Электрические параметры делителей напряжения на основе тонкопленочных резисторов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Лугин А.Н.

ОАО "НИИЭМП", г. Пенза

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ДЕЛИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ

Тонкопленочные резисторы (ТПР) нашли широкое применение в технике благодаря своим высоким электрическим и эксплуатационным характеристикам и совместимостью с конструктивным исполнением и технологией монтажа полупроводниковых микросхем также как и использованием в их производстве современных микроэлектронных технологий. Они отвечают растущим требованиям рынка на пассивные компоненты с более жесткими техническими условиями эксплуатации, особенно в сфере цифровой техники, высокочастотной аппаратуры и цифро-аналогового преобразования сигналов [1].

Особое место в тонкопленочном резисторостроении занимают наборы резисторов. В них используются положительные свойства групповой технологии изготовления ТПР - резисторы одного набора имеют малоразличимые температурную и временную стабильность сопротивления.

В наибольшей степени это преимущество используется при построении функциональных схем - резисторных делителей напряжения и схем отношения.

Однако несмотря на широкое производство и применение [2-5] до настоящего времени практически отсутствует нормативная литература, в которой были бы приведены соотношения основных электрических параметров таких схем, в связи с чем их использование вызывает определенные затруднения. Этого нет и в основополагающих стандартах [6-8].

Целью статьи является рассмотрение основных электрических схем и основных электрических параметров резисторных делителей напряжения и схем отношения и определение их соотношений.

Суть решения задачи можно пояснить следующим. Простой делитель напряжения представляет собой

четырехполюсник в виде двух последовательно соединенных резисторов R1 и R2 [5] - рисунок 1.

R1

о---1 |----•------о

Uex

R2 Uebix

о-----------4------о

Рисунок 1 Схема простейшего резисторного делителя напряжения, составленного из резисторов R1 и R2; Ux - входное напряжение; Uвых - выходное напряжение, В

К основным электрическим параметрам такого делителя можно отнести коэффициент деления [5] -

Kд , определяемый выражением:

U вых

K Д =

K Д = '

Ro

(1)

и вх м R + R2

Иногда, например для установления коэффициента усиления в операционных усилителях для характеристики делителя напряжения используется коэффициент отношения - Kq , который, для приведенной на

или

рисунок 1 схемы, будет определять как:

R2

Kq = R, (2)

R1

а саму схему делителя напряжения в этом случае часто называют схемой отношения.

Таким образом, делитель напряжения и схема отношения в своей основе имеют одни и те же составляющие - резисторы R1 и R2 . Соответственно и их электрические параметры взаимосвязаны.

Другим основным электрическим параметром делителя напряжения, характеризующим точность преобразования напряжения, является относительное отклонение коэффициента деления от номинального значения [5, 7] .

Относительное отклонение коэффициента деления SK д определяется выражением:

AK п

SK п = —^

Д - K , K Д

где

AK

Д

абсолютное отклонение коэффициента деления.

Абсолютное значение отклонения коэффициента деления можно определить как:

АК Д = K Ди K Д или

AK п = AU вых -Д U в

AR2

R1 + R2 + AR1 + AR2

(3)

где K ди - действительное (измеренное) значение коэффициента деления; Kд

номинальное значе-

ние коэффициента деления; AUвЬа - абсолютное отклонение выходного напряжения, В; AKд - абсолютное отклонение коэффициента деления; AR1 , AR2 - абсолютные отклонения сопротивления резисторов, Ом.

Тогда с учетом (1) и (3) и то, что относительные отклонения резисторов R1 и R2 от номиналь-

do-i AR1 AR2

ного значения записываются в виде oR \ —----- и oR 2 —-----, получим:

R1 R 2

SKn —(1 - Kn ) (dR2 - 0R1) ■ 100 % (4)

Относительное отклонение коэффициента отношения данной схемы - OKq [6] при этом определяется выражением:

OKq =(dR2 - 0R1) ■ 100, % (5)

Таким образом, для функциональной схемы рисунок1 отклонение выходного сигнала от номинального значения будет определяться не отклонением сопротивлений резисторов, а несогласованностью сопротивлений. При приёмке (поставке) это будет несогласованность отклонения сопротивлений резисторов, измеренных установленными методами [9].

На температурной стабильности скажется разница температурных коэффициентов сопротивления резисторов, на временной стабильности - разница во временной стабильности сопротивления тех же резисторов. Поскольку ТПР изготавливаются по групповой технологии, т.е. группа резисторов формируется за один технологический цикл, их электрические параметры по температурной и временной стабильности будут близки друг другу и разница в изменении сопротивления при изменении температуры или времени у соседних резисторах будет минимальна. Т.е., например, в частном случае, когда относительные отклонения сопротивления резисторов в нормальных условиях равны, то относительная погрешность коэффициента деления (отношения) будет равна нулю, также как она будет равна нулю при равных значениях ТКС и временной стабильности резисторов. Именно это преимущество групповой технологии, позволяющей получить резисторы с практически одинаковыми электрическими свойствами, позволяет реализовать более точные делители напряжения, чем если-бы их собрать из отдельных резисторов.

Связь коэффициентов деления и коэффициента отношения можно определить из соотношения:

(6)

можно найти значения другого. Также взаимосвязаны между собой и относительные отклонения коэффициента деления и коэффициента отношения.

SK п SKn

SK 0 =---^ ■ 100 , % или SKп = 0 ■100 ,% (7)

0 1 - K Д Д 1 + K 0

Важным электрическим параметром делителей напряжения и схем отношения является температурный коэффициент коэффициента деления -ТККД или температурный коэффициент коэффициента отношения -ТККО, которые определяются изменением отклонения коэффициента деления (отношения) при изменении температуры окружающей среды. Они определяются выражениями (8) [6]

K 0 =-

K

K0

или K п = ---—

1 - Ka Д 1 + K0

и всегда имея значения одного,

ТККД =

ТККО =

SK Дт -dK До

(Т - То )■ 100

SK 0т - SK о (Т - То )■ 100’

,1 / °С 1 / °С

и

где

(8)

Т - То - диапазон температур окружающей среды, в котором определяется ТККД или ТККО, 1/°С; То - нормальная температура, 1/°С;Т - значение температуры окружающей среды, 1/°С; SK^ (SK^ ) -относительное отклонение коэффициента деления (отношения) при рабочей температуре окружающей сре-

ды

, %; SK До SK

чО

относительное отклонение коэффициента деления (отношения) при нормальной темпе-

ратуре, %.

Здесь (SKд0 - SKдт ) и (SKО - SKОТ )

изменение относительного отклонения коэффициента деле-

ния (отношения).

Необходимо отметить, что в сложных функциональных наборах резисторов, каковыми являются двоичные и двоично-десятичные резисторные делители напряжения [8], вместо относительного отклонения коэффициента деления в отечественной практике в большинстве случаев используют показатель приведенного отклонения выходного напряжения и его температурного коэффициента, которые определяются выражениями (9) и (10) соответственно.

SU

вых

n

У+(и

/ > — \ вЫХ2 1________

U

вх

U вых1 )

---------100, %

[6], где

(9)

U вых2 - абсолютное действительное (измеренное) значение выходного напряжения при включении n -

разрядного резистора, В,*и вых1 - абсолютное номинальное значение выходного напряжения при включении n - разрядного резистора, В;п - количество разрядов функционального набора резисторов;

n

У ±(U

— ( U вЫХ 2 U вых1

сумма поразрядных абсолютных отклонений напряжений со знаком "+" или со знаком

SU вЫХп - SU вых ТК ПН = вых0________выхт

(Т - т0 )■ 100

1/°С, где

(10)

SUвых0 и SU - значения приведенного отклонения выходного напряжения при нормальной и рабо-

чей температуре окружающей среды,

Т - Т

> ; Т

значение рабочей температуры окружающей среды, °С;

0

диапазон температур окружающей среды, в котором определяется, ТКПН, °С; Т0 - нормальная

температура, °С.

Изменение относительного отклонения коэффициента деления при воздействии температуры окружающей среды на делитель напряжения можно выразить в виде:

DSKд = SKд - SKдт

(11)

С учетом (1) и то, что с достаточной степенью точности

R1T = R10 (1 + о1АГ1) и R2Т = R20 (1 + 0,2^2) , где

R10 и R20 -значения сопротивления резисторов R1 и R2, соответственно, при нормальной температуре, Ом;АТ1 =(Т1 - Т0) - изменение температуры нагрева резистораR1 от нормальной Т0 , °С;

АТ2 = (Т 2 - Т0) - изменение температуры нагрева резистора R2 от нормальной Т0 , °С;

Т1 , Т 2 - температура нагрева резисторов R1 и R2 , ° С;

а и a - температурный коэффициент сопротивления резисторов R1 и R2,1/°С; выражение (11) можно записать в общем виде

ASK Д =(1 - КД )(а2АТ 2 - щАТ 1) ■ 100 %, (12)

При T1 = T 2 = T ; АТ 1 = Т - Т0 ; AT 2 = T - T0 , т.е. одинаковом нагреве резисторов до температуры Т выражение (12) преобразуется к виду

ASK Д =(1 - КД) [(а2-а )(Т - Т0)] ■ 100 , % (13)

и при а2 = а1 + Аа , где Аа - разница температурных коэффициентов сопротивления резисторов R1 и R2 ( ра зброс ТКС),получим выражение:

ASKД =(1 - КД) [Аа(Т - Т0)] ■ 100 , % (14)

При Аа = а -а и Т 2 = Т1 + АТ выражение (12) можно записать следующим образом:

ASKд = (1 - Кд )■ [а2АТ +Аа(Т 1 - Т0)] ■ 100 , % (15)

Отсюда видно, что изменение относительного отклонения коэффициента деления зависит от ТКС второго резистора и разброса температур резисторов, а также от разброса ТКС резисторов и изменения

температуры первого резистора от нормальной. Если Т1 , Т0 и 02 принять за постоянные величины, то

изменение отклонения коэффициента деления оказывается зависимым от разброса ТКС - Аа и разброса температур нагрева резисторов и поэтому для снижения изменения отклонения коэффициента деления при работе в диапазоне рабочих температур их следует минимизировать.

Уменьшение ТКС резисторов - это задача технологическая и решается только конструктивно технологическими способами при производстве наборов резисторов. Разброс же температуры зависит как от конструктивных особенностей набора резисторов, так и от совершенства методов измерения. Так, разброс температуры нагрева резисторов может наблюдаться от воздействия Джоулева тепла, от неравномерности нагрева в динамическом электрическом режиме и нестационарных условиях работы.

Поэтому при измерении отклонения коэффициента деления при воздействии температуры необходимо уделять особое внимание в первую очередь наличию разброса температур и системе перемешивания воздуха внутри камеры.

Аналогичный приведенному, можно провести анализ для определения изменения относительного отклонения коэффициента деления делителей напряжения в процессе эксплуатации из-за наличия нестабильности и разброса нестабильности сопротивления резисторов.

Примерами реализации наборов резисторов, схема которых представляет простые делители напряжения, могут служить тонкопленочные делители напряжения, в которых имеются несколько групп делителей, необязательно соответствующих рисунок1, но параметры которых нормируются именно так, как это сделано для делителя согласно рисунок1. Например, набор резисторов НР1-53-1-2 [10] (рисунок2а) имеет 8 групп делителей, подобных рисунок1. В наборе же резисторов НР1-53-1-1 [10] (рисунок2б) имеется четыре группы резисторов по три резистора в каждой. И в каждой группе измерения проводятся как на двух делителях напряжения, подобных рисунок1.

R2

R4

R6

R8

R10

R12

R14

R16

а)

64

R3

А 7 i9 А10 R4 R5 R6

[12 ф 13 А15 А16 А 18 А19 А21 R7 R8 R9 R10 R11 R12

[22

А 24

А 22 63 А 21 620 66 6 19 65 6 4 6 18 67 6 17 616 6 10 6 15 69 6 8

б)

Рисунок2 Электрические схемы наборов резисторов:а) НР1-53-1-2, б) НР1-53-1-1

Примером реализации наборов резисторов, которые представляют сложные функциональные схемы, являются двоичные (например, R-2R типа НР1-53-2-5, [10] рисунок3а) и двоично-десятичные (например, R-2R-2R-4R типа 302НР4 [5] - рисунок3б) резистивные сетки.

а)

623 65

, 20

R17 R18 R19 R20 R21 R22 R23

]R5 \R6 \R7 1r8 \R9 \R10 \R11

21 =>7 i 19 19 J>17 i 15

5R I 15R I |2R \\Я

2R I |4R I |3,6R I |0,8R I |2R

3

6

R1

R2

24

12 A13

27

R

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

R=10 кОм

б)

Рисунок3 Электрические схемы: а) набора резисторов НР1-53-2-5 иб) резистивной микросхемы (набора резисторов) 302НР4

Дополнительно необходимо отметить, что нормирование относительного отклонения коэффициента деления (коэффициента отношения) тонкопленочных делителей напряжения (схем отношения) производится для любого рабочего значения входного напряжения в пределах допустимого. Это позволяет получать

изделия с более высокими характеристиками, чем если бы их изготавливать из отдельных резисторов того же класса, поскольку контроль и нормирование электрического сопротивления согласно [9] проводится при мощности не выше 0,1 Рном (номинальной), т.е. в отсутствие нагрева от Джоулева тепла.

ЛИТЕРАТУРА

1. www.phycomp-components.com. ФирмаРЬ1сошр. A YAGEO company.-2001.- High-stability thin-film chip resistors.

2. www.niiemp.ru, ОАО "НИИЭМП", РФ

3. КрюковМ. Высокостабильные тонкопленочные чип-резисторы фирмы Phycomp. - Компоненты и технологии, №4, 2003 .

4. www.Vishay.com, Vishay, США.

5. Справочник "Резисторы" под ред. Четверткова И.И. и Терехова В.М. - М.: Радио и связь, 1991 г. С. 352.

6. ОСТ В 11 0658-88 Наборы резисторов. Общие технические условия.

7. ГОСТ 21414-75 Резисторы. Термины и определения.

8. ОСТ 11 072.009-81 Наборы резисторов. Основные параметры.

9. ГОСТ 21342.20-78 Резисторы. Методы измерения сопротивления.

10. Наборы резисторов НР1-53, НР1-54, НР1-55, НР1-60 АЛСР.434310.011 ТУ.