Електронні компоненти і системи 
Пасивні компоненти в радіоелектронній апаратурі
Пасивні компоненти залежно від застосування можна розділити на дві групи. До першої входять компоненти, параметри яких впливають на точність вимірювання або перетворення вхідних сигналів.
Це резистори в колах зворотного зв’язку ОП, конденсатори високоточних ПНЧ і УВЗ, комутовані конденсатори або резистори в ЦАП і АЦП. До другої групи входять компоненти, до параметрів яких жорстких вимог не висувається. Це резистори, конденсатори або індуктивності, що задають режими підсилювачів або генераторів, забезпечують розв’язку постійної та змінної складових у колах живлення тощо .
Конденсатори
Діелектрики та основні параметри конденсаторів
Якість конденсатора залежить передусім від властивостей діелектрика. Перелік діелектриків, що використовуються в сучасних конденсаторах, досить широкий: від скла, слюди, кераміки та фарфору до органічних синтетичних діелектриків, таких як тефлон, поліпропілен, полістирол та ін. До основних параметрів, якими характеризуються властивості конденсаторів, належать такі:
- технологічний допуск на величину ємності
- температурний коефіцієнт ємності (ТКЄ)
- похибка, спричинена старінням
- похибки, спричинені механічними впливами та впливами вологи
- опір RS втрат у металевих частинах конденсатора (у виводах і обкладках)
- паразитна індуктивність L виводів і обкладок
- опір витоку RP або опір ізоляції
- коефіцієнт діелектричної абсорбції (DA)
Схема заміщення неідеального конденсатора
Схема заміщення неідеального конденсатора наведена на рис. 1. Опір витоку RP, строго кажучи, є нелінійною величиною, яка залежить від зміни напруги на конденсаторі.
Тому величину витоку іноді нормують сталою часу. В електролітичних конденсаторах з великими витоками ця величина може становити одиниці секунд, у керамічних — сотні секунд, у скляних — тисячі секунд. Однак найкращими з точки зору мінімальних витоків є тефлонові або плівкові поліпропіленові конденсатори, для яких стала часу внутрішніх витоків може перевищувати сталу часу зовнішніх витоків, наприклад через друковану плату.
Мінімальною індуктивністю виводів і обкладок володіють керамічні та плівкові конденсатори, максимальною — алюмінієві та танталові електролітичні конденсатори. Останні не рекомендується застосовувати у високочастотних колах, однак при цьому слід мати на увазі, що випускаються замовні електролітичні конденсатори, спеціально розроблені для кіл радіочастотного діапазону .
Коефіцієнт дисипації та еквівалентні параметри
Ряд виробників нормують опір втрат RS як еквівалентний послідовний опір (ESR — equivalent series resistance), а паразитну індуктивність як еквівалентну послідовну індуктивність (ESL — equivalent series inductance). У деяких випадках параметри ESR і ESL об’єднують в узагальнений показник, що отримав назву коефіцієнта дисипації (DF — dissipation factor) . У вітчизняній літературі для характеристики цих параметрів використовується тангенс кута втрат. Коефіцієнт дисипації для кожного типу конденсатора залежить від частоти сигналу та температури навколишнього середовища. Значення цього коефіцієнта визначається як відношення втрат енергії до енергії заряду за період зберігання цієї енергії на конденсаторі та нормується, як правило, у відносних одиницях або відсотках.
Для керамічних конденсаторів коефіцієнт дисипації знаходиться в межах від 0,1 до 2,5 %, для електролітичних його значення вище 2,5 %, для найкращих з точки зору мінімального коефіцієнта дисипації плівкових конденсаторів значення його, як правило, менше 0,1 % .
Зміна ємності конденсаторів загального застосування за рік становить ±(0,1…0,3) % у нормальних умовах експлуатації та ±(0,3…0,5) % — при роботі в умовах коливань температури в межах робочого діапазону та підвищеної вологості.
Діелектрична абсорбція
Фізична суть явища
Явище абсорбції діелектрика призводить до того, що конденсатор ніби прагне запам’ятати попередній стан , тобто після заряду до нового стану конденсатор дещо змінює напругу, частково повертаючись до попереднього значення. Цей ефект ілюструється еквівалентною схемою та діаграмою напруги на конденсаторі, які наведені на рис. 2. Як випливає з діаграми, після розряду конденсатора (момент часу t2) відбувається його дозаряд, спричинений діелектричною абсорбцією.
Вплив абсорбції на точність
Величина абсорбції призводить до похибки на виході аналогового інтегратора, збільшує нелінійність ПНЧ і УВЗ. Ця похибка визначається як відношення залишкової напруги на конденсаторі до початкового значення та виражається у відсотках або відносних одиницях. Для тефлонових конденсаторів вона становить не більше 0,002 %, для керамічних — не більше 0,2 %, для електролітичних конденсаторів ця похибка може досягати 10 %.
Вибір типу конденсатора
При виборі типу конденсатора керуються номінальною величиною ємності та найбільшим допустимим відхиленням величини ємності від номінального значення (або допуском). Так, наприклад, якщо необхідно розробити портативний пристрій, найбільш переважними є плівкові конденсатори, однак максимальне значення їхньої ємності не перевищує 10 мкФ. Найкращий допуск ±1 % мають керамічні та деякі типи плівкових конденсаторів. Мінімальний ТКЄ мають також керамічні конденсатори (менше 30 ррм/°С), тоді як для найкращих плівкових (поліпропіленових) конденсаторів цей коефіцієнт становить 100–200 ррм/°С. Тефлонові конденсатори можуть працювати в широкому діапазоні температур аж до 200 °С, тоді як максимальне значення робочої температури полістирольних конденсаторів не перевищує 85 °С.
У табл. 1 узагальнено деякі рекомендації, що дозволяють правильно вибрати необхідний тип конденсатора .
Таблиця 1. Переваги та недоліки різних типів конденсаторів
| Тип конденсатора | Похибка, % | Переваги | Недоліки |
| Полістирольний | 0.001…0.02 | Недорогий, низька похибка абсорбції, хороша температурна стабільність (-120 ррм/°С) | Руйнується при температурі 85 °С, великі габаритні розміри, висока паразитна індуктивність, обмежена кількість виробників |
| Поліпропіленовий | 0.001…0.02 | Недорогий, низька похибка абсорбції, хороша температурна стабільність (-120 ррм/°С) | Руйнується при температурі 105 °С, великі розміри, висока паразитна індуктивність |
| Тефлоновий | 0.003…0.02 | Низька похибка абсорбції, хороша температурна стабільність, робоча температура до 125 °С, широкий діапазон номінальних значень ємності | Дорогий, великі габаритні розміри, висока паразитна індуктивність |
| Полікарбонатний | 0.1 | Недорогий, хороша температурна стабільність, широкий діапазон робочих температур і номінальних значень ємності | Великі габаритні розміри, похибка абсорбції еквівалентна 10 розрядам, висока паразитна індуктивність |
| Поліефірний | 0.3…0.5 | Середня температурна стабільність, недорогий, широкий діапазон робочих температур, низька індуктивність виводів | Великі габаритні розміри, похибка абсорбції еквівалентна 8 розрядам |
| Керамічний (NPO) | 0.1 | Малі габаритні розміри, недорогий, багато виробників, хороша температурна стабільність (30 ррм/°С), невисока паразитна індуктивність, розкид значень ємності не більше 1 % | Максимальна величина ємності не більше 10 нФ |
| Керамічний монолітний | 0.2 | Низька паразитна індуктивність, широкий діапазон номінальних значень ємності | Низька температурна стабільність |
| Слюдяний | 0.003 | Низькі втрати на ВЧ, низька паразитна індуктивність, висока температурна стабільність, розкид значень ємності не більше 1 % | Великі габаритні розміри, максимальне значення ємності не більше 10 нФ, дорогий |
| Електролітичний алюмінієвий | Велика похибка абсорбції | Високе номінальне значення ємності, великий струм заряду, висока напруга заряду, невеликі габаритні розміри | Великі витоки, погана стабільність, невисока точність, велика паразитна індуктивність |
| Електролітичний танталовий | Велика похибка абсорбції | Невеликі габаритні розміри, високе максимальне значення ємності, середня паразитна індуктивність | Великі витоки, дорогий, погана стабільність, невисока точність |
Резистори
Основні параметри резисторів
До основних параметрів, якими характеризуються властивості резисторів, належать такі:
- технологічний допуск на величину опору
- нелінійність величини опору
- температурний коефіцієнт опору (ТКО)
- похибка, спричинена старінням
- відхід номінального значення опору під впливом вологості, температурних циклів і механічних навантажень
У радіоелектронній апаратурі використовуються такі типи резисторів (дискретних і матричних): дротяні, мікродротяні, вугільні композиційні, металоплівкові, фольгові або металооб’ємні, матричні товсто- та тонкоплівкові.
Типова схема заміщення неідеального резистора наведена на рис. 3.
Динамічні властивості резисторів
Динамічні властивості резисторів характеризуються сталою часу τ .
(1)
де L, C — паразитні індуктивність і ємність резистора.
Стала часу дротяних резисторів становить 10⁻⁶–10⁻⁷ с, металоплівкові резистори мають покращені частотні властивості, оскільки їхні паразитні ємності та індуктивності значно менші, ніж у дротяних резисторів.
Вибір резисторів для високоточних вимірювальних каналів
Загальні підходи до вибору
При проектуванні кіл з еквівалентною точністю 12 двійкових розрядів і вище оптимальний вибір резисторів або резистивних матриць є досить складним завданням. Використання дискретних одиночних резисторів нетипово для багатьох вимірювальних каналів. Як правило, за допомогою резисторів будуються схеми, що забезпечують необхідний коефіцієнт передачі напруги або струму. У цьому випадку суттєвою є точність підтримання відношення, а не абсолютного значення кожного з резисторів матриці. Виходячи з цього, розробники, як правило, використовують для таких кіл недорогі тонкоплівкові матриці з абсолютним ТКО в діапазоні від ±1 до ±100 ррм/°С. При цьому ТКО відношення через однорідність резисторів матриці не буде виходити за межі 10 ррм/°С.
Приклад неінвертуючого підсилювача
Це можна показати на простому прикладі неінвертуючого підсилювача (рис. 4).
Припустимо, що резистори RI і RF мають ТКО 100 ррм/°С або 0,01 %/°С. Зміна величини резистора під впливом температури може бути визначена таким чином :
R = R₀, (2)
де R₀ — опір резистора при 20 °С.
При зміні температури на 10 °С опір резисторів RI і RF збільшиться на 0,1 %. Коефіцієнт G підсилення підсилювача (рис. 4) визначається виразом
G = 1 + RF/RI = 100. (3)
З (3) випливає, що зміна величини опорів RI і RF під впливом температури не призведе до зміни коефіцієнта підсилення G.
Вплив саморозігріву резисторів
Крім ТКО при проектуванні вимірювальних каналів високої точності необхідно враховувати саморозігрів резисторів. У технічних описах ця величина характеризується тепловим опором, який виражається відношенням градус/ват (°С/Вт). Для резисторів з потужністю розсіювання 0,25 Вт тепловий опір дорівнює 125 °С/Вт. Розглянемо вплив саморозігріву на точність підсилювача (рис. 4). Потужність розсіювання на кожному резисторі визначається як Е²/R. Звідси для RI ця величина становить (100 мВ)²/100 Ом = 100 мкВт, що призведе до збільшення температури резистора на величину, рівну 100 мкВт × 125 °С/Вт = 0,0125 °С. Таке збільшення температури резистора RI призведе до зміни його опору на 0,00012 %. Цією зміною можна знехтувати. Потужність розсіювання на резисторі RF = (9,9 В)²/9900 Ом = 9,9 мВт, що призведе до збільшення температури резистора на величину, рівну 0,0099 Вт × 125 °С/Вт = 1,24 °С. Збільшення температури на 1,24 °С викличе зміну опору RF на 0,0124 % і відповідно коефіцієнта підсилення G на 0,012 %, що еквівалентно 12-розрядній точності.
Паразитні термоЕРС у колах з резисторами
Крім перелічених, джерелами похибок у колах, що містять резистори, є паразитні термоЕРС. При з’єднанні провідників з різних матеріалів у місці контакту утворюється термопара, величина термоЕРС якої залежить від типу провідників і від температури контакту. Схема заміщення резистора з паразитними термоЕРС наведена на рис. 5. Типові значення паразитної термоЕРС для різних типів резисторів наведені в табл. 2.
Таблиця 2. Значення паразитних термоЕРС для різних типів резисторів
| Тип резистора | Значення термоЕРС, мкВ/°С |
| Вугільний композиційний | 400 |
| Металоплівковий загального застосування | 20 |
| Дротяний манганіновий | 2 |
| Резистор сімейства HP фірми RCD Components | 0.05 |
Умови нехтування ефектом паразитної термоЕРС
Ефектом паразитної термоЕРС можна знехтувати, якщо у вимірювальному каналі протікає змінний струм або обидва виводи резистора знаходяться в умовах рівних температур. Однак при вимірюванні сигналів низького рівня із застосуванням стабілізованих перериванням підсилювачів типу ОР177 паразитна термоЕРС може бути порівняна з температурним дрейфом напруги зміщення нуля такого ОП, що становить до 1 мкВ/°С.
Монтаж резисторів на друкованій платі
Величина паразитної термоЕРС може залежати також від встановлення резистора на друкованій платі. Так, наприклад, вертикальне встановлення резистора збільшує дисбаланс температур на виводах резистора і таким чином сприяє збільшенню паразитної термоЕРС (рис. 6). «Температурна» вісь резистора, розташованого на друкованій платі, має бути орієнтована перпендикулярно конвекційному потоку повітря всередині пристрою. Резистори, паразитна термоЕРС яких може суттєво погіршувати точність проектованого пристрою, слід розташовувати на відстані від елементів з великою потужністю, що розсіюється.
Тепловий шум резисторів
Усі матеріали (провідники та напівпровідники), що мають вільні заряди, генерують тепловий шум (або шум Джонсона). Середньоквадратичне значення напруги теплового шуму VNR на кінцях розімкнутого резистора буде рівне
(4)
де К — стала Больцмана; Т — абсолютна температура в кельвінах; В — смуга пропускання, наприклад ОП, у колі якого використовується резистор, у герцах; R — опір резистора в омах. Зазначимо, що напруга шуму залежить не від частоти, а від смуги пропускання. Тому в широкосмугових каналах з ОП слід використовувати резистори по можливості з невисоким номінальним значенням. Так, наприклад, резистор опором 100 кОм на вході ОП у смузі пропускання 10 Гц при температурі 25 °С генерує шум, середньоквадратичне значення якого, виходячи з (4), дорівнює
Таблиця 3. Переваги та недоліки різних типів резисторів
| Тип резистора | Переваги | Недоліки |
| Вугільний композиційний | Мінімальна вартість, малі габаритні розміри, велика допустима потужність розсіювання, широкий діапазон номінальних значень | Невисока точність підгонки (не більше 5 %), великий ТКО (до 1500 ррм/°С) |
| Дротяний | Висока точність підгонки (не гірше 0,01 %), малий ТКО (1 ррм/°С), велика допустима потужність розсіювання | Висока вартість, великі габаритні розміри, високий реактивний опір |
| Металоплівковий | Хороша точність підгонки (0,1 %), невисокий ТКО (1…100 ррм/°С), широкий діапазон номінальних значень | Низька допустима потужність розсіювання, висока вартість |
| Фольговий або металооб’ємний | Висока точність підгонки (0,005 %), малий ТКО (<1 ррм/°С), низький реактивний опір | Висока вартість, низька потужність розсіювання |
| Матричний товстоплівковий | Недорогі, велика допустима потужність розсіювання, лазерна підгонка | Невисокий ступінь узгодження (не більше 0,1 %), високий ТКО (>100 ррм/°С), високий ТКО відношення (10 ррм/°С) |
| Матричний тонкоплівковий на скляній підкладці | Висока ступінь узгодження (відхилення <0,01 %), невисокий ТКО (<100 ррм/°С), невисока вартість, лазерна підгонка, низька паразитна ємність | Великі габаритні розміри, низька допустима потужність розсіювання |
| Матричний тонкоплівковий на керамічній підкладці | Висока ступінь узгодження (відхилення <0,01 %), ТКО <100 ррм/°С, ТКО відношення <2 ррм/°С, невисока вартість, лазерна підгонка, невисока паразитна ємність | Великі габаритні розміри |
| Матричний тонкоплівковий на кремнієвій підкладці | Висока ступінь узгодження (відхилення <0,01 %), ТКО <100 ррм/°С, ТКО відношення <2 ррм/°С, невисока вартість, лазерна підгонка, невисока паразитна ємність | Великі габаритні розміри |
Таблиця 4. Переваги та недоліки різних підкладок для матричних резисторів
| Тип подложки | Переваги | Недоліки |
| Скляна | Низька паразитна ємність | Невисока потужність розсіювання, великі габаритні розміри |
| Керамічна | Низька паразитна ємність, застосовується в гібридних ІМС | Великі габаритні розміри |
| Кремнієва | Призначена для монолітних ІМС | Низька потужність розсіювання, висока паразитна ємність |
| Кремнієва | Низька паразитна ємність | Низька потужність розсіювання, висока вартість |
Штучне старіння резисторів
Для того щоб зменшити похибку, пов’язану зі старінням матеріалів резистора, застосовують прискорене штучне старіння резисторів шляхом термоциклування в діапазоні температур від -60 до 70 °С. Відхід опору після штучного старіння обмежується десятими частками відсотка на рік.
Переваги та недоліки різних типів резисторів і резистивних матриць наведені в табл. 3.
Вплив матеріалу підкладки на властивості матричних резисторів показано в табл. 4 .
Висновки
У статті показано вплив параметрів пасивних компонентів на характеристики проектованих пристроїв. Надані рекомендації, що дозволяють мінімізувати вплив похибок, що вносяться пасивними компонентами, та здійснити оптимальний вибір необхідного типу конденсатора або резистора.
