Шапка

X1.2 Резисторы

На рис. 1.2 показана некоторая выборка резисторов, среди которых можно увидеть как мельчайшие поверхностные чип-корпуса, так и большие мощные проволочные модели. Самым важными параметрами резисторов являются: сопротивление , мощность , допуск ( точность ), стабильность ( по времени ) и температурный коэффициент сопротивления ( ТКС ). Но резисторы, подобно всем прочим электронным компонентам, несовершенны. У них имеется последовательная индуктивность и параллельная ёмкость 34 , которые становятся очень заметны на высоких частотах и при переключении высоких мощностей. Ещё одним отклонением от идеала является коэффициент напряжения для сопротивления и дополнительный шум . Эти параметры влияют на линейность, точность схемы и уровень шума в ней.

Все эти характеристики обычных резисторов неоднократно упоминались в AoE3 . Им посвящена врезка «Резисторы» ( стр. _5 ), таблица «Некоторые типы резисторов» ( стр. 1106 ) и несколько обсуждений ( стр. 300 , 476 и 697 ) [* и Приложение _C ] . Разберёмся с некоторыми из редко упоминаемых особенностей резисторов, которые часто воспринимаются как что-то само собой разумеющееся.

X1.2.1 Температурный коэффициент

Вездесущие толстоплёночные SMT резисторы ( например, серия CRCW фирмы Vishay ) имеют типичный температурный коэффициент ±200 или ±100ppm/°C ( указывается в каталожном номере ). Но, если такие цифры не устраивают, можно подобрать что-нибудь среди моделей с низким ТКС, например, серии ERJ-xRBD или -xRHD фирмы Panasonic ( ±50ppm/°C ), которые стОят по $0.07 при покупке полной катушки ( для сравнения, CRCW - $0.003 ). Ещё лучше параметры тонкоплёночных моделей. Скажем, серия ERA-xAR фирмы Panasonic или серия RTxxxxxRB фирмы Yageo имеют ТКС ±10ppm/°C и стОят $0.18 в катушке. Есть TNPU-Z фирмы Vishay: ±5ppm/°C и $1 в катушке.

Самый низкий температурный коэффициент у металлофольговых ( «Z-foil» ) SMT резисторов фирмы Vishay: у серии VSMP он равен ±0.2ppm/°C . Данная технология использует хитрый метод температурной компенсации. Кусок металлической фольги прикрепляется к подложке из специальной керамики. Такая конструкция имеет сверхнизкий ТКС и весьма недёшева: каждый резистор стОит в районе $10.

Всё, сказанное выше, относится к компонентам для поверхностного монтажа, но ничего не мешает приобрести выводные резисторы в аксиальном или радиальном исполнении со сходными параметрами. Бывают и другие типы. Например, есть проволочные резисторы с ТКС ±20ppm/°C ( а обычная его величина где-то ±100ppm/°C ).

X1.2.2 Собственная ёмкость и индуктивность

Рис. X1.27   Упрощённая модель резистора, включающая паразитные индуктивности и ёмкости. Внешние индуктивности \(L_L\) обозначают индуктивность выводов, а параметры самого корпуса обведены пунктиром

Реальные резисторы имеют некоторую эквивалентную последовательную индуктивность и распределённую параллельную ёмкость ( рис. X1.27 ). Типичные цифры для SMT серий лежат в районе десятков-сотен фемтофарад и 0.01–2 наногенри 35 . В зависимости от конкретной механической конструкции эффект от их воздействия может выглядеть как рост импеданса с частотой ( у проволочных резисторов ) или его падение, если доминирует параллельная ёмкость. Оба тренда можно посмотреть на графике \(|Z(f)|\) ( рис. X1.28 ).

Рис. X1.28   Зависимость импеданса от частоты для некоторых типов резисторов по результатам измерений. На высоких частотах паразитная ёмкость и индуктивность вызывают разного рода деформации характеристики. Преимущественно индуктивный импеданс растёт ( проволочные резисторы ), а преимущественно емкостной - снижается ( резисторы в безындуктивном исполнении )

В ходе дальнейшего исследования вопроса были измерены импедансы проволочных резисторов одинаковой конструкции ( классическая серия «Brown Devil» фирмы Ohmite ). Результат показан на рис. X1.29 . Здесь, очевидно, доминирует индуктивная составляющая, причём эффект заметнее у низкоомных образцов. В высокочастотных схемах используются бызындуктивные проволочные модели, свободные по большей части от подобных проблем.

Рис. X1.29   Индуктивность проволочных резисторов вызывает рост полного импеданса на высоких частотах, что хорошо заметно по результатам испытаний 20-ваттных резисторов «brown devil». Если такое поведение неприемлемо, можно взять безындуктивный тип, в котором используется бифилярная намотка ( два параллельных провода, закороченные на одном конце ) или геометрия Айртона-Перри ( Ayrton-Perry ) ( два провода, выходящие из одной точки и намотанные в разных направлениях ). Паразитная ёмкость у простого бифилярного варианта гораздо выше. «Частота перегиба» ( чёрная точка на графике ) является исчерпывающей характеристикой для резистора с индуктивным импедансом ( см. также данные по более широкому набору образцов на рис. X1.30 )

Что можно сказать о параллельной ёмкости, обозначенной на модели X1.27 как \(C_P\)? На некоторой частоте она должна образовывать демпфированный параллельный резонансный контур, влияние которого отлично видно на рис. X1.31 . Чтобы его получить, для трёх резисторов из предыдущей группы ( рис. X1.29 ) частотный диапазон был расширен до 300 MHz . Чтобы частично скомпенсировать резонансный пик можно подключить параллельно резистору последовательную RC цепь, в которой \(R\) равно сопротивлению исходного резистора, а \(C\) подбирается по максимуму сглаживания характеристики.

Рис. X1.31   Высокочастотные измерения до 300 MHz показывают параллельные LC резонансы [* см. §1.7.14.A ] . Острые пики можно почти полностью подавить, что и показано на примере проволочного резистора на 10 Ω . Параллельная компенсирующая цепь состоит из резистора того же номинала ( 10 Ω ) и последовательно включённого конденсатора на 16.5 pF . Следует проявлять осмотрительность при выборе мощности резистора в компенсирующей цепи

Начав измерения, трудно удержаться от прогона на стенде набора резисторов разного номинала и конструктивного исполнения. Все они давали тот же график, что и образцы на рис. X1.29 . Чтобы не перегружать изображение были отмечены только характеристические частоты ( точки пересечения номинального импеданса и индуктивного подъёма, как на рис. X1.29 ). Результат можно посмотреть на рис. X1.30 .

Рис. X1.30   Измеренные значения для точек перегиба ( см. рис. X1.29 ) для резисторов с индуктивным характером импеданса. Все модели, исключая указанные, - проволочные для монтажа в отверстия

Лучше всего ( самая высокая частота перегиба ) выглядят углеродные композитные RC07, безындуктивная серия WN фирмы Ohmite ( зигзагообразная намотка Айртона-Перри ) и маленькие проволочные резисторы для поверхностного монтажа. И наоборот, хуже всего традиционные большие мощные проволочные резисторы. Но некоторые из них имеют и безындуктивные версии: для серий RS, RH и LVR фирмы Vishay/Dale имеются безындуктивные NS, NH, NI с намоткой Айртона-Перри.

X1.2.3 Нелинейность ( коэффициент напряжения )

Для идеального резистора закон \(I=V/R\) сохраняется постоянно, при любой температуре, частоте и приложенном напряжении. Реальные компоненты ведут себя несколько иначе. Один из эффектов, которым нельзя пренебрегать - нелинейность - изменение сопротивления при изменении приложенного напряжения.

В некоторых справочных данных можно обнаружить цифры для наихудшего случая. Например, для обычных толстоплёночных резисторов CRCW фирмы Vishay коэффициент напряжения не сообщается, а вот для тонкоплёночной серии PCAN указаны 0.1 ppm/V для наихудшего случая. Такой же коэффициент и у лучших металлофольговых серий VSMP и Z-foil.

Из любопытства были проведены замеры изменения сопротивления от напряжения для нескольких типов резисторов. Иногда требуется контролировать высокое напряжение с помощью делителя, поэтому были проверены высокоомные модели на напряжениях до 1000 V . Результат в лог-лог и лог-линейном масштабе показан на рис. X1.32 . Толстоплёночные типы ( кривые «C»...«H» ) на 2...3 порядка лучше, чем углеродные композитные.

Рис. X1.32   Изменение сопротивления различных резисторов под действием приложенного напряжения. 1/4 W углеродные композитные ( RC07, кривые «A» и «B», шкала справа ) и плёночные ( кривая «C» ) резисторы нормированы только на 250 V ( вертикальная засечка на графиках ), но данное ограничение при испытаниях не учитывалось

Углеродные композитные - реликт, оставшийся от прежних времён ( зато у них отличные параметры по пиковой мощности, см. §X1.2.6 ). Для толстоплёночных была исследована зависимость нелинейности от номинала ( для одного размера корпуса ) и нелинейности от размера ( для одного номинала ). Результаты можно видеть на рис. X1.33 и X1.34 . Хорошо видно, что нелинейность катастрофически растёт по мере увеличения сопротивления и уменьшения физических размеров.

Рис. X1.33   Изменение сопротивления толстоплёночных резисторов размера 0805 , нормированных на 150 V . Нелинейность растёт вместе с увеличением сопротивления

Рис. X1.34   Изменение сопротивления толстоплёночных резисторов номиналом 1 MΩ разных размеров. Специфицируемые напряжения в каждом случае отмечены вертикальной засечкой на графике. Нелинейность снижается по мере увеличения размера

Где важна нелинейность? Очевидно, в усилителях и генераторах с малыми искажениями. Ещё для измерительных систем, контролирующих высокое напряжение, но здесь важнее точное отношение делителя, независимое от колебаний напряжения, см. §X1.2.7 .

X1.2.4.Дополнительный шум

В подробном разборе темы шумов в Части _8 был упомянут и дополнительный шум в резисторах ( §8.1.3 ). Это некоторое колебание сопротивления, обусловленное физическими свойствами материала. Он сообщает о себе шумовым напряжением, которое появляется при протекании тока через резистор и дополняет тепловой шум ( тепловой или джонсоновский шум зависит только от величины сопротивления ). С этим эффектом авторам пришлось встретиться в некоторых разработках, об одной из которых будет полезно рассказать здесь.

Для экспериментов на ускорителе CERN требовалось создать усилитель с рабочим диапазоном ±1200 V и выходным шумом менее 1 ppm 36 . Было собрано в общей сложности 160 таких устройств. Примерно 10% не прошли шумовые тесты из-за дополнительного шума, который рос вместе с выходным напряжением. В петле обратной связи усилителя использовались высоковольтные резисторы Ohmite SM103 150 MΩ 1.25 W . Это прецизионная серия для поверхностного монтажа “Slim-Mox” - толстоплёночный резистор на алюмооксидной керамике длиной 15 mm , нормированный на 7.5 kV . После выявления и замены виновника образовалась целая коллекция шумных резисторов на 7.5 kV . Видимо, резистивный материал имел неоднородности, менявшие свойства под действием электрического поля. Не исключено, что проблему можно было бы решить, взяв 15 резисторов на 10 MΩ , допускающих работу при 80 V .

X1.2.5 Токовые шунты и 4-проводное подключение

Вопрос 4-проводного подключения ( схема Кельвина ) неоднократно поднимался в AoE3 . См., например стр. 277 - 278 , 294 , 350 , 365 - 367 , 897 и ##1070-1071. Основная цель такого включения - использование дополнительной пары проводников для исключения ошибки при косвенном измерении тока ( по падению на специальном резисторе ) ( рис. X1.35 ). Часто такие резисторы имеют очень малый номинал, гораздо менее ома. Если измерять падение прямо на силовых терминалах «C», можно получить ошибку +20% [* за счёт вполне конкретного сопротивления крепежа и выводов, через которые течёт значительный ток ] . Измерение же падения только между и тестовыми выводами «S» такую ошибку исключает. Здесь предполагается, что разностный усилитель имеет пренебрежимо малый входной ток. Данное условие очень легко соблюсти, особенно в случаях больших токов в шунте, который в таком случае имеет малое сопротивление, а значит, ошибка в 2-провдной схеме будет особенно велика.

Рис. X1.35   4-проводное подключение токового шунта ( схема Кельвина ) устраняет ошибки от некачественного подключения силовых линий. В данном случае 4-проводное соединение убирает 20-процентную ошибку, которую вносят два болтовых соединения с сопротивление всего по 1 mΩ каждое

Токочувствительные резисторы выпускаются для очень широкого диапазона токов и конструктивного исполнения. Некоторые из них, вытащенные из справочных данных производителей можно увидеть на рис. X1.36 . Масштаб изображения не соблюдался, и резисторы с маркировкой «R010» в 40 раз меньше, чем второй справа шунт в верхнем ряду.

Рис. X1.36   Четырёхпроводные токочувствительные резисторы от мелких поверхностных до 1000-амперных монстров под болтовое крепление. Представленные здесь образцы ( масштаб не соблюдался ! ) выпущены шестью производителями ( Bourns, Caddock, Ohmite, Riedon, Vishay Intertechnology и VPG Foil Resistors ). Фотографии используются с письменного разрешения соответствующих фирм

X1.2.6 Постоянная и импульсная мощность

В схемах с импульсными сигналами часто возникает ситуация, когда компонент ( резистор, диод, транзистор ) в момент прохождения импульса подвергается ударной нагрузке, которая оказывается гораздо выше, чем установившееся значение мощности. Это нормальное положение, пока мгновенное значение температуры не выходит за оговоренные рамки. Полупроводники будут рассматриваться в ##§X9.25.8 в контексте допустимой импульсной тепловой нагрузки, которую описывает переходное тепловое сопротивление - функция длительности импульса \(R_{ΘJC}(τ)\).

Здесь речь идёт о простых резисторах. В них возникают те же эффекты, и пиковая мощность может поглощаться теплоёмкостью корпуса резистора до тех пор, пока средняя мощность не превысит допустимый уровень для конкретного компонента. Некоторые резисторы специально проектируются в расчёте на такое использование. Данный факт обычно отмечается графиком пиковой мощности ( или «импульсной нагрузки» ) \(Pmax\) в зависимости от длительности импульса. На рис. X1.37 приведён набор подобных кривых для семи резисторов размера 1206 ( кроме «A» и «F» ) по данным производителей.

Рис. X1.37   Зависимость допустимой пиковой мощности от длительности воздействия для импульсных сигналов нормированных на такое использование резисторов, по данным производителей. Все образцы имеют размер 1206 ( 3.2×1.6 mm ) с двумя исключениями: кривая «A» - CMA упакован в MELF 0204 ( цилиндрический безвыводной ∅1.4 длина 3.2 mm ) и кривая «F» - OD выводной аксиальный резистор ∅2.4 длина 6.3 mm

Графики довольно интересные. Кривая «B» относится к «импульсоустойчивой» серии фирмы Vishay и выглядит значительно лучше, чем обычный резистор «B'». Модель «C» использует теплопроводность подложки из нитрида алюминия для отвода высокой установившейся мощности ( 2W ), но не учитывает возможность импульсной нагрузки. «F» относится к сплошному углеродному композиту, который проводит ток во всём объёме, а не в тонком резистивном слое. В итоге эта масса способна поглотить чудовищную порцию импульсной мощности - 35 kW (!) в течение микросекунд, что совсем неплохо для резистора мощностью 1/4 W . Правда, его размер в три раза больше, чем у прочих, а параметры для импульсов длительностью более 10 ms хуже, чем у прочих образцов.

На рис. X1.38 показаны графики для нескольких более мощных резисторов, рассчитанных на импульсную нагрузку. Хорошо видны впечатляющие параметры керамических композитных серий ( графики «B1»–«B3» ) - преемников самых распространённых некогда углеродных композитных. Серия CCR фирмы Tyco эквивалентна Ohmite OX ( 1W ) и OY ( 2W ), хотя для последних не приводится график зависимости \(Pmax\) от длительности импульса.

Рис. X1.38   График зависимости мощности от длительности импульса из справочных данных нескольких резисторов, нормированных на высокую импульсную нагрузку. Отметим, что «композитные» типы ( «B» - керамические и «D» - углеродные ), несмотря на свои скромные размеры, выглядят гораздо лучше более габаритных резисторов других типов

Предупреждение По мнению авторов не стоит безоглядно полагаться на графики, предлагаемые производителями ( рис. X1.37 и X1.38 ). Частично такое мнение основывается на слишком сильном различии форм и характера изменения графиков. Скажем, кривые с «B» по «D» на рис. X1.38 соответствуют формуле \(Pmax∝1/t_i\) , в то время как кривые «A», «E» и «F» ближе к \(Pmax∝\sqrt{1/t_i}\) . Если задача требует работы рядом с максимальными цифрами, полезно будет провести собственное тестирование ( которое - какая удача! - совершенно случайно обсуждается ниже ). В общем случае лучше, конечно, не дёргать дракона за хвост и не нагружать резисторы более чем на 50% от максимума. Резисторы с большой рассеиваемой мощностью могут быть заметно дороже. Выходом будет последовательный или параллельный набор маломощных и дешёвых резисторов ( выбор схемы зависит от того, какая неисправность подходит более: обрыв или короткое замыкание ).

X1.2.6.A Лабораторное тестирование

Коллеге авторов Джону Ларкину потребовалось найти наилучший тип резистора на 0.33 Ω для высокой импульсной нагрузки. Не доверяя полностью цифрам в справочных данных, он собрал свой испытательный стенд ( рис. X1.39 ), в котором набор конденсаторов кратковременно подключался к проверяемому резистору с заданной продолжительностью и частотой повторения 37 . Джон был настолько любезен, что позволил воспользоваться аппаратом ( рис. X1.40 ) после заверений в бережном обращении. Но первый же резистор разлетелся, запустив мощную дугу, которая выжгла фольгу вокруг изолирующего зазора ( рис. X1.41 ). Чтобы загладить вину, к плате был пристроен «мезонин» с винтовым креплением, который полностью решил проблемы, сопровождающие разрушение резисторов.

Рис. X1.39   Импульсная машина Джона Ларкина. (A) Мощный МОП ключ, подающий на подопытный компонент V+ . (B) С учётом сотен ампер ( и сотен джоулей энергии ), текущих в тестовой цепи, будет полезно защитить дорогой генератор импульсов от каких-либо катастрофических событий изолированным драйвером затвора

С помощью стенда было исследовано много резисторов с фиксацией момента разрушения на осциллографе. Фотографии результатов прилагаются.

Рис. X1.40   Бластер Ларкина. Управляющий импульс заставляет мощный транзистор ( до 1000 A в импульсе ) разрядить набор заряженных конденсаторов через тестируемый компонент

Рис. X1.41   Неожиданное завершение испытаний резистора 1 Ω 3W , закончившееся огненным шоу. Дуга, возникшая при разрушении, перекинулась на печатную плату и испарила фольгу по краям изоляционного зазора на стороне монтажа. Сравните с рис. X1.40

X1.2.6.B Перегрузка до отказа

По предложению Ларкина стенд был модифицирован, чтобы проводить регистрацию формы тока по времени в момент сильной перегрузки резистора. В этом исследовании на 50-омные резисторы подавался импульс 32 Vdc , что соответствует мгновенной мощности 20 W , при номинальной от 0.25 до 2W . Все резисторы, кроме одного, были в исполнении для поверхностного монтажа размера 1206 или аналогичного и припаивались к медным площадкам площадью 1×1" ( 6.5 cm2 ).

Рис. X1.42   Кладбище лабораторных резисторов. Здесь покоятся жертвы жестоких опытов в области резистологии. (A) SMT 1206 сгорели, но не сломались. (B) SMT 1206 , рассыпавшиеся на части. (C) RC07 0.25 W углеродные композитные получили грыжу в центральной части корпуса. (D) MELF углеродный композитный с такой же грыжей [* корпус поверхностный, значит, он сорвал дорожки с платы ] . (E) SMT 4527 мощностью 5W «металлополосковый» с выгоревшим верхом корпуса. (F) Проволочный 3W выгорел. (G) Проволочный 5W с частично разрушившимся покрытием. (H) Проволочный 2W , разлетелся с грохотом. (J) Керамический композитный 2W . Пришлось повозиться, прежде чем удалось его завалить, но 250W на 30 секунд решили дело

Тест получился шумным и вонючим. В большинстве случаев резистор раскалялся, извергая противный дым. Останки показаны на рис. X1.42 , а на рис. X1.43 приводятся предсмертные судороги пяти жертв. Начальный ток 640 mA на снимках экранов с последнего рисунка виден как 3.2 деления вертикальной шкалы.

Рис. X1.43   На 50-омный резистор подавалось напряжение 32 V и наблюдалось дальнейшее развитие событий. По горизонтали 400 ms/div , по вертикали 200 mA/div

Луч «A» - толстоплёночный чип резистор 0.25 W широкого применения не нормированный на импульсную нагрузку производства Vishay ( $0.005 при покупке полной катушки ). При перегрузке 80× отказ произошёл очень быстро ( обрыв ).

Луч «B» - 0.75 W «устойчивый к импульсной нагрузке» того же производителя ( $0.05 при покупке полной катушки ). Ведёт себя заметно лучше ( «сопротивлялся» около 200 ms , прежде чем уйти в частичный обрыв, сопровождавшийся искровым пробоем ( токовый импульс длительностью 1s ) и последующим распылением в ходе окончательного отказа. Параметры импульсной нагрузки соответствуют кривой «B» на рис. X1.37 .

Луч «C» - углеродный плёночный резистор CMA 0.4 W «устойчивый к высокой импульсной нагрузке» фирмы Vishay, кривая «A» на рис. X1.37 , $0.10 при покупке полной катушки. Резистор упакован в корпус MELF ( цилиндрический для поверхностного монтажа ), который по размеру совсем немного больше, чем 1206 ( лучи «A», «B» и «D» ). Он оказался ничем не лучше CRCW-HP ( луч «B» ), но ушёл в обрыв через низкоомную фазу ( токовый импульс далеко вышел за верхнюю границу экрана ).

Луч «D» - «мощный нитрид-алюминиевый» резистор PCAN 2W всё той же Vishay, кривая «C» на рис. X1.37 , $0.87 при покупке полной катушки. Корпус для поверхностного монтажа с увеличенными контактными площадками, отдающими тепло через фольгу печатной платы. Здесь под нагрузкой 10× . На графике ток видны кратковременные провалы, недостаточные для отказа ( даже после 10 s испытаний ).

Наконец, луч «E» - простой углеродный композитный RC07 ( Ohmite серия OD ) 0.25 W с аксиальными выводами, заявленный как «устойчивый к перегрузке», кривая «F» на рис. X1.37 . Ранее такие компоненты были дёшевы, но сейчас придётся заплатить $0.30 в оптовой партии, что в 50 раз дороже, чем стоит массовый SMT резистор. Отказ напоминал поведение углеродного плёночного CMA, включал низкоомную фазу и завершился коротким замыканием.

X1.2.7 Резистивные делители

В §X1.2.3 отмечалось, что дешёвые массовые резисторы имеют коэффициент напряжения порядка 50...100ppm/V ( см. рис. X1.33 и X1.34 ), что не позволяет использовать их в точных делителях напряжения и, особенно, в высоковольтных цепях. Лучшие ( и очень дорогие ! ) металлофольговые смотрятся гораздо лучше: их коэффициент лежит в диапазоне 0.1 pppm/V .

Но если требуется точное отношение , которое не будет меняться от напряжения ( и будет стабильно по температуре ), правильнее всего будет взять специально сделанный точный делитель. Такие производители, как Caddock, будут рады помочь и предложат серию 1776-С68 - прецизионные декадные делители с розничной ценой $10...15. Их коэффициент напряжения для отношения равен 0.04 ppm/V max для напряжений от 100 до 1200 V , а температурный коэффициент 5 ppm/°C max. Сборка имеет несколько дополнительных выводов. Скажем, у делителя с номиналом 9 MΩ есть отводы от 900 kΩ , 90 kΩ , 9 kΩ и 1 kΩ , т.е. отношения 10:1, 100:1, 1'000:1 и 10'000:1 . А «особо точные делители» USVD2 и HVD той же фирмы обещают линейность 0.02ppm/V и ТКС отношения 2ppm/°C . Они нормируются до 5000 V , имеют один отвод ( 100:1 или 1000:1 ) и стоят $40 в единичных количествах.

Указанные компоненты предназначены для работы высоковольтными делителями. На другом конце располагаются точные делители для низковольтных схем: усилителей, источников питания и т.п. Такие делители выпускают производители микросхем ( LTC/ADI, Maxim ) и, естественно, производитель резисторов Vishay. В качестве примеров можно назвать серии MAX5490 и LT5400. MAX5490 упакован в корпус SOT-23, имеет номинал 100 kΩ , стандартный набор коэффициентов 1:1, 2:1, 5:1, 10:1 и 25:1 , ТКС отношения 2...4 ppm/°C max и линейность 0.1 ppm/V . LT5400 содержит 4 отдельных резистора ( две согласованные пары ) в корпусе MSOP-8, набор коэффициентов 1:1, 4:1, 5:1 и 9:1 , ТКС отношения 1 ppm/°C и коэффициент напряжения 0.1 ppm/V тип. Цена зависит от группы по точности и составляет $4 ( MAX5490 ) и $7...20+ ( LT5400 ).

Vishay предлагает самые высокие параметры, но придётся раскошелиться: в зависимости от серии и группы цена будет начинаться в районе $15...40. Выбор широк: серии для поверхностного монтажа ( DSMZ, VFCD1505 ) и для выводного ( VFD244Z, VSH144Z, 300144Z, 300145Z, 300190Z-300212Z ), ТКС отношения от 0.1 ppm/°C до 4 ppm/°C тип. Металлофольговая технология ограничивает номинал величиной 100 kΩ . Для сравнения высоковольтные серии Caddock доходят до 10 MΩ ( 1776, USVD2 ) и до 50 MΩ ( HVD5 ).

X1.2.8 «Цифровые резисторы»

Обычные механические потенциометры сейчас по большей части заменяются так называемыми «цифровыми потенциометрами» - длинную цепочку интегральных резисторов с «движком» в виде набора КМОП ключей ( рис. X1.44 ) 38 . Такая конструкция имеет много преимуществ. Вот некоторые из них.

  • Отсутствие шума от движка, старения и чувствительности к вибрациям.
  • Электронное ( цифровое ) управление.
  • «Холодная» регулировка, т.е. ненужность длинных связей, чувствительных к наводкам.
  • Высокая согласованность многосекционных потенциометров.
  • Компактность.

Есть и недостатки:

  • сопротивление ключей,
  • распределённая ёмкость,
  • наводки от сигналов управления,
  • ограниченный диапазон рабочего напряжения,
  • ограниченный выбор номиналов.

Но не такие это серьёзные недостатки по сравнению с проблемами механических потенциометров. Цифровые потенциометры выпускают Analog Devices, Intersil/Renesas, Maxim и Microchip.

Рис. X1.44   Цифровой потенциометр, выполненный в виде длинной цепочки резисторов и массива КМОП ключей с цифровым управлением для выбора нужного отвода. Резисторы могут быть одного номинала ( «линейная характеристика» ) или равнопропорциональные ( «логарифмическая характеристика» ).

Старожилы могут вспомнить ( и без тени умиления ) первые попытки организовать беспроводное управление громкостью усилителей и телевизоров с помощью двигателя на потенциометре. Они помнят также потрескивающий скрип, сопровождающий изменение громкости ( отсюда и настоятельная рекомендация «никогда не изменять уровень громкости в процессе звукозаписи» ). Цифровые потенциометры ( «digipot» ) упрощают управление уровнем сигнала через цифровые шины ( SPI, I2C ) или входы «+1/-1», свободны от скрипа, но могут выдавать щелчки при перекоммутации ключей. Всё это не исключает использования обычных переменных резисторов, т.к. большая часть цифровых моделей используется для подстройки ( калибровки датчиков, компенсации смещений, выставлении рабочих параметров и т.п. ).

X1.2.8.A Цифровой резисторный зоопарк

Цифровые резисторы выпускаются в самых разнообразных исполнениях и позволяют выбрать следующие параметры:

  1. номинал;
  2. число градаций сопротивления;
  3. наличие постоянной памяти;
  4. число секций;
  5. рабочее напряжение;
  6. рабочую полосу;
  7. линейную или логарифмическую характеристику;
  8. цифровой интерфейс;
  9. точность, допуск и степень согласования отдельных секций;
  10. ТКС;
  11. сопротивление движка;
  12. уровень искажений.

Импровизированное фамильное дерево можно вывести из рис. X1.45 , обнаруженного в справочном листке Intersil/Renesas за 2017 год.

Рис. X1.45   Фамильное дерево цифровых потенциометров фирмы Intersil, взятое в информационном листке за 2017 год. На нём хорошо видны возможные критерии отбора: сопротивление, разрешение, интерфейс, характеристика и наличие памяти положения движка. Analog Devices предлагает ещё больший выбор ( 74 модели, по 2...4 значения сопротивления у каждой ), но приятного графического представления гинеалогии у них нет

Общее сопротивление
Выбор возможных значений сопротивления полной цепочки в цифровых потенциометрах очень беден - всего несколько номиналов в диапазоне от 1 до 200 kΩ ( иногда до 1 MΩ ). Большая часть таких компонентов используется в качестве делителей напряжения и имеет очень плохую общую точность ±25% и даже хуже.
Число шагов
Большая часть цифровых потенциометров имеет от 64 до 256 шагов, но встречаются варианты с 1024 .
Постоянная память положения движка
Механический потенциометр хранит своё положение и для многих задач это абсолютно необходимое свойство. Если в цифровом потенциометре отсутствует постоянная память положения, то при подаче питания в наиболее распространённом случае движок встанет на середину шкалы или в положение минимального сопротивления.
Число секций
Для многих задач ( регулировка уровня громкости, активные аналоговые фильтры, генераторы Вина и т.д. ) требуется минимум две синхронные секции. Механические потенциометры выпускают в многосекционном исполнении. Такую же опцию предлагают и цифровые потенциометры ( обычно 2 и 4 секции, иногда 6 , например AD5206 ). Стоит отметить, что простота управления позволяет иметь любое число секций за счёт передачи одной позиции движка нескольким независимым потенциометрам разом.

Диапазон рабочего напряжения
Цифровые потенциометры - КМОП ИМС, ограниченные типовым диапазоном питания 0 и 5V или ±2.5 V . Некоторые низковольтовые модели работают при общем питании 1.7 V . Существуют высоковольтовые варианты в основном производства ADI, допускающие работу при полном напряжении 16 V и даже при 33 V ( AD5290, AD5293, AD7376 ).

Рабочая полоса

Цифровые потенциометры обладают приличной внутренней ёмкостью, формирующей естественный RC фильтр с неожиданно низкой частотой среза. На рис. X1.46 показан график затухания по частоте для типичного цифрового потенциометра, установленного на уровень –6 dB ( код 0x40 для 128-позиционного потенциометра ). Модели с меньшими сопротивлением в точном соответствии с ожиданиями имеют большую полосу, поэтому номинал 100 kΩ подойдёт для регулятора громкости. Но здесь стоит проявлять бдительность: частота среза зависит от положения движка ( см. рис. X1.47 ).

Рис. X1.46   АЧХ 128-позиционного цифрового потенциометра AD5222 для всех четырёх доступных номиналов с движком на середине шкалы

Рис. X1.47   АЧХ цифрового потенциометра в зависимости от положения движка для 1024-позиционного AD5292. Такое же поведение демонстрируют и умножающие ЦАПы «MDAC» ( §13.2.4 ).

Характеристика

Большая часть цифровых потенциометров подобно механическим собратьям имеют «линейную» характеристику, т.е. каждый шаг увеличивает номинал на одну и ту же величину сопротивления. Но в звуковых устройствах требуется логарифмическая характеристика, соответствующая равным пропорциям изменения сопротивления, т.е. равному изменению в децибелах. Цифровых потенциометров с логарифмической характеристикой совсем немного ( см. рис. X1.45 ). Можно, конечно, поинтересоваться, почему их так мало, если такая зависимость активно используется в аудио- видеооборудовании ? На то есть несколько причин.

  1. Приспособить линейный потенциометр для логарифмического изменения сопротивления несложно, и результата в целом приемлем. На рис. X1.48 показан график отклонения ближайшего целого шага от точного логарифмического отношения при имитации логарифмической характеристики на линейном цифровом потенциометре.
  2. Для большей части аудио- видеооборудования звук имеет цифровую природу и его уровень легко меняется с помощью операции масштабирования совершенно бесплатно.
  3. При срабатывании ключей в цифровых потенциометрах возникают неприятные щелчки, поэтому даже в аналоговых трактах разработчики предпочитают использовать усилители с переменным коэффициентом передачи, например THAT2181, или усилители, имеющие цифровое управление коэффициентом передачи, которые управляются микроконтроллером, а тот, в свою очередь, линейным потенциометром [* через вход аппаратного или программного АЦП ] .

Рис. X1.48   Логарифмическую характеристику ( в dB ) удовлетворительного качества можно получить и с помощью линейного потенциометра на 256 и 1024 отвода. На этих графиках показано отклонение целых значений от логарифмических. Обратите внимание на изменение вертикальной шкалы

Цифровой интерфейс
Цифровые потенциометры управляются цифровым кодом по обычным последовательным интерфейсам SPI или I2C , а также с помощью входов «+1/-1». Последний вариант бывает двух типов: вход «CLK» и селектор «U/D'» с изменением положения движка по активному фронту «CLK». Или так называемый «кнопочный» интерфейс из двух входов «+1» и «-1», допускающих прямое подключение кнопок. Будьте внимательны, иногда на эти входы надо подавать уже свободные от дребезга сигналы. Читайте документацию.

Точность отношения, допуск номинала и согласованность отдельных секций
Большинство цифровых потенциометров рассчитано на использование в качестве подстроечных сопротивлений, т.е. переменных делителей, поэтому имеют очень невысокую точность номинала. Часто речь идёт о ±25% и даже более. Если требуется использовать цифровой потенциометр в качестве переменного резистора, потребуется точность 1% . Зато цифровые потенциометры очень хороши для задания отношений . Обычно их специфицируют в терминах дифференциальной и интегральной нелинейности ( DNL и INL соответственно ), а типовые цифры лежат в районе ±0.1 LSB и редко бывают хуже 0.5 LSB . Разные секции одного потенциометра согласуются обычно на уровне 0.5 LSB .
Температурный коэффициент
Обычно можно встретить спецификацию для двух значений температурного коэффициента: для режима реостата и для режима делителя ( логометрического ). Для переменного резистора, сделанного по тонкоплёночной технологии ТКС будет в районе 20...40 ppm/°C , а для поликремниевой технологии 500...800 ppm/°C , поэтому при чтении документации следует проявлять внимание, если требуется стабильный 2-выводной резистор. У делителей ТКС гораздо лучше, что полностью отвечает ожиданиям. Типичные цифры составляют ±5...20 ppm/°C . Есть несколько примечательных исключений. Для AD5291-92 ( 256 или 1024 шагов ) указан ТКС отношения ±1.5 ppm/°C (тип), а для серии MCP42xxx-series фирмы Microchip ±1 ppm/°C (тип). Последний выделяется особенно, т.к. его температурный коэффициент в режиме реостата составляет 800 ppm/°C (тип).
Сопротивление движка

Средний вывод ( «движок» ) представляет собой КМОП ключ со всеми его достоинствами и недостатками. Такой ключ имеет последовательное сопротивление 10...100 Ω , которое зависит от питающего напряжения, как и у всех ключей. Данный вопрос подробно разбирается в §3.4.2.B . Последовательное сопротивление не играет роли для делителя с высокоимпедансной нагрузкой, но всё становится серьёзнее, если речь идёт о реостатном включении низкоомного потенциометра. На рис. X1.49 показан отличный пример увеличения сопротивления движка \(R_W\) ( \(R_{ON}\) ) при снижении уровня питания и характерного пика на середине питающего напряжения, где и n-МОП, и p-МОП транзистор работает только с половиной потенциала \(V_{GS}\) .

Рис. X1.49   Сопротивление движка серий AD5111/13/15/16 в зависимости от уровня сигнала для нескольких напряжений питания [* можно сравнить с графиками для линейных ключей 3.70 ]

Искажения
Для измерительных и звуковых задач нужна высокая линейность, т.е. отсутствие изменения сопротивления при изменении приложенного напряжения. Такие параметры в справочных данных на цифровые потенциометры как правило отсутствуют. Заговор молчания прервала фирма Analog Devices, поместив график гармонических искажений ( THD ) в справочные данные некоторых своих моделей. Если требуются самые лучшие цифры, берите AD5293 с THD порядка 0.0005% (тип) на сигнале 1 Vrms@1 kHz ( такой сигнал позволяет показать наилучшие цифры ). Данная модель имеет ещё и широкий диапазон рабочего напряжения 9...33 V , точность номинала ±1% (max) и плоскую АЧХ для всех кодов до 100 kHz .

X1.2.8.B Некоторые предупреждения

Цифровые потенциометры не идеальны. Здесь собраны некоторые дополнительные предупреждения, которые требуют осмысления перед постановкой такого компонента в схему.

Напряжение, ток и мощность
Большая часть цифровых потенциометров ограничена диапазоном питания КМОП схем - общим размахом 5.5 V . Механические регуляторы выдерживают сотни вольт и ограничены лишь рассеиваемой мощностью. Аналогичная ситуация с током и мощностью: у цифровых - единицы миллиампер и десятки милливатт.
Выбор между полосой и искажениями
У высокоомных цифровых потенциометров спад характеристики начинается с огорчительно низких частот, а низкоомные страдают от нелинейности из-за значительной доли \(R_{ON}\) ключей в общем сопротивлении. Оба эффекта по большей части отсутствуют у механики.
Шум переключения ( Zipper noise )
У цифровых потенциометров есть выбросы, видимые при изменении состояния внутренних ключей. Параметры шума: единицы микросекунд, десятки милливольт ( но у некоторых высокоомных моделей выбросы достигают вольта ). Не больно-то удобно для регулировки громкости. Есть метод обхода проблемы: проводить переключение в нуле полезного сигнала. У механических регуляторов нет шума переключения, но они начинают потрескивать со временем 39 .

X1.2.8.C Итоги

Цифровые потенциометры могут решить массу проблем, если требуется дистанционная подстройка смещения усилителя, калибровка сенсора, настройка рабочей точки, когда речь идёт о слаботочных низковольтных схемах. Они очень хороши, когда нужно несколько секций с идентичными характеристиками. Самые дешёвые цифровые потенциометры стОят почти столько же, сколько механические модели ( $0.50 и $0.30 в розницу ), компактны и надёжны. Но есть много задач, где простые механические элементы будут работать не хуже и не потребуют цифрового интерфейса и программирования. Механические потенциометры имеют более широкий диапазон сопротивлений, допускают большие напряжения, токи и рассеиваемую мощность.

34 Которые могут иметь более сложную структуру, чем просто последовательная индуктивность и параллельная ёмкость, потому что паразитные элементы могут распределяться по всем элементам корпуса резистора. <-

35 См. техническую заметку фирмы Vishay «Частотный отклик тонкоплёночных чип-резисторов». Vishay Technical Note 60107, “Frequency Response of Thin Film Chip Resistors”. <-

36 Если интересны подробности конструкции, запросите документацию на AMP-37 в проекте UberElvis. <-

37 Основанные на наборе тестовых измерений, выполненных над 5-ваттным аксиальным проволочным резистором типа AC05 фирмы Vishay/Draloric. <-

38 Существует вариант идеи с последовательной цепочкой резисторов, а именно: «сегментная архитектура» за авторством ADI, которая существенно снижает число КМОП ключей, см. Analog Dialog, 45-08, August 2011. <-

39 Если покрутить их взад-вперёд несколько десятков раз ( или ещё больше ), то поверхность может очиститься. Это особенно верно, если вы используете что-то вроде средства для очистки контактов DeoxIT® Gold серии G. Но чаще исходное состояние тихого перемещения движка невосстановимо. <-

Previous part:

Next part: