎳化鉻薄膜，通常隻有0.1um厚，隻有厚膜電阻的千分之一
，然後通過光刻工藝將薄膜蝕刻成一定的形狀。Thin Filmgongyizaiciqiandianronghediangandewenzhangzhongyijingtidaoguoduocile，guangkegongyishifenjingque，keyixingchengfuzadexingzhuang，yinci，bomodianrongdexingnengkeyikongzhidehenhao。

 

上圖出自panasonic chip resistors

 

2.2 可變電阻

 

可變電阻就是電阻值可以變化，可以有兩種：一是可以手動調整阻值的電阻；另一種就是電阻值可以根據其他物理條件而變化。

 

2.2.1 可調電阻

 

shangzhongxuedeshihou

，yinggaidoushiyongguohuadongbianzuqizuoshiyan，dongyidonghuadongbianzuqi，xiaodengpaokeyibianlianghuobianan。huadongbianzuqijiushiketiaodianzu
，yuanlidoushiyiyangde。

 

可調電阻，通常分成了三種：

 

● Potentiometer

 

dianweiqihuofenyaji，zheshiyizhongsanduankouqijian。dianweiqibeizhongjianchoutoufenchenglianggedianzu，tongguozhongjianchoutoukeyigaibianlianggedianzudezuzhi，jiukeyigaibianfendededianya。

 

● Rheostat

 

變阻器，其實就是電位器，唯一的區別就是變阻器隻需要用到兩個端口，純粹一個可以精確調整阻值的電阻。

 

● Trimmer

 

微調器，其實也是電位器，隻不過不需要經常調整，例如設備出廠的時候調整一下即可，通常需要用螺絲刀等特殊工具才能調整。

 

2.2.2 敏感電阻

 

敏感電阻是一類敏感元件
，這類電阻大都對某種物理條件特別敏感，該物理條件一變化，電阻值就會隨著變化
，通常可以用作傳感器， 例如光敏電阻、濕敏電阻
、磁敏電阻等等。在電路設計應用比較多的應該是熱敏電阻和壓敏電阻，常用作保護器件。

熱敏電阻

 

上圖出自Murata Application Manual - PTC

 

PTC就是正溫度係數電阻，通常有兩種：一種是陶瓷材料
，叫CPTC
，適用於高電壓大電流場合；另一種是高分子聚合物材料，叫PPTC
，適用於低電壓小電流場合。

 

陶瓷PTC，其電阻材料是一種多晶體陶瓷

，是碳酸鋇、二氧化鈦等多種材料的混合物燒結而成。PTC溫度係數具有很強的非線性，當溫度超過一定閾值時電阻會變得很大，相當於斷路，從而可以起到短路和過流保護的作用。

同時還有負溫度係數電阻，即NTC就不詳細介紹了。

 

壓敏電阻

 

上圖出自Varistor and the Metal Oxide Varistor Tutorial

 

壓敏電阻通常都是金屬氧化物可變電阻，即Metal Oxide Varistor(MOV)
，其電阻材料是氧化鋅顆粒和陶瓷顆粒混合後一起燒結成型。MOV的特性就是當電壓超過一定閾值的時候，電阻迅速下降，可以通過大電流，因此可以用於浪湧防護和過壓保護。

將氧化鋅陶瓷采用和MLCC類似的工藝製作成多層型壓敏電阻，即 MLV。MLV封裝較小，通常是片狀的，額定電壓和通流能力都比MOV小很多，適用於低壓直流場合。

 

三

、電阻的應用與選型

 

電阻的廠商主要有國巨、鬆下、羅姆、威世、還有國內的風華高科等等。

 

3.1 電阻的應用

 

jibenshangmeiyoudianlubanhuibuyongdianzu，renhedianlubanshangshiyongzuiduodeqijianjiushidianronghedianzu。gezhongshangxialadianzu，fankuidianzudengdeng。shuipingyouxian
，jiandanjiangshuyixia。

 

熱效應

 

根據焦耳定律，電流流過電阻就會發熱。電阻的熱效應的應用也有很多，電熱毯、電火桶、電水壺。

 

對於一些室外應用的電子設備
，特別對於一些集成有高性能CPU的SOC，對dui工gong作zuo溫wen度du要yao求qiu很hen苛ke刻ke
，大da都dou隻zhi能neng滿man足zu商shang業ye級ji應ying用yong，大da冬dong天tian在zai東dong北bei
，零ling下xia三san十shi多duo度du
，溫wen度du太tai低di
，很hen可ke能neng開kai不bu了le機ji。通tong常chang都dou會hui加jia一yi個ge大da功gong率lv電dian阻zu做zuo預yu加jia熱re功gong能neng，當dang溫wen度du上shang來lai後hou，設she備bei啟qi動dong了le再zai關guan掉diao。之zhi所suo有you關guan掉diao
，因yin為wei設she備bei自zi己ji工gong作zuo的de功gong耗hao也ye會hui發fa熱re，可ke以yi保bao持chi溫wen度du。

 

 

zuoweiyingjiangongchengshi
，jingchangyaopaodaohuanjingshiyanshiqudingweiwenti。weilefuxianyigegaowenwenti
，xuyaopaodaohuanjingshiyanshidaceshihuanjing

，guanjianwenxiangjiunamejige

，haiyaoyuyue
，jingchangyaopaiduitaimafanle。yushiwojiuzijizuoleyigezaijiandanbuguodedingweishenqi，jiushigeishuinidianzuhanyigeDCdianyuanzuozi，ranhouchagezhongdianyuanshipeiqi，tiaozhengwendu。ranhouwangmoumouxinpianshangfanggejifenzhong，meiyouwenti，zaihuanyige，wentifuxian，wentijujiaodaomougexinpianshang，zaizijidegongweishangjiuwanchenggaowenwentidedingwei。

 

零歐姆電阻

 

零歐姆電阻也叫跳線電阻(Jumper)。在zai電dian路lu設she計ji中zhong，為wei了le調tiao試shi方fang便bian或huo者zhe作zuo兼jian容rong設she計ji經jing常chang使shi用yong。例li如ru在zai作zuo預yu研yan設she計ji時shi

，為wei了le調tiao試shi時shi能neng測ce試shi芯xin片pian的de每mei組zu電dian源yuan的de工gong作zuo電dian流liu
，通tong常chang需xu要yao用yong零ling歐ou姆mu電dian阻zu將jiang電dian源yuan分fen成cheng多duo路lu。

 

使用零歐姆電阻時，最常遇到的問題就是功耗怎麼算，如何判斷選擇的電阻是否滿足要求？

 

此時，就需要從電阻的規格書中獲取相關參數，從下圖可以看出RC0402的零歐姆電阻，其電阻值不會超過50mΩ
，額定電流不超過1A
，由此就可以判斷電阻是否滿足設計要求。通常0402的零歐姆電阻都可以滿足1A以下的電流要求。

 

原圖截自GENERAL PURPOSE CHIP RESISTORS - Yageo

 

限流

 

有些時候電路中需要一組幾十毫安的電源，但是其電壓在電路中其他地方都用不到，此時單獨弄一組DCDC或者LDO都不太合適，因為電流太小。此時可以使用穩壓管穩壓電路。

 

分壓

 

分壓例如ADC采樣電路，DCDC輸出電壓反饋，電平轉換等等。

 

匹配電阻

 

對於高速信號，PCBzouxianxuyaokaolvchuanshuxianmoxing
，yaobaozhengzukangpipei，fangzhixinhaofanshehuiyingxiangxinhaowanzhengxing。zukangpipeijiushibaozhengfuzaizukangyuchuanshuxiandetezhengzukangxiangdengyixiaochufanshe。zuichangyongzuijiandandejiushiyuanduanchuanlianpipei，jizaixinhaoyuanduanchuanlianyigedianzu，gaidianzuheyuanneizuzhihedengyuchuanshuxiantezhengzukang，zheyangjishifuzaiduanbupipei，xinhaofanshehuilaihuibeiyuanduanxinhao
，buhuizaicifanshe。
 

此外，還有各種非線性的靈敏電阻，可以用作傳感器、保護電路等等。

 

3.2 電阻的選型

 

選型簡單的說
，就是根據器件的規格書，提取關鍵參數，判斷是否滿足應用的要求。

 

3.2.1 固定值電阻

 

常見類型的電阻的主要參數的對比如下圖所示，出貨量最大的應該是厚膜電阻和金屬膜電阻。

 

 

3.2.2 熱敏電阻

 

PTC在電路中的主要作用和保險絲類似
，就是過流保護，區別就是保險絲是一次性的
，而PTC是可恢複的，而很多時候換保險絲是不可接受的，影響客戶體驗。PTC也屬於安規器件
，通常要求通過UL1439認證。

 

 

上圖是PTC的阻抗溫度特性，當過流的時候PTC發熱，溫度迅速上升，PTC的阻抗迅速變大，形成斷路，斷路後電流下降，發熱減少，溫度下降
，PTC恢複低阻抗。因此，PTC非常適合短時過流。

 

 

保持電流

 

選用PTC的時候，首先要考慮設計工作電流，不能超過PTC保持電流，此時PTC可以保持低阻抗狀態。PTC的保持電流會隨著工作溫度的升高而降低
，因此，工作溫度時需要考慮的重要因素。

 

動作電流

 

動作電流，即PTC進入高阻抗狀態，斷路保護的電流。

 

額定電壓

 

即PTC能承受的最大電壓
，超過額定電壓，PTC可能會被擊穿短路，進而引起燒毀。因此，設計時要考慮各種情況下PTC的工作電壓不能超過其額定電壓。

 

當PTC斷路保護的時候，會承受整個電源電壓，PTC選型的時候
，額定電壓要大於電源電壓。通常考慮降額到80%
，即電源電壓12V
，要選擇耐壓15V以上的PTC。

 

在電源輸入端口
，需要考慮浪湧防護
，此時要考慮最大的浪湧電流，乘以PTC的電阻，即PTC承受的浪湧電壓，不能超過PTC額定電壓。

 

額定電流

 

即在額定電壓下，PTC能承受的最大短路電流，短路電流超過額定電流
，PTC將會損壞。

 

直流電阻

 

PTC直流電阻的存在，會使PTC存在一定的直流壓降，設計時要注意壓降後的電源電壓要滿足要求。

 

和保險絲相比，PTC的額定電壓和額定電流都小很多，而PTC的直流阻抗通常是保險絲的兩部左右。PTC保護的時候，實際是高電阻狀態
，因此會有毫安級的漏電流，而保險絲是熔斷機製，切斷電流通路，基本不存在漏電流。

 

3.2.3 壓敏電阻

 

壓敏電阻的特性與穩壓二極管(Zener diode)、TVS類似
，都屬於鉗位型器件
，主要用於防護電路瞬態過壓，例如浪湧。

 

MOV的理想伏安特性

 

選擇防護器件，主要考慮兩個方麵：一是防護器件在正常工作條件下不能動作或者損壞

，二是在設計範圍內的異常情況下要能起到保護電路的作用，即防護能力。

 

 

額定工作電壓

 

額定工作電壓可以認為是MOV能保持高阻抗狀態的最高持續工作電壓。根據應用場合，MOV可以分為交流和直流兩種
，兩種場合用的器件規格是不一樣。用於直流場合的MOV通常不能用於交流場合。

 

MOV的額定工作電壓，交流場合考慮交流額定電壓
，即Vrms或Vm(ac)，上圖中的器件可以有效值130V的交流電中正常工作。超過這個電壓

，MOV可能動作或者損壞，導致電路無法工作。

 

主要用於防護瞬態高壓
，持續的過高電壓會導致MOV損壞。

 

鉗位電壓

 

MOV是shi鉗qian位wei型xing器qi件jian，遇yu到dao瞬shun態tai高gao壓ya時shi，阻zu抗kang會hui下xia降jiang，通tong過guo大da電dian流liu，瞬shun態tai高gao壓ya會hui被bei抑yi製zhi，但dan不bu會hui降jiang為wei零ling，而er是shi依yi然ran保bao持chi相xiang對dui高gao壓ya，通tong常chang是shi額e定ding工gong作zuo電dian壓ya的de2到3倍。選擇MOV時，要注意鉗位電壓不能超過被防護器件的最高耐壓，超過時，需要采用多級防護，例如後級加一個大功率電阻去耦，再加一顆TVS，利用TVS的低鉗位電壓進一步減小殘壓。

 

最大脈衝電流

 

雷擊或者感性負載切換等等
，會產生很大浪湧電流，MOV除了鉗位住高壓以外，還需要泄放浪湧電流。

 

MOV能否承受住浪湧電流，主要和一段時間內MOV承受的能量大小有關，能量過大，MOV過熱燒毀。能量的大小
，和浪湧的波形和數目有關
，通常
，器件的浪湧能力都按8/20us波形能測試。上圖中的MOV，單個3500A的8/20us的浪湧脈衝，連續2個3000A的8/20us的浪湧脈衝
，連續20個750A的8/20us的浪湧脈衝。

 

此外，MOV的寄生電容比較大
，不能用在較高速率的信號線上。MOV的響應時間比TVS慢
，對一些快速的脈衝，像ESD可能不起作用。這些也是我們需要考慮的因素。

 

 

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