精密电阻阵列使电子电路稳定和小型化
发布时间：2012-2-24 16:43
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电子电路继续小型化的趋势对电阻设计提出了新挑战。例如，车辆中电子功能的增加使得单位面积电子器件的数量提升。这反过来在多方面影响到了无源器件——特别是电阻。这些器件需要变得更小，同时提供更高的精度和更佳的稳定度。更高的精度则需要通过更紧的容限和更低的温度系数得以实现。 薄膜芯片电阻阵列可以通过把多个在同一陶瓷基片上的多个电阻集成起来，满足缩减尺寸、更高精度、增加电气稳定性的要求。通过集成这些器件，电阻阵列比相同数量的分立电阻需要更小的空间。这可以使得电子电路有更高的封装密度，因此单位面积可以有更多的电子功能。此外，薄膜芯片电阻阵列还用于电阻的相对行为十分关键的应用，比如运放或直流到直流转换器中的分压器和反馈电路。 本文将介绍薄膜芯片电阻阵列如何积极地影响电路的电气稳定，同时减少需要的面积。以分压器作为例子，我们将在文章中解释相对参数“容差匹配”和“TCR跟踪”，并讨论电阻阵列的温度行为。此外，这篇文章还会展示如何在生产过程中控制电阻的容差和温度系数。 相对容差（容差匹配）使用分压器 
图1：由R1和R2.组成的分压器。 图1描述了由R1和R2组成的无负载分压器，在分压器的输出引脚，由R1和R2以及其相对标称电阻值的偏差△决定的输出电压VOUT可以测量出来：
图2：电阻阵列的容差。 在这个例子中，阵列的全部4个电阻阻值都在绝对容限±0.5%以内。此外，对于精密电阻阵列还指定了容差匹配。其定义为最小和最大电阻偏差之间的跨度，为一个无符号数。在上面的例子中，容差匹配数值是0.1%。当和分压器中单个电阻比较的时候，这相当于±0.05%.的偏差。相对温度系数（TCR跟踪） 绝对温度系数a描述了电阻值随温度的变化升高或降低的改变 
图3：TCR跟踪。 在这个例子中绝对TCR的限制是± 50 ppm/K。4个集成电阻R1， R2， R3， 和 R4 的TCR曲线落在限制范围之内。对于精密电阻阵列，除了绝对温度系数之外，还指定了相对温度系数。相对TCR（TCR跟踪）定义为4个集成电阻中最大和最小TCR之间的差别。在这个例子中，TCR跟踪的数值时10 ppm/K，这相当于分压器中用到的分立电阻温度范围为– 55 °C 到 + 125 °C 时TCR为± 5 ppm/K。和关于相对容差的讨论类似，就TCR跟踪而言，四个电阻呈现出统一的行为特性，产生出我们希望得到的低TCR值。分压器的温度行为特性 在印刷电路板上，通常情况下不同区域的本地环境温度都有所不同。这是相邻器件热传导、热辐射和热对流的结果。如果使用分立电阻，不同的环境温度会导致不同的电阻变化。这种效应在图4中给出了说明。 
图4：左-使用分立电阻时不同的本地环境温度。右边-使用集成电阻（电阻阵列）时相同的本地环境温度。 固定稳压器的输出电压通过分压器来调整（图4，左）。2个分立电阻的阻值为R1=R2 =1kΩ，TCR为±50ppm/K。在印刷电路板（PCB）上其中一个位于另一个下面。固定稳压器位于R1附近，由于热辐射和对流导致环境温度升高。这导致R1的温度升高到+120°C。而R2的本地环境温度维持几乎不变，仍然是+20°C。R1和R2不同的温度水平引起分压器失配，这可以通过方程2计算得到。失配对包含电压稳压器的邻近电路的影响可能会非常大。在最坏情况下，固定电压稳压器会不能提供要求的电压稳定度，进而使整个电路失效。可以通过尽量把R1和R2放置在一条等温线上来降低这种效应。这样做的话，R2的环境温度会和R1的温度水平更接近。然而由于分立电阻的放置相互之间存在最小的某个距离，即使最小的可能距离也会导致不同的温度水平。如果两个电阻值不同（R1≠R2），那么情况会变得更糟。由于阻值不等，消耗的功率也不同（P1≠P2），导致电阻间不同的温度水平。 电阻阵列为确保所有的集成电阻有相同的环境温度提供了一种很好的选择。由于电阻集成的关系，这些阵列体现出统一的温度行为特性。陶瓷基板具有很好的热传导，所以所有的集成电阻都大致处于相同的热水平。因此，固定稳压器提供的输出电压在最初近似时可认为不受温度影响。 实现 容差 薄膜芯片电阻或薄膜芯片电阻阵列的容差，可通过激光处理过程进行调整。激光束把诸如一种绕线结构削成电阻层，如图5所示。在调整的过程中，电阻值一直在被监控，从而使得最终的电阻值位于需要的容限之内。 
图5：薄膜芯片电阻阵列中的绕线结构。 温度系数 薄膜电阻的温度系数受多个流程参数影响，包括合金成分、涂层流程（溅射流程）以及接下来的温度调节。为了获得低的温度系数，所有这些流程的每一个参数都需要高准确度的完成。接下来的热处理会调整薄金属层的温度系数，根据这项热处理的持续时间和温度，温度系数从最初的负逐渐增加到正，也就是说薄层的电气行为特性变得日益金属化。产品 薄膜芯片电阻阵列包含多个集成在同一个基板的电阻，定义了相对容差和相对温度系数，制造过程使得相同陶瓷载体上可以实现统一或不同的电阻值。因此，分压器或反馈电路可以轻松实现，特性是电阻比例≥1。另一个阵列的优势是电路板空间变小了。这在PCB面积有限的复杂电子系统中显得特别有利。此外，布局成本比分立电阻更低，这是因为PCB上仅需要放置一个器件。 诸如引擎控制单元或齿轮箱控制的汽车应用，需要设计稳定的芯片阵列来处理苛刻环境下的功率、温度、湿度水平和热循环等问题。汽车电子委员会的标准，比如AEC-Q200，认为汽车工业中使用的电阻和其他无源器件都相当重要。AEC-Q200提出了各种各样的电气和气候测试以及测试级别。数量众多的测试方法和测试性质，保证了器件的品质在许多不同的方面都会被测试到。特别的，湿度测试的测试级别很高。由于AEC-Q200提出的测试仅仅要求测一次，没有任何重复，所以一些厂商定期进行这些测试来保持其产品的高质量。 在汽车应用处于苛刻环境下需要长期高稳定度的分压比时，电阻阵列的这些属性在实现分压器、反馈以及模拟信号调理电路时转换成一种优势。 总结 小型化增加了对无源器件的要求，特别是对电阻。薄膜电阻阵列减少了印刷电路板上需要的面积，但并没有牺牲阻值的电气稳定性。通过集成同一陶瓷基板上的4个电阻，面积需求减少了25%以上。此外，布局成本也降低了，因为只有一个器件需要处理而不是4个分立器件。相对因素比如相对容差和相对温度系数，都会显著影响电阻网络或分压网络的电气稳定度。这些相对尺寸在诸如分压器或运算放大器电阻中的反馈网络应用中尤其有利。汽车应用中鲁棒的设计需要芯片阵列。通过AEC-Q200合格检验是确保器件质量的最可取的方法，因为要测试很多不同的方面。 对更小技术解决方案的推动，特别是在汽车和工业电子方面，正在呼唤体积更小的设计，对于无源无源器件也是如此。因为这个原因，电阻阵列将会被缩小到更小的标准封装内。此外，解决方案所提供的高分配比，也将允许更多面向模拟电路的灵活解决方案出现。 作者：Carsten Bronskowski博士 Vishay Draloric Beyschlag 电阻部门 |
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