模电:20 电阻器的种类及其特性
问：我想了解现有电阻器各种类型之间的差别以及在具体应用中如何选择合适的电阻器?

答：好，让我首先介绍一下实验室中常用的分立电阻器或轴向引线电阻器，然而再对分立电阻器与薄膜或厚薄电阻网络从价格和性能方面进行比较。
轴向引线(Axial Lead)电阻器的类型：轴向引线电阻器最常用的类型有三种：合成碳膜电阻器或碳膜电阻器、金属膜电阻器和线绕电阻器。
·合成碳膜电阻器或碳膜电阻器(统称碳质电阻器)用于初始精度和随温度变化的稳定性认为不重要的普通电路。典型应用包括晶体管或场效应管偏置电路中集电极或发射极的负载电阻，充电电容器的放电电阻以及数字逻辑电路中的上拉电阻或下拉电阻。
碳质电阻器按照准对数序列规定一系列标准电阻值(见表1)，阻值范围从1Ω到22MΩ，允许偏差从2%(碳膜电阻器)到5%，甚至高达20%(合成碳膜电阻器)。额定功率范围从1/8W到2W，其中功率为1/4W和1/2W，允许偏差为5%和10%的电阻器用得最多。

碳质电阻器的温度系数很差(典型值为 5，000ppm/°C )。所以当温度变化时要求阻值几乎不变的精密应用场合，不适合选用这种电阻器，但它们的价格很便宜，1000只碳质电阻器仅3美分(USD003)。
表1例出的是允许偏差为2%和5%，阻值间隔为10%，10倍阻值范围碳质电阻器标准阻值。表1中用细体字表示的系列阻值的允许偏差仅为10%或20%，间隔为20%［表1中的阻值计算公式，X=1NT(10×2410n，n=0,1,2,…24，其中INT表示取整运算。表1中细体字阻值计算公式,X=INT(10×１２10n)，n=0,1,2,…12——译者注］。
碳质电阻器还可使用色码表示电阻器的阻值和允许偏差(见图1和表2)：
表1 10倍阻值范围碳质电阻器标准阻值
1016274368

1118304775

1220335182
13223656
91
15243962100

表2 碳质电阻器的色码含义

数字颜色倍乘数零的个数允许偏差
-银001-210%
-金010-15%
0黑10-
1棕101-
2红10022%
3橙1k3-
4黄10k4-
5绿100k5-
6篮M6-
7紫10M7-
8灰－－-
9白－－-
-无色－－20%

·金属膜电阻器适合用于要求高初始精度、低温度系数和低噪声的精密应用场合。金属膜电阻器通常用真空镀膜或阴极溅射工艺，将作为电阻材料的某种金属或合金(例如镍铬合金、氧化锡或氮化钽)淀积在绝缘基体(例如模制酚醛塑料)表面形成薄膜电阻体构成的电阻器。
金属膜电阻器典型应用包括电桥电路、RC振荡器和有源滤波器。金属膜电阻器的初始精度范围为01%~10%，温度系数范围为10~100ppm/°C。阻值范围为100Ω~301kΩ，阻值间隔为2%，最大允许偏差为05%和1%的金属膜电阻器标准阻值如表3所示［表3中阻值的计算公式为,X=INT(10116n)，n=0,1,2,…116——译者注］。

表3 金属膜电阻器标准阻值
100129168217281364470608787
102132171222287371480621803
104135174226292378489633819
106137178231298386499646835
108140182235304394509659852
110143185240310401519672869
113146189245317409530685886
115149193250323418540699904
117152196255329426551713922
120155200260336434562727941
122158204265343443573742959
124161209270349452585756979
127164213276356461596772998
金属膜电阻器用4位数字表示阻值(数值表示法见图2)，取代碳质电阻器采用的色码表示法。
·线绕电阻器非常精密并且稳定(005%，＜10ppm/°C)，用于要求苛刻的应用场合，例如调谐网络和精密衰减电路。典型阻值范围为01Ω~12MΩ。
高频效应：与“理想”的电阻器不同，“实际”的电阻器像实际的电容器一样也遭受寄生作用。实际上任何两端元件，根据工作频率都可看作一个电阻器、电容器、电感器或阻尼振荡电路，如图3所示。

图3 “实际”电阻器模型

像电阻器的基体材料、长度与截面比这些因素决定电阻器附加的寄生电感和寄生电容，从而影响电阻器的高频等效直流阻抗的稳定性。薄膜电阻器通常具有优良的高频响应。在100MHz左右，仍能保持其精度。碳质电阻器只能用于1MHz左右。线绕电阻器的感抗最高，所以频率响应最差。即使是无电感的线绕电阻器(顺时针方向绕的线圈数等于逆时针方向绕的线圈数，由于工艺仍然存在失配和剩余电感——译者注)，也具有很高的容抗，当工作频率达50kHz以上，几乎不稳定。

问：温度效应对电阻器影响如何?我是否总使用温度系数(TC)最低的电阻器?
答：没有必要，主要根据应用情况而定。图4示出的是用来测量环路电流的电阻器，待测电流在该电阻两端产生的电压等于I×R。在这个应用中，在任一温度下电阻值的绝对精度对测量该电流的精度至关重要，所以应该使用温度系数很低的电阻器。

图4 测量环路电流的电阻器

与上述应用实例不同，图5示出的是增益为100的运算放大器电路中增益设置电阻器的作用。
在增益精度取决于两个电阻值的比率(比率配置)这类应用中，电阻值的匹配和温度系数(TC)的跟踪程度比绝对精度更重要。下面通过两个实例来说明这一点。

图5 同相放大电路中的增益设置电阻

1假设两个电阻器RI和RF的实际温度系数(TC)都为100ppm/°C(即001%/°C)。当温度变化ΔT时，对应的电阻值为R=R0(1+TCΔT)
当温度上升10°C时，RF和RI的阻值都增加001%/°C×10°C=01%，运算放大器的增益公式(非常近似)为1+RF/RI。虽然这两个电阻器的阻值相差很大(99∶1)，但它们按相同的百分比(比率)增加，所以该电路的增益不变。这个例子说明该电路的精度仅仅取决于两个电阻值的比率，而与它们的绝对值无关。
2假设RI的温度系数为100ppm/°C，而RF的温度系数仅为75ppm/°C。当温度变化10°C时，阻值RI增加01%，是初始值的1001倍，而RF增加0075%是初始值的100075倍。由此得到新的增益值为 100075RF/1001RI=099975RF/RI。
这表明，当环境温度变化10°C，放大器电路增益下降0025%(相当于12位分辨率系统的1LSB)。
人们通常不了解的另一个参数是电阻器的自热效应(selfheating effect)。


问：什么是自热效应：
答：指由自身的热量造成电阻值的改变，因为当电阻器功耗增加时必然引起电阻器自身温度的增加。大多数生产厂家的产品说明都给出“热阻”或“热降”这项技术指标，用摄氏度符每瓦(°C/W)单位表示(热阻定义为电阻器的有效温度与外部规定参考点的温度之差除以器件的稳态散耗功率所得的商——译