Пассивные компоненты в зависимости от применения можно разделить на две группы. В первую входят компоненты, параметры которых влияют на точность измерения или преобразования входных сигналов.
Это резисторы в цепях обратной связи ОУ, конденсаторы высокоточных ПНЧ и УВХ, коммутируемые конденсаторы или резисторы в ЦАП и АЦП. Во вторую группу входят компоненты, к параметрам которых жесткие требования не предъявляются. Это резисторы, конденсаторы или индуктивности, задающие режимы усилителей или генераторов, обеспечивающие развязку постоянной и переменной составляющих в цепях питания и т. п. [1, 2].
Качество конденсатора зависит прежде всего от свойств диэлектрика. Перечень диэлектриков, используемых в современных конденсаторах, достаточно обширен: от стекла, слюды, керамики и фарфора до органических синтетических диэлектриков, таких как тефлон, полипропилен, полистирол и др. К основным параметрам, которыми характеризуются свойства конденсаторов, относятся следующие:
- технологический допуск на величину емкости
- температурный коэффициент емкости (ТКЕ)
- погрешность, вызванная старением
- погрешности, вызванные механическими воздействиями и воздействиями влаги
- сопротивление RS потерь в металлических частях конденсатора (в выводах и обкладках)
- паразитная индуктивность L выводов и обкладок
- сопротивление утечки RP или сопротивление изоляции
- коэффициент диэлектрической абсорбции (DA).
Схема замещения неидеального конденсатора приведена на рис. 1. Сопротивление утечки RP, строго говоря, является нелинейной величиной, которая зависит от изменения напряжения на конденсаторе.
Поэтому величину утечки иногда нормируют постоянной времени. В электролитических конденсаторах с большими утечками эта величина может составлять единицы секунд, в керамических − сотни секунд, в стеклянных − тысячи секунд. Однако лучшими, с точки зрения минимальных утечек, являются тефлоновые или пленочные полипропиленовые конденсаторы, для которых постоянная времени внутренних утечек может превышать постоянную времени внешних утечек, например, через печатную плату.
Минимальной индуктивностью выводов и обкладок обладают керамические и пленочные конденсаторы, максимальной − алюминиевые и танталовые электролитические конденсаторы. Последние не рекомендуется применять в высокочастотных цепях, однако при этом следует иметь в виду, что выпускаются заказные электролитические конденсаторы, специально разработанные для цепей радиочастотного диапазона [1].
Ряд производителей нормируют сопротивление потерь RS как эквивалентное последовательное сопротивление (ESR − equivalent series resistance), а паразитную индуктивность как эквивалентную после- довательную индуктивность (ESL − equivalent series in- ductance). В некоторых случаях параметры ESR и ESL объединяют в обобщенный показатель, получивший название коэффициента диссипации (DF − dissipation factor) [1]. В отечественной литературе для характеристики этих параметров используется тангенс угла потерь. Коэффициент диссипации для каждого типа конденсатора зависит от частоты сигнала и температуры окружающей среды. Значение этого коэффициента определяется как отношение потерь энергии к энергии заряда за период хранения этой энергии на конденсаторе и нормируется, как правило, в относительных единицах или процентах.
Для керамических конденсаторов коэффициент диссипации находится в пределах от 0.1 до 2.5 %, для электролитических его значение выше 2.5 %, для лучших с точки зрения минимального коэффициента диссипации пленочных конденсаторов значение его, как правило, меньше 0.1 % [1].
Изменение емкости конденсаторов общего применения за год составляет ±(0.1…0.3) % в нормальных условиях эксплуатации и ±(0.3…0.5) % − при работе в условиях колебаний температуры в пределах рабочего диапазона и повышенной влажности.
Рис. 1. Схема замещения неидеального конденсатора
Явление абсорбции диэлектрика приводит к тому, что конденсатор как бы стремится запомнить предыдущее состояние [2], т. е. после заряда до нового состояния конденсатор несколько изменяет напряжение, частично возвращаясь к прежнему значению. Этот эффект иллюстрируется эквивалентной схемой и диаграммой напряжения на конденсаторе, которые приведены на рис. 2. Как следует из диаграммы, после разряда конденсатора (момент времени t2) происходит его дозаряд, вызванный диэлектрической абсорбцией. Величина абсорбции приводит к погрешности на выходе аналогового интегратора, увеличивает нелинейность ПНЧ и УВХ. Эта погрешность определяется как отношение остаточного напряжения на конденсаторе к первоначальному значению и выражается в процентах или относительных единицах. Для тефлоновых конденсаторов она составляет не более 0.002 %, для керамических − не более 0.2 %, для электролитических конденсаторов данная погрешность может достигать 10 %.
Рис. 2. Эквивалентная схема (а) и диаграмма напряжения (б), иллюстрирующие эффект абсорбции диэлектрика в конденсаторе
При выборе типа конденсатора руководствуются номинальной величиной емкости и наибольшим допустимым отклонением величины емкости от номинального значения (или допуском). Так, например, если необходимо разработать портативное устройство, наиболее предпочтительными являются пленочные конденсаторы, однако максимальное значение их емкости не превышает 10 мкФ. Наилучший допуск ±1 % имеют керамические и некоторые типы пленочных конденсаторов. Минимальный ТКЕ имеют также керамические конденсаторы (менее 30 ррм/°С), в то время как для лучших пленочных (полипропиленовых) конденсаторов этот коэффициент составляет 100-200 ррм/°С. Тефлоновые конденсаторы могут работать в широком диапазоне температур вплоть до 200 °С, в то время как максимальное значение рабочей температуры полистирольных конденсаторов не превышает 85 °С.
В табл. 1. обобщены некоторые рекомендации, позволяющие правильно выбрать необходимый тип конденсатора [1].
Таблица 1. Преимущества и недостатки различных типов конденсаторов
| Тип конденсатора | Погрешность, % | Преимущества | Недостатки |
| Полистирол ьный | 0.001…0.02 | Недорогой, низкая погрешность абсорбции, хорошая температурная стабильность (-120 ррм/°С) | Разрушается при температуре 85 °С, большие габаритные размеры, высокая паразитная индуктивность, ограниченное число производителей |
| Полипропиленовый | 0.001…0.02 | Недорогой, низкая погрешность абсорбции, хорошая температурная стабильность (-120 ррм/°С) | Разрушается при температуре 105 °С, большие размеры, высокая паразитная индуктивность |
| Тефлоновый | 0.003…0.02 | Низкая погрешность абсорбции, хорошая температурная стабильность, рабочая температура до 125 °С, широкий диапазон номинальных значений емкости | Дорогой, большие габаритные размеры, высокая паразитная индуктивность |
| Поликар- бонатный | 0.1 | Недорогой, хорошая температурная стабильность, широкий диапазон рабочих температур и номинальных значений емкости | Большие габаритные размеры, погрешность абсорбции эквивалентна 10 разрядам, высокая паразитная индуктивность |
| Полиэфирный | 0.3…0.5 | Средняя температурная стабильность, недорогой, широкий диапазон рабочих температур, низкая индуктивность выводов | Большие габаритные размеры, погрешность абсорбции эквивалентна 8 разрядам |
| Керамический (NPO) | 0.1 | Малые габаритные размеры, недорогой, много производителей, хорошая температурная стабильность (30 ррм/°С), невысокая паразитная индуктивность, разброс значений емкости не более 1 % | Максимальная величина емкости не более 10 нФ |
| Керамический монолитный | 0.2 | Низкая паразитная индуктивность, широкий диапазон номинальных значений емкости | Низкая температурная стабильность |
| Слюдяной | 0.003 | Низкие потери на ВЧ, низкая паразитная индуктивность, высокая температурная стабильность, разброс значений емкости не более 1 % | Большие габаритные размеры, максимальное значение емкости не более 10 нФ, дорогой |
| Электролитический алюминиевый | Большая погрешность абсорбции | Высокое номинальное значение емкости, большой ток заряда, высокое напряжение заряда, небольшие габаритные размеры | Большие утечки, плохая стабильность, невысокая точность, большая паразитная индуктивность |
| Электролитический танталовый | Большая погрешность абсорбции | Небольшие габаритные размеры, высокое максимальное значение емкости, средняя паразитная индуктивность | Большие утечки, дорогой, плохая стабильность, невысокая точность |
К основным параметрам, которыми характеризуются свойства резисторов, относятся следующие:
- технологический допуск на величину сопротивления
- нелинейность величины сопротивления
- температурный коэффициент сопротивления (ТКС)
- погрешность, вызванная старением
- уход номинального значения сопротивления под воздействием влажности, температурных циклов и механических нагрузок.
В радиоэлектронной аппаратуре используются следующие типы резисторов (дискретных и матричных): проволочные, микропроволочные, угольные композиционные, металлопленочные, фольговые или металлообъемные, матричные толсто- и тонкопленочные.
Типовая схема замещения неидеального резистора приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема замещения неидеального резистора
Динамические свойства резисторов характеризуются постоянной времени τ [2].
(1)
где L, C− паразитные индуктивность и емкость резистора.
Постоянная времени проволочных резисторов составляет 10-6-10-7 с, металлопленочные резисторы имеют улучшенные частотные свойства, т. к. их паразитные емкости и индуктивности значительно меньше, чем проволочных резисторов.
При проектировании цепей с эквивалентной точностью 12 двоичных разрядов и выше оптимальный выбор резисторов или резистивных матриц является достаточно сложной задачей. Использование дискретных одиночных резисторов нетипично для многих измерительных каналов. Как правило, с помощью резисторов строятся схемы, обеспечивающие необходимый коэффициент передачи напряжения или тока. В этом случае существенной является точность поддержания отношения, а не абсолютного значения каждого из резисторов матрицы. Исходя из этого, разработчики, как правило, используют для таких цепей недорогие тонкопленочные матрицы с абсолютным ТКС в диапазоне от ±1 до ±100 ррм/°С. При этом ТКС отношения из-за однородности резисторов матрицы не будет выходить за пределы 10 ррм/°С. Это можно показать на простом примере неинвертирующего усилителя (рис. 4).
Рис. 4. Функциональная схема неинвертирующего усилителя
Предположим, что резисторы RI и RF имеют ТКС 100 ррм/°С или 0.01 %/°С. Изменение величины резистора под воздействием температуры может быть определено следующим образом [4]:
R=R0[1+(TKC) ⋅ T], (2)
где R0 − сопротивление резистора при 20 °С.
При изменении температуры на 10 °С сопротивле- ние резисторов RI и RF увеличится на 0.1 %. Коэффициент Gусиления усилителя (рис. 4) определяется выражением
G=1+RF/RI=100. (3)
Из (3) следует, что изменение величины сопротивлений RI и RF под воздействием температуры не приведет к изменению коэффициента усиления G.
Кроме ТКС при проектировании измерительных каналов высокой точности необходимо учитывать саморазогрев резисторов. В технических описаниях эта ве- личина характеризуется тепловым сопротивлением, которое выражается отношением градус/ватт (°С/Вт). Для резисторов с мощностью рассеяния 0.25 Вт тепло- вое сопротивление равно 125 °С/Вт. Рассмотрим влияние саморазогрева на точность усилителя (рис. 4). Мощность рассеяния на каждом резисторе определяется как Е2/R. Отсюда для RI эта величина составляет (100 мВ)2/100 Ом=100 мкВт, что приведет к увеличению температуры резистора на величину, равную 100 мкВт×125 °С/Вт=0.0125 °С. Такое увеличение температуры резистора RI приведет к изменению его сопротивления на 0.00012 %. Этим изменением можно пренебречь. Мощность рассеяния на резисторе RF=(9.9 В)2/9900 Ом=9.9 мВт, что приведет к увеличению температуры резистора на величину, равную 0.0099 Вт×125 °С/Вт=1.24 °С. Увеличение температуры на 1.24 °С вызовет изменение сопротивления RF на 0.0124 % и соответственно коэффициента усиления G на 0.012 %, что эквивалентно 12-разрядной точности.
Кроме перечисленных источниками погрешностей в цепях, содержащих резисторы, являются паразитные термоЭДС. При соединении проводников из различных материалов в месте контакта образуется термопара, величина термоЭДС которой зависит от типа проводников и от температуры контакта. Схема замещения резистора с паразитными термоЭДС приведена на рис. 5. Типовые значения паразитной термоЭДС для различных типов резисторов приведены в табл. 2.
Рис. 5. Схема замещения резистора с паразитными термоЭДС
Таблица 2. Значения паразитных термоЭДС для различных типов резисторов
| Тип резистора | Значение термоЭДС, мкВ/°С |
| Угольный композиционный | 400 |
| Металлопленочный общего применения | 20 |
| Проволочный манганиновый | 2 |
| Резистор семейства HP фирмы RCD Components | 0.05 |
Эффектом паразитной термоЭДС можно пренебречь, если в измерительном канале протекает переменный ток или оба вывода резистора находятся в условиях равных температур. Однако при измерении сигналов низкого уровня с применением стабилизированных прерыванием усилителей типа ОР177 [3] паразитная термоЭДС может быть сравнима с температурным дрейфом напряжения смещения нуля такого ОУ, составляющим до 1 мкВ/°С. Величина паразитной термоЭДС может зависеть также от установки резистора на печатной плате. Так, например, вертикальная установка резистора увеличивает разбаланс температур на выводах резистора и таким образом способствует увеличению паразитной термоЭДС (рис. 6). “Температурная” ось резистора, расположенного на печатной плате, должна быть ориентирована перпендикулярно конвекционному потоку воздуха внутри устройства. Резисторы, паразитная термоЭДС которых может существенно ухудшать точность проектируемого устройства, следует располагать в удалении от элементов с большой рассеиваемой мощностью.
Рис. 6. Неправильная (а) и правильная (б) установка резистора на печатной плат
Все материалы (проводники и полупроводники), имеющие свободные заряды, генерируют тепловой шум (или шум Джонсона). Среднеквадратичное значение напряжения теплового шума VNR на концах разомкнутого резистора будет равно
(4)
где К− постоянная Больцмана; Т− абсолютная температура в кельвинах; В − полоса пропускания, напри- мер ОУ, в цепи которого используется резистор, в гер- цах; R − сопротивление резистора в омах. Отметим,
что напряжение шума зависит не от частоты, а от по- лосы пропускания. Поэтому в широкополосных кана- лах с ОУ следует использовать резисторы по возмож- ности с невысоким номинальным значением. Так, например, резистор сопротивлением 100 кОм на входе ОУ в полосе пропускания 10 Гц при температуре 25 °С генерирует шум, среднеквадратичное значение которого, исходя из (4), равно [5]
Таблица 3. Преимущества и недостатки различных типов резисторов
| Тип резистора | Преимущества | Недостатки |
| Угольный композиционный | Минимальная стоимость, малые габаритные размеры, большая допустимая мощность рассеяния, широкий диапазон номинальных значений | Невысокая точность подгонки (не более 5 %), большой ТКС (до 1500 ррм/°С) |
| Проволочный | Высокая точность подгонки (не хуже 0.01 %), малый ТКС (1 ррм/°С), большая допустимая мощность рассеяния | Высокая стоимость, большие габаритные размеры, высокое реактивное сопротивление |
| Металлопленочный | Хорошая точность подгонки (0.1 %), невысокий ТКС (1…100 ррм/°С), широкий диапазон номинальных значений | Низкая допустимая мощность рассеяния, высокая стоимость |
| Фольговый или металлообъемный | Высокая точность подгонки (0.005 %), малый ТКС (<1 ррм/°С), низкое реактивное сопротивление | Высокая стоимость, низкая мощность рассеяния |
| Матричный толстопленочный | Недорогие, большая допустимая мощность рассеяния, лазерная подгонка | Невысокая степень согласования (не более 0.1 %), высокий ТКС (>100 ррм/°С), высокий ТКС отношения (10 ррм/°С) |
| Матричный тонкопленочный на стеклянной подложке | Высокая степень согласования (отклонение <0.01 %), невысокий ТКС (<100 ррм/°С), невысокая стоимость, лазерная подгонка, низкая паразитная емкость | Большие габаритные размеры, низкая допустимая рассеиваемая мощность |
| Матричный тонкопленочный на керамической подложке | Высокая степень согласования (отклонение <0.01 %), ТКС<100 ррм/°С, ТКС отношения <2 ррм/°С, невысокая стоимость, лазерная подгонка, невысокая паразитная емкость | Большие габаритные размеры |
| Матричный тонкопленочный на кремниевой подложке | Высокая степень согласования (отклонение <0.01 %), ТКС<100 ррм/°С, ТКС отношения <2 ррм/°С, невысокая стоимость, лазерная подгонка, невысокая паразитная емкость | Большие габаритные размеры |
Таблица 4. Преимущества и недостатки различных подложек для матричных резисторов
| Тип подложки | Преимущества | Недостатки |
| Стеклянная | Низкая паразитная емкость | Невысокая мощность рассеяния, большие габаритные размеры |
| Керамическая | Низкая паразитная емкость, применяется в гибридных ИМС | Большие габаритные размеры |
| Кремниевая | Предназначена для монолитных ИМС | Низкая мощность рассеяния, высокая паразитная емкость |
| Из сапфира | Низкая паразитная емкость | Низкая мощность рассеяния, высокая стоимость |
Для того чтобы уменьшить погрешность, связанную со старением материалов резистора, применяют ускоренное искусственное старение резисторов путем термоциклирования в диапазоне температур от -60 до 70 °С. Уход сопротивления после искусственного старения ограничивается десятыми долями процента в год.
Преимущества и недостатки различных типов резисторов и резистивных матриц приведены в табл. 3.
Влияние материала подложки на свойства матричных резисторов показано в табл. 4 [1].
Выводы: в статье показано влияние параметров пассивных компонентов на характеристики проектируемых устройств. Даны рекомендации, позволяющие минимизировать влияние погрешностей, вносимых пассивными компонентами, и осуществить оптимальный выбор требуемого типа конденсатора или резистора.
Лайкнути
Твітнути