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假設(shè)您花費(fèi) 25 美元或更多錢購(gòu)買了一個(gè)精密運(yùn)算放大器或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，插入電路板后，您卻發(fā)現(xiàn)，器件與其技術(shù)規(guī)格不符。可能是電路受漂移影響，頻率響應(yīng)不佳，發(fā)生振蕩，或者根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)您期望的精度。不過(guò)，先不要抱怨器件本身，而應(yīng)當(dāng)先檢查您的無(wú)源元件，包括電容、電阻、電位器，當(dāng)然還有印刷電路板本身。容差、溫度、寄生效應(yīng)、老化以及用戶組裝過(guò)程的微妙影響，可能會(huì)在不經(jīng)意間搞垮您的電路。而且，制造商常常對(duì)所有這些影響不加說(shuō)明或語(yǔ)焉不詳。一般而言，如果使用 12 位或更高分辨率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，或者價(jià)格在5美元以上的運(yùn)算放大器，則無(wú)源元件的選擇尤其應(yīng)當(dāng)慎重。為了更好地說(shuō)明這一問(wèn)題，請(qǐng)考慮一個(gè) 12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。半個(gè)LSB（最低有效位）對(duì)應(yīng)于滿量程的 0.012%，或百萬(wàn)分之 122 (ppm)！在各種無(wú)源元件的影響下，誤差可能會(huì)快速累積，從而遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò) 122。 購(gòu)買昂貴的無(wú)源元件并不一定能解決問(wèn)題。很多情況下，如果選擇得當(dāng)，則利用 25 美分電容所實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)，可能比利用 8 美元的電容的設(shè)計(jì)性能更好、性價(jià)比更高。了解和分析無(wú)源元件的影響雖然并非易事，不過(guò)卻是非常值得的；下面將介紹一些基本知識(shí)。 電容 大多數(shù)設(shè)計(jì)人員一般都很熟悉現(xiàn)有的各種電容。但是，電容種類繁多，包括玻璃電容、鋁箔電容、固態(tài)鉭和鉭箔電容、銀云母電容、陶瓷電容、特氟龍電容，以及聚酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯和聚丙烯類型的薄膜電容等，因此精密電路設(shè)計(jì)中發(fā)生靜態(tài)和動(dòng)態(tài)誤差的機(jī)制很容易被忘記。 圖 1 顯示了一個(gè)非理想電容的等效模型。電阻 Rp 代表絕緣電阻或泄漏，與標(biāo)稱電容 C 并聯(lián)。第二個(gè)電阻 Rs（等效串聯(lián)電阻或ESR）與該電容串聯(lián)，代表引腳和電容器極板的電阻*。電感L（等效串聯(lián)電感或 ESL）代表引腳和電容板的電感。最后，電阻Rda 和電容 Cda 一起構(gòu)成電介質(zhì)吸收現(xiàn)象的簡(jiǎn)化模型。無(wú)論是快速電路還是慢速電路，電介質(zhì)吸收現(xiàn)象均可能會(huì)破壞其動(dòng)態(tài)性能。 圖 1. 電容等效電路 電介質(zhì)吸收 我們首先討論電介質(zhì)吸收，也稱為“浸潤(rùn)”，有時(shí)也稱為“電介質(zhì)遲滯”，這可能是我們了解最少而潛在破壞性最高的一種電容效應(yīng)。放電時(shí)，多數(shù)電容都不愿意放棄之前所擁有的全部電荷。圖2 顯示了這一效應(yīng)。電容在時(shí)間 t 0 充電至 V 伏后，開(kāi)關(guān)在時(shí)間 t1將電容短路。在時(shí)間 t 2，電容開(kāi)路；殘余電壓在其引腳上緩慢積累，達(dá)到近乎恒定的值。此電壓就是由“電介質(zhì)吸收”引起的。 圖 2. 殘余電壓反映電容的電介質(zhì)吸收現(xiàn)象 界定或測(cè)量電介質(zhì)吸收的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)極為稀少。測(cè)量結(jié)果通常用電容上重復(fù)出現(xiàn)的原始充電電壓的百分比表示。典型方法是：讓電容充電 1 分鐘以上，然后短路 1 至 10 秒的建立時(shí)間，最后讓電容恢復(fù)約 1 分鐘時(shí)間，再測(cè)量殘余電壓。 實(shí)際操作中，電介質(zhì)吸收有多種表現(xiàn)形式，例如：積分器拒絕復(fù)位至 0，電壓頻率轉(zhuǎn)換器表現(xiàn)出異常非線性，采樣保持器表現(xiàn)出變化不定的誤差。最后一種表現(xiàn)形式對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)特別不利，因?yàn)橄噜復(fù)ǖ赖碾妷翰羁赡苓_(dá)到幾乎滿量程。圖 3 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單采樣保持器所發(fā)生的情況。 圖 3. 電介質(zhì)吸收在采樣保持應(yīng)用中引起誤差 電介質(zhì)吸收是電介質(zhì)材料本身的特性，但低劣的制造工藝或電極材料也會(huì)影響此特性。電介質(zhì)吸收特性用充電電壓的百分比表示，對(duì)于特氟龍、聚苯乙烯和聚丙烯電容，該值低至 0.02%；對(duì)于一些鋁電解電容，該值則高達(dá) 10% 或更大。在一定時(shí)間期限內(nèi)，聚苯乙烯電容的電介質(zhì)吸收率可以低至 0.002%。 一般陶瓷和聚碳酸酯電容的典型電介質(zhì)吸收率為 0.2%，這相當(dāng)于8 位分辨率時(shí)的半個(gè) LSB！銀云母、玻璃和鉭電容的電介質(zhì)吸收率通常較大，介于 1.0% 至 5.0% 之間；聚酯電容的電介質(zhì)吸收率為 0.5% 左右。一般而言，如果電容技術(shù)規(guī)格表沒(méi)有說(shuō)明所需時(shí)間期限和電壓范圍內(nèi)的電介質(zhì)吸收率，則應(yīng)格外謹(jǐn)慎。 電介質(zhì)吸收可以在快速建立電路的瞬態(tài)響應(yīng)中產(chǎn)生長(zhǎng)尾現(xiàn)象，例如高通有源濾波器或交流放大器。在此類應(yīng)用所用的一些器件中，圖 1 的 Rda-Cda 電介質(zhì)吸收模型可能具有數(shù)毫秒的時(shí)間常數(shù)*。在快充快放應(yīng)用中，電介質(zhì)吸收與“模擬存儲(chǔ)器”相似，電容試圖記住以前的電壓。 一些設(shè)計(jì)中，如果電介質(zhì)吸收效應(yīng)比較簡(jiǎn)單，易于確定，并且您愿意做一些微調(diào)，則可以對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。例如在積分器中，可以通過(guò)合適的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)反饋輸出信號(hào)，通過(guò)并聯(lián)一個(gè)負(fù)阻抗來(lái)抵消電介質(zhì)吸收等效電路。已經(jīng)證明，這種補(bǔ)償方法可以將采樣保持電路的性能提高 10 倍或更多。 寄生效應(yīng)和損耗因數(shù) 圖1中，電容的泄漏電阻 Rp、有效串聯(lián)電阻 Rs 和有效串聯(lián)電感 L是寄生元件，可能會(huì)降低外部電路的性能。一般將這些元件的效應(yīng)合并考慮，定義為損耗因素或 DF。 電容的泄漏是指施加電壓時(shí)流過(guò)電介質(zhì)的微小電流。雖然模型中表現(xiàn)為與電容并聯(lián)的簡(jiǎn)單絕緣電阻 (Rp)，但實(shí)際上泄漏與電壓并非線性關(guān)系。制造商常常將泄漏規(guī)定為 MΩ-μF 積，用來(lái)描述電介質(zhì)的自放電時(shí)間常數(shù)，單位為秒。其范圍介于 1 秒或更短與數(shù)百秒之間，前者如鋁和鉭電容，后者如陶瓷電容。玻璃電容的自放電時(shí)間常數(shù)為 1,000 或更大；特氟龍和薄膜電容（聚苯乙烯、聚丙烯）的泄漏性能最佳，時(shí)間常數(shù)超過(guò) 1,000,000 MΩ-μF。對(duì)于這種器件，器件外殼的表面污染或相關(guān)配線、物理裝配會(huì)產(chǎn)生泄漏路徑，其影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電介質(zhì)泄漏。 有效串聯(lián)電感 ESL（圖 1）產(chǎn)生自電容引腳和電容板的電感，它能將一般的容抗變成感抗，尤其是在較高頻率時(shí)；其幅值取決于電容內(nèi)部的具體構(gòu)造。管式箔卷電容的引腳電感顯著大于模制輻射式引腳配置的引腳電感。多層陶瓷和薄膜電容的串聯(lián)阻抗通常最低，而鋁電解電容的串聯(lián)阻抗通常最高。因此，電解電容一般不適合高頻旁路應(yīng)用。 電容制造商常常通過(guò)阻抗與頻率的關(guān)系圖來(lái)說(shuō)明有效串聯(lián)電感。不出意料的話，這些圖會(huì)顯示：在低頻時(shí)，器件主要表現(xiàn)出容性電抗；頻率較高時(shí)，由于串聯(lián)電感的存在，阻抗會(huì)升高。 有效串聯(lián)電阻 ESR（圖 1 的電阻 Rs）由引腳和電容板的電阻組成。如上文所述，許多制造商將 ESR、ESL 和泄漏的影響合并為一個(gè)參數(shù)，稱為“損耗因數(shù)”或 DF。損耗因數(shù)衡量電容的基本無(wú)效性。制造商將它定義為每個(gè)周期電容所損失的能量與所存儲(chǔ)的能量之比。特定頻率的等效串聯(lián)電阻與總?cè)菪噪娍怪冉朴趽p耗因數(shù)，而前者等于品質(zhì)因數(shù) Q 的倒數(shù)。 損耗因數(shù)常常隨著溫度和頻率而改變。采用云母和玻璃電介質(zhì)的電容，其 DF 值一般在 0.03% 至 1.0% 之間。室溫時(shí)，陶瓷電容的 DF 范圍是 0.1% 至 2.5%。電解電容的 DF 值通常會(huì)超出上述范圍。薄膜電容通常是最佳的，其 DF 值小于 0.1%。 容差、溫度和其它影響 一般而言，精密電容比較昂貴，甚至不易購(gòu)買。事實(shí)上，電容選擇會(huì)受到可獲取性和容差的范圍限制。一些陶瓷電容和多數(shù)薄膜型電容通常具有±1% 的容差，但其交貨時(shí)間可能令人無(wú)法接受。大多數(shù)薄膜電容都可以提供±1% 以下的容差，但必須特別訂購(gòu)。 大多數(shù)電容都對(duì)溫度變化敏感。損耗因數(shù)、電介質(zhì)吸收和電容值本身都與溫度有關(guān)。對(duì)于一些電容，這些參數(shù)與溫度的關(guān)系近似線性；而對(duì)于另一些電容，這些參數(shù)隨溫度的變化極不規(guī)則。過(guò)大的溫度系數(shù) (ppm/°C) 對(duì)于采樣保持應(yīng)用一般不會(huì)有很大影響，但可能會(huì)損害精密積分器、電壓頻率轉(zhuǎn)換器和振蕩器的性能。NPO 陶瓷電容的溫度漂移低至 30 ppm/°C，一般是最佳選擇。鋁電解電容的溫度系數(shù)則可能超過(guò) 10,000 ppm/°C。 還應(yīng)當(dāng)考慮電容的最大工作溫度。例如，聚苯乙烯電容在接近85°C 時(shí)就會(huì)熔化，而特氟龍電容則能承受 200°C 的高溫。 電容和電介質(zhì)吸收對(duì)所施加電壓的敏感度也可能會(huì)損害電路應(yīng)用中的電容性能。電容制造商可能并未清楚地給出電壓系數(shù)，但用戶始終應(yīng)當(dāng)考慮這些因素的可能影響。例如，當(dāng)施加最大電壓時(shí)，一些高密度陶瓷電容的電容值可能會(huì)下降 50% 或更多！ 此外，許多類型電容的電容值和損耗因數(shù)會(huì)因頻率不同而發(fā)生較大變化，主要原因是電介質(zhì)常數(shù)發(fā)生變化。就此而言，聚苯乙烯、聚丙烯和特氟龍電介質(zhì)較佳。 關(guān)鍵元件最后裝配 設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)束并不意味著設(shè)計(jì)人員就可以高枕無(wú)憂。常用的印刷電路板裝配技術(shù)可能會(huì)使最好的設(shè)計(jì)毀于一旦。例如，一些常用的印刷電路板清潔劑可能會(huì)滲入某些電解電容中，尤其是采用橡膠端蓋的電解電容。更糟糕的是，一些薄膜電容，特別是聚苯乙烯型，接觸某些溶劑時(shí)會(huì)發(fā)生溶解。野蠻地對(duì)待引腳也可能會(huì)損害電容，造成隨機(jī)的或間歇性電路問(wèn)題。蝕箔型電容極易受損，應(yīng)當(dāng)特別注意。為了避免這些問(wèn)題，建議將最為重要的元件安排在電路板裝配過(guò)程的最后一步安裝。 設(shè)計(jì)人員還應(yīng)當(dāng)考慮電容的自然失效機(jī)制。例如，金屬薄膜電容經(jīng)常發(fā)生“自愈”現(xiàn)象。這些電容最初是由于電介質(zhì)薄膜中的細(xì)小穿孔所產(chǎn)生的導(dǎo)電電橋而失效。但是，由此造成的故障電流可能會(huì)產(chǎn)生足夠的熱量而破壞電橋，使電容恢復(fù)正常工作（電容值變得稍低）。當(dāng)然，高阻抗電路應(yīng)用可能無(wú)法產(chǎn)生足以破壞電橋的電流。 鉭電容也會(huì)表現(xiàn)出一定程度的“自愈”現(xiàn)象，但與薄膜電容不同的是，前者取決于故障處緩慢上升的溫度。因此，鉭電容在高阻抗電路中的自愈效果最佳，因?yàn)樗鼤?huì)限制流過(guò)電容缺陷的電流浪涌。因此，高電流應(yīng)用選擇鉭電容時(shí)要格外小心。電解電容的壽命常常取決于電解液從端蓋滲出的滲透率。環(huán)氧樹脂密封的性能優(yōu)于橡膠密封，但在嚴(yán)重的反向電壓或過(guò)壓情況下，環(huán)氧樹脂密封電容可能會(huì)爆炸。 電阻和電位計(jì) 設(shè)計(jì)人員可以選擇各種各樣的電阻，包括碳素電阻、碳膜電阻、體金屬電阻、金屬膜電阻、感性和非感性繞線電阻。電阻也是高性能電路的潛在誤差源，不過(guò)它可能是最基本且問(wèn)題最少的元件，因此常被忽略。如果選擇不當(dāng)，電阻可能會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)超過(guò) 122ppm (1/2 LSB) 的誤差，從而破壞12位設(shè)計(jì)的精度。您上一次認(rèn)真閱讀一份電阻數(shù)據(jù)手冊(cè)是什么時(shí)候？如果您仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)，相信您會(huì)大吃一驚：原來(lái)可以了解到如此有用的信息！ 考慮圖4所示電路，它將 0-100 mV 輸入信號(hào)放大 100 倍，以供輸入范圍為 0-10 V 的 12 位 ADC 轉(zhuǎn)換。增益設(shè)置電阻可以是初始容差低至±0.001% (10 ppm) 的精密體金屬膜電阻�；蛘撸部梢酝ㄟ^(guò)校準(zhǔn)或選擇來(lái)校正電阻的初始容差。這樣，根據(jù)校準(zhǔn)儀器的精度限制，可以將電路的初始增益精度設(shè)置為所需的任意容差。 圖 4. 溫度變化可能會(huì)降低放大器精度 但是，溫度變化可以通過(guò)多種方式限制圖 4 所示放大器的精度。電阻的絕對(duì)溫度系數(shù)只要符合預(yù)期，則無(wú)關(guān)緊要。即使如此，溫度系數(shù)約為 1,500 ppm/°C 的碳素電阻也將不適合應(yīng)用。即使能將溫度系數(shù)匹配到很難實(shí)現(xiàn)的 1%，仍然會(huì)有 15 ppm/°C 的差距，這是不可接受的，因?yàn)樾〉?8°C 的溫度波動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生 1/2 LSB 或120 ppm 誤差。 制造商確實(shí)能夠提供絕對(duì)溫度系數(shù)在±1 至±100 ppm/°C 范圍內(nèi)的金屬膜電阻和體金屬電阻，但應(yīng)注意，不同電阻的溫度系數(shù)可能相差甚大，特別是不同批次的電阻。為解決這一問(wèn)題，一些制造商提供匹配電阻對(duì)，但價(jià)格昂貴，一對(duì)電阻的溫度系數(shù)差值在2 至 10 ppm/°C 范圍內(nèi)。低成本的薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)是不錯(cuò)的選擇，使用廣泛。 遺憾的是，即使采用匹配電阻對(duì)也不能完全解決溫度引起的電阻誤差問(wèn)題。圖 5a 顯示了自熱效應(yīng)引起的誤差。電阻具有相同的溫度系數(shù)，但在該電路中的功耗大不相同。對(duì)于 1/4 W 電阻，假設(shè)熱阻（依據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)）為 125°C/W，則電阻 R1 溫度升高0.0125°C，電阻 R2 溫度則升高 1.24°C。當(dāng)溫度系數(shù)為 50 ppm/°C時(shí)，誤差為 62 ppm (0.006%)。 更糟糕的是，自熱效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生非線性誤差。在圖5a所示例子中，當(dāng)輸入電壓減半時(shí)，所得誤差只有15 ppm。圖5b顯示了圖5a電路的非線性傳遞函數(shù)。這個(gè)例子絕不是最差情況；電阻如果更小，結(jié)果會(huì)更差，因?yàn)槠錈嶙韪摺? 圖 5. 電阻自熱導(dǎo)致非線性放大器響應(yīng)：(a) 溫度引起的非線性分析；(b) 非線性傳遞函數(shù)（比例有所夸大） 對(duì)于高功耗器件，使用較高功率的電阻可以降低電阻自熱效應(yīng)�；蛘�，也可以使用薄膜或厚膜電阻網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)將熱量均勻地散布于給定封裝中的所有電阻來(lái)降低自熱效應(yīng)。 導(dǎo)線或印刷電路板互連的電阻的溫度系數(shù)也是一個(gè)誤差源，可能會(huì)增加電路的誤差，但這點(diǎn)常被忽略。印刷電路板和導(dǎo)線互連所用的金屬（例如銅）具有高達(dá) 3,900 ppm/°C 的溫度系數(shù)。例如，一個(gè)精密 10 Ω、10 ppm/°C 繞線電阻加上 0.1 Ω 的互連電阻，將會(huì)變成一個(gè)溫度系數(shù)為 45 ppm/°C 的電阻�；ミB的溫度系數(shù)對(duì)于精密混合電路設(shè)計(jì)具有重大影響，薄膜電阻的互連是不容忽視的。 最后需要考慮的是一種稱為“溫度回掃”的現(xiàn)象，主要適用于環(huán)境溫度變化較大的設(shè)計(jì)。它是指具有恒定內(nèi)部損耗的電阻經(jīng)歷一定數(shù)量的環(huán)境溫度高低變化循環(huán)之后，其電阻值所發(fā)生的變化。溫度回掃可能會(huì)超過(guò) 10 ppm，甚至一些較佳的金屬膜電阻也是如此。 總而言之，為使電阻電路的溫度相關(guān)誤差最小，應(yīng)當(dāng)考慮下列措施（及其成本）： ·電阻溫度系數(shù)應(yīng)嚴(yán)格匹配。 ·使用絕對(duì)溫度系數(shù)較低的電阻。 ·使用熱阻較低的電阻（較高的額定功率、較大的外殼）。 ·緊密熱耦合匹配電阻（使用標(biāo)準(zhǔn)電阻網(wǎng)絡(luò)或單一封裝中的 多個(gè)電阻）。 ·對(duì)于大比值，考慮使用步進(jìn)式衰減器。 電阻寄生效應(yīng) 電阻可能會(huì)表現(xiàn)出相當(dāng)高的寄生電感或電容，特別是在高頻時(shí)。制造商常常根據(jù)一個(gè)或多個(gè)頻率時(shí)阻抗幅值和直流電阻的差值與電阻的比值，將這些寄生效應(yīng)規(guī)定為電抗誤差，用百分比或 ppm表示。 繞線電阻尤其容易發(fā)生寄生效應(yīng)。雖然電阻制造商提供正常或非感性纏繞形式的繞線電阻，但非感性繞線電阻同樣會(huì)令設(shè)計(jì)人員頭痛。當(dāng) R 值低于 10,000 Ω 時(shí)，這些電阻仍然顯現(xiàn)出細(xì)微的電感（約為 20 μH）。超過(guò)10,000 Ω 的非感性繞線電阻則具有大約 5pF 的分流電容。 這些寄生效應(yīng)可能會(huì)嚴(yán)重破壞動(dòng)態(tài)電路應(yīng)用，特別是當(dāng)應(yīng)用同時(shí)使用高于和低于 10,000 Ω 的電阻時(shí)，此時(shí)出現(xiàn)峰值甚至振蕩并不少見(jiàn)。這些效應(yīng)在低 kHz 范圍內(nèi)的頻率時(shí)表現(xiàn)明顯。 即使在低頻電路應(yīng)用中，繞線電阻的寄生效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。指數(shù)式建立至 1 ppm 需要 20 個(gè)時(shí)間常數(shù)甚至更長(zhǎng)時(shí)間。與繞線電阻相關(guān)的寄生效應(yīng)可能會(huì)大幅延長(zhǎng)建立時(shí)間，使之遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)時(shí)間常數(shù)的長(zhǎng)度。 過(guò)高的寄生電抗在非繞線電阻中也是屢見(jiàn)不鮮。例如，一些金屬膜電阻具有明顯的引腳間電容，在高頻時(shí)就會(huì)表現(xiàn)出來(lái)。碳素電阻在高頻時(shí)表現(xiàn)最佳。 熱電效應(yīng) 任何兩種不同金屬之間的結(jié)面都會(huì)產(chǎn)生熱 EMF。許多情況下，它是精密電路設(shè)計(jì)中的主要誤差源。例如在繞線電阻中，當(dāng)接上引腳時(shí)（典型引腳材料為 180 合金，由 77% 的銅和 23% 的鋁組成），電阻導(dǎo)線可以產(chǎn)生 42 mv/°C 的熱 EMF。如果電阻的兩個(gè)引腳溫度相同，則EMF相互抵消，凈誤差為零。然而，如果垂直安裝電阻，則由于氣流流過(guò)長(zhǎng)引腳，并且其熱容量較低，因此電阻的頂部與底部之間可能會(huì)存在溫度梯度。 1°C 的溫差也能產(chǎn)生 42 mV 的誤差電壓，大于典型精密運(yùn)算放大器的 25 mV 失調(diào)電壓！水平安裝電阻（圖 6）可以解決這一問(wèn)題。此外，一些電阻制造商提供特別定制的鍍錫銅引腳，它可將熱 EMF 降至 2.5 mV/°C。 圖 6. 熱梯度造成明顯的熱電誤差 一般而言，設(shè)計(jì)人員應(yīng)避免關(guān)鍵電路板上及其附近出現(xiàn)溫度梯度。這常常意味著，應(yīng)當(dāng)對(duì)功耗較大的器件實(shí)施熱隔離。大溫度梯度所產(chǎn)生的熱湍流也可能會(huì)造成類似動(dòng)態(tài)噪聲的低頻誤差。 電壓、失效和老化 所施加電壓的變化也會(huì)嚴(yán)重影響電阻。沉積氧化物高值電阻對(duì)此尤其敏感，其電壓系數(shù)為 1 ppm/V 至 200 ppm/V 以上。這是高壓分壓器等精密應(yīng)用中需要關(guān)注的另一個(gè)因素。 如果不認(rèn)真對(duì)待，電阻的失效機(jī)制也會(huì)造成電路失效。碳素電阻失效時(shí)變成開(kāi)路，這是一種安全失效機(jī)制。因此，在一些應(yīng)用中，這些元件可以起到熔斷器的作用。用碳膜電阻代替碳素電阻可能會(huì)帶來(lái)麻煩，因?yàn)樘寄る娮枋r(shí)變?yōu)槎搪�。（金屬膜電阻失效時(shí)通常變?yōu)殚_(kāi)路。） 隨著時(shí)間流逝，所有電阻的值都會(huì)發(fā)生細(xì)微變化。制造商用電阻值的變化（ppm/年）來(lái)表示長(zhǎng)期穩(wěn)定性。對(duì)于金屬膜電阻，50 或75 ppm/年的值并非罕見(jiàn)。在關(guān)鍵應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)將金屬膜電阻在額定功率老化至少一周時(shí)間。老化期間，電阻值可能偏移高達(dá) 100或 200 ppm。金屬膜電阻可能需要工作 4,000 至 5,000 小時(shí)后，才能完全穩(wěn)定下來(lái)，特別是未經(jīng)老化時(shí)。 電阻過(guò)量噪聲 大多數(shù)設(shè)計(jì)人員對(duì)電阻的熱噪聲或約翰遜噪聲有一定的了解，但對(duì)另一種稱為“過(guò)量噪聲”的噪聲現(xiàn)象則知之甚少。在精密運(yùn)算放大器和轉(zhuǎn)換器電路中，這種噪聲十分棘手。僅當(dāng)電流流過(guò)電阻時(shí)，過(guò)量噪聲才變得明顯。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，熱噪聲源于電阻中的電荷載子受熱而發(fā)生的隨機(jī)振動(dòng)。雖然這些振動(dòng)所產(chǎn)生的平均電流為零，但瞬間電荷運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電阻引腳上出現(xiàn)瞬間電壓。 過(guò)量噪聲則主要發(fā)生于直流電流在不連續(xù)的介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)，例如碳素電阻。電流不均勻地流過(guò)壓縮碳顆粒，產(chǎn)生微觀顆粒間“電弧”現(xiàn)象。該現(xiàn)象除引起熱噪聲外，還會(huì)引起 1/f 噪聲。換言之，過(guò)量噪聲電壓與頻率平方根的倒數(shù)成比例。 過(guò)量噪聲常常會(huì)令不夠謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)人員大吃一驚。電阻熱噪聲和運(yùn)算放大器噪聲設(shè)置典型運(yùn)算放大器電路的本底噪聲。只有當(dāng)電壓出現(xiàn)在輸入電阻上并引起電流流動(dòng)時(shí)，過(guò)量噪聲才變得明顯，并常常成為主導(dǎo)因素。一般而言，碳素電阻所產(chǎn)生的過(guò)量噪聲最大。導(dǎo)電介質(zhì)越均勻，則過(guò)量噪聲越不明顯。碳膜電阻優(yōu)于碳素電阻，金屬膜電阻又優(yōu)于碳膜電阻。 制造商用噪聲指數(shù)來(lái)表示過(guò)量噪聲，即電阻上每伏直流壓降、每10 倍頻率，電阻的均方根噪聲的微伏數(shù)。噪聲指數(shù)可以達(dá)到 10dB（每 10 倍帶寬每直流伏特 3 微伏）或更高。過(guò)量噪聲在低頻時(shí)最為顯著。超過(guò) 100 kHz 時(shí)，熱噪聲占主導(dǎo)地位。 電位計(jì) 影響固定電阻的大多數(shù)現(xiàn)象也會(huì)影響電位計(jì)。此外，用戶還應(yīng)警惕這些元件獨(dú)有的一些風(fēng)險(xiǎn)。 例如，許多電位計(jì)未采取密封措施，板清洗劑甚至過(guò)高濕度可能會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞電位計(jì)。振動(dòng)（或者僅僅長(zhǎng)時(shí)間使用）可能會(huì)損壞阻性元件和游標(biāo)端子。接觸噪聲、溫度系數(shù)、寄生效應(yīng)和可調(diào)范圍限制都可能會(huì)妨礙電路正常工作。此外，繞線電阻的分辨率限制以及陶瓷、塑料電阻分辨率的隱性限制（遲滯、材料溫度系數(shù)不相容、松弛等），使得精確設(shè)置的獲得和保持只能是一個(gè)“無(wú)限接近”的過(guò)程。因此，應(yīng)當(dāng)格外謹(jǐn)慎并細(xì)心調(diào)整。 印刷電路板 在所有精密電路設(shè)計(jì)中，印刷電路板是“看不見(jiàn)的器件”。設(shè)計(jì)人員很少把印刷電路板的電氣特性看作額外電路元件，因此電路的最終性能往往比預(yù)期要糟糕。 對(duì)精密電路性能不利的印刷電路板效應(yīng)包括：泄漏電阻、接地箔片的壓降、雜散電容、電介質(zhì)吸收和相關(guān)的“鉤子”（電路階躍響應(yīng)波形的突出特點(diǎn)）。此外，印刷電路板還有吸收大氣水分的傾向（“吸濕性”），這意味著：濕度變化常常會(huì)導(dǎo)致一些寄生效應(yīng)的影響發(fā)生變化。 印刷電路板效應(yīng)一般可以分為兩類：一類主要影響電路的靜態(tài)或直流操作，另一類則主要影響電路的動(dòng)態(tài)或交流操作。 靜態(tài)印刷電路板效應(yīng) 泄漏電阻是最主要的靜態(tài)電路板效應(yīng)。電路板的表面污染，例如焊劑殘留物、積鹽及其它殘?jiān)�，可以在電路�?jié)點(diǎn)之間建立泄漏路徑。即使在妥善清潔的電路板上，也不難發(fā)現(xiàn) 15 V 供電軌至鄰近節(jié)點(diǎn)存在 10 nA 或更大的泄漏電流。*幾納安的泄漏電流進(jìn)入錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)時(shí)，常常會(huì)在電路輸出端引起數(shù)以伏計(jì)的誤差。例如，10 nA電流進(jìn)入 10 MΩ 電阻可引起 0.1 V 的誤差。 若要確定節(jié)點(diǎn)是否對(duì)泄漏電流的影響敏感，只需問(wèn)一個(gè)問(wèn)題：如果將數(shù)納安或更大的雜散電流注入此節(jié)點(diǎn)，是否有問(wèn)題？ 如果電路已經(jīng)構(gòu)建完成，可以通過(guò)一項(xiàng)經(jīng)典測(cè)試確定有問(wèn)題節(jié)點(diǎn)的濕度敏感度。其方法是：一邊觀察電路工作，一邊通過(guò)一根吸管向可能的問(wèn)題點(diǎn)吹氣。吸管將呼吸的水分集中起來(lái)，當(dāng)水分與電路板的易受影響部分中的鹽分接觸時(shí)，電路工作就會(huì)中斷。 消除簡(jiǎn)單表面泄漏問(wèn)題的方法有多種。徹底清洗電路板以消除殘?jiān)鼘⒋笥旭砸�。�?jiǎn)單的程序包括：先用異丙醇用力刷洗電路板，然后用去離子水徹底清洗，最后在 85°C 下烘烤數(shù)小時(shí)。不過(guò)，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇電路板清洗劑。如果用基于氟利昂的溶劑清洗，一些水溶性焊劑會(huì)產(chǎn)生鹽沉積物，使泄漏問(wèn)題進(jìn)一步惡化。 遺憾的是，如果電路對(duì)泄漏敏感，則最嚴(yán)格的清潔也只能是權(quán)宜之計(jì)。經(jīng)過(guò)搬運(yùn)并接觸污穢大氣、高濕度環(huán)境之后，問(wèn)題很快又會(huì)重新出現(xiàn)。“防護(hù)”則能相當(dāng)可靠并一勞永逸地解決表面泄漏問(wèn)題。妥善設(shè)置的防護(hù)措施甚至可以消除暴露在惡劣工業(yè)環(huán)境中的電路的泄漏問(wèn)題。 防護(hù)原理很簡(jiǎn)單：在敏感節(jié)點(diǎn)周圍布設(shè)導(dǎo)體，以便隨時(shí)吸收雜散電流，并且使這些導(dǎo)體的電位始終與敏感節(jié)點(diǎn)相等。防護(hù)電位必須接近敏感節(jié)點(diǎn)的電位，否則防護(hù)將提供源電流，而不是吸電流。例如，假設(shè)泄漏電阻為 1000 MΩ，為使流入節(jié)點(diǎn)的泄漏電流低于 1 pA，防護(hù)與節(jié)點(diǎn)之間的電位差必須在 1.0 mV 以內(nèi)。 圖 7a 和 7b 說(shuō)明了適用于典型反相和同相運(yùn)算放大器應(yīng)用的防護(hù)原理。圖 7c 顯示了防護(hù)的實(shí)際電路板布局。請(qǐng)注意，為實(shí)現(xiàn)最好的效果，電路板兩側(cè)均應(yīng)出現(xiàn)防護(hù)圖案。最好是從布局過(guò)程一開(kāi)始，在規(guī)劃新電路板圖案時(shí)就考慮防護(hù)。如果考慮得較晚，留給防護(hù)的空間往往會(huì)不足，甚至根本沒(méi)有。 * 遺憾的是，標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器引腳排列將-15V電源引腳緊靠+輸入，以期處于高阻抗。 圖7. 適當(dāng)?shù)碾娐贩雷o(hù)措施可以同時(shí)解決靜態(tài)和動(dòng)態(tài) PC 板誤差。(a)：反相應(yīng)用中使用防護(hù)；(b)：同相應(yīng)用中使用局部防護(hù)，電壓緩沖有助于防護(hù)電路；(c)：運(yùn)算放大器的印刷電路板防護(hù)圖案 動(dòng)態(tài)印刷電路板效應(yīng) 靜態(tài)印刷電路板效應(yīng)會(huì)隨著濕度或板污染的變化而發(fā)生或消失，但主要影響電路動(dòng)態(tài)性能的問(wèn)題則通常相對(duì)穩(wěn)定。這些問(wèn)題無(wú)法通過(guò)清洗或其它簡(jiǎn)單辦法予以解決，必須采用新設(shè)計(jì)。因此，動(dòng)態(tài)效應(yīng)可能會(huì)永久損害設(shè)計(jì)的性能規(guī)格。 大多數(shù)電路設(shè)計(jì)人員都相當(dāng)清楚與引腳和元件放置有關(guān)的雜散電容問(wèn)題。正確的布局可以永久解決引腳放置問(wèn)題，其余的困難可以通過(guò)培訓(xùn)裝配人員，使之以最佳方式定位元件或折彎引腳來(lái)解決。 電介質(zhì)吸收則麻煩得多，并且設(shè)計(jì)人員對(duì)這種電路板現(xiàn)象知之甚少。像電容的電介質(zhì)吸收一樣，印刷電路板的電介質(zhì)吸收也可以用連接兩個(gè)緊密相鄰節(jié)點(diǎn)的串聯(lián)電阻和電容來(lái)模擬（圖 8）。其效應(yīng)與間距成反比，與長(zhǎng)度成正比。該模型的有效電容范圍是 0.1至 2.0 pF，電阻范圍是 50 至 500 MΩ。0.5 pF 和 100 MΩ 的值最常見(jiàn)。因此，電路板電介質(zhì)吸收與高阻抗電路的關(guān)系最活躍。 圖 8. 電介質(zhì)吸收破壞印刷電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 電介質(zhì)吸收主要影響動(dòng)態(tài)電路響應(yīng)，例如建立時(shí)間。與電路泄漏不同，這種效應(yīng)通常不與濕度或其它環(huán)境條件聯(lián)系在一起，而是取決于電路板的電介質(zhì)屬性。在板中產(chǎn)生通孔所涉及到的化學(xué)反應(yīng)似乎會(huì)加重這一問(wèn)題。如果您的電路不能達(dá)到預(yù)期的瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)格，則應(yīng)將電路板電介質(zhì)吸收考慮為可能的原因之一。 幸運(yùn)的是，我們有辦法來(lái)解決這一問(wèn)題。像對(duì)待電容電介質(zhì)吸收一樣，可以使用外部元件來(lái)補(bǔ)償該效應(yīng)。更重要的是，將敏感節(jié)點(diǎn)完全隔離的表面防護(hù)措施常�？梢詮氐紫@一問(wèn)題（板兩側(cè)上必須具有同樣的防護(hù)措施）。 電路板“鉤子”與電介質(zhì)吸收即便不完全相同，也很相似，表現(xiàn)為有效電路板電容隨著頻率而變化。一般而言，它會(huì)影響電路板電容占總電路電容相當(dāng)一部分的高阻抗電路的瞬態(tài)響應(yīng)。工作頻率低于 10 kHz 的電路最易受影響。像電路板電介質(zhì)吸收一樣，板的化學(xué)組成對(duì)這種效應(yīng)影響極大。 不要放過(guò)蛛絲馬跡 記住，如果基于精密運(yùn)算放大器或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與性能規(guī)格不符，請(qǐng)勿放過(guò)任何可能找到誤差源的蛛絲馬跡。既要分析有源元件，也要分析無(wú)源元件。盡力找出并檢驗(yàn)所有假設(shè)或先入為主的觀念，以免受到蒙蔽而無(wú)視真實(shí)情況。對(duì)任何事情都不應(yīng)掉以輕心。 例如，當(dāng)電纜導(dǎo)體因未系緊而在周圍的電介質(zhì)內(nèi)活動(dòng)時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生并積累大量靜電荷，導(dǎo)致誤差，尤其是與高阻抗電路相連時(shí)。替代方案是采用剛性電纜或低噪聲特氟龍絕緣電纜，但價(jià)格高昂。 隨著運(yùn)算放大器越來(lái)越精密，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的分辨率越來(lái)越高，而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員要求的速度和精度越來(lái)越高，詳細(xì)了解本文所述的誤差源變得越來(lái)越重要。 |
