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1、4.2 无源单口网络的等效,4.3 含源单口网络的等效化简,4.4 T 变换,第4章 电阻与单端口电阻电路分析,4.1 电阻器件,2,4.1 电阻器件,电阻的物理特性 除真空外任何材料都会在不同程度上阻碍电流的流动，从而呈现出电阻的特性。 不过有的材料阻力很小很小，如银和铜等，常用作导体（conductor）。 也有的像玻璃，陶瓷和塑料等阻力很大很大，常用作绝缘体（insulator）。 而常温下硅和锗等单晶材料的阻力则介于导体和绝缘体之间，故称之为半导体（semi-conductor）。 从良导体到半导体再到绝缘体都有电阻，电阻现象是普遍存在的。,3,电阻的公式表达,电阻体现了电流流过材料时
2、所遇到的阻力的强弱。 固体物理指出，这是载流子运动时与随机振动的晶格相碰撞，降低了载流子运动速度造成的，故电阻是沿着载流子运动方向分布在材料上的，是一种分布参数。显然，材料越长，碰撞机会越多，则电阻越大，故材料的电阻R与材料长度l成正比。 另一方面，材料越粗，可以参与运动的载流子就越多，可以通过的电流越大，表现出电阻越小，故材料的电阻R与材料的截面积A成反比。因此，任何材料的电阻为R=l/A，式中是比例常数，单位是欧姆-厘米(-cm)，表示每单位材料（长度为1厘米截面积为1平方厘米）的电阻，称为电阻率(resistivity)，是材料的固有特性。不同材料有不同的电阻率。,4,常用材料的电阻率与
3、温度系数,5,不同电阻特性的金属的作用,银、铜、金和铝电阻率较小，属于良导体，通常用于互连线。由于金和银比较贵重，故仅用于较重要的场合。一般的场合主要用铜和铝。 镍铬合金和石墨电阻率较大，适用于做电阻元件。 玻璃和陶瓷等电阻率很高，基本上不导电，通常用作绝缘体。 锗和硅，它们的电阻率介于良导体与绝缘体之间，属于半导体，可用来做晶体管和集成电路。 砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)等化合物的电阻率远高于锗和硅，更接近绝缘体，称之为半绝缘体。（semi-insulating),6,电阻的温度特性,注意，前面表中给出的电阻率是在室温20下测得的，在其它温度下的电阻率需要修正。 如果温度变化范围不太
4、大，从而允许线性近似，可以采用温度系数的概念来修正电阻值。假定参考温度为T0，在该温度下测得温度系数为R电阻值为R0，则温度T时的电阻值RT为 则有 故温度系数是温度每改变一度，电阻值的相对变化率。温度系数有正有负。大部分材料是正温度系数，唯有石墨是负温度系数。还有一些材料，如康铜合金（Constantan），温度系数特别小。,7,凡是导体都有电阻,凡是由导体组成的任何元件、器件和装置均隐含有电阻。 其中许多元器件尽管是用来提供特别的功能的，但无法避免寄生内阻。 但有时为了实现各种电路的功能也需要人为地提供一些电阻，故专门设计制造了一些电阻元件，供设计者选用。,8,分立电阻器件,分立的电阻元件
5、大致有四类： 线绕电阻、合成电阻、薄膜电阻和贴片电阻,9,线绕电阻,线绕电阻（wire wound resistor）是用高电阻率的合金丝绕在陶瓷（ceramic）基体上，并覆盖一层导热良好的绝缘膜（insulating film）而制成的。 这种结构能承受较大的功率，广泛用于电源场合。 然而，近年来人们制成了一种很高电阻率的合金，用特殊绕法，封装成适合于印刷电路板所需的形式，可运用在几兆赫的计算机中，这种新的高精度电阻，阻值范围可以是以1m到60M，精度达0.001%，温度系数低到0.5ppm/C，额定功率不大，一般可达2W。,10,合成电阻,合成电阻(composite resistor)
6、又称合成碳质电阻(Carbon-composition resistor)或碳质电阻，是电子线路中使用最多、最广的一种元件。 把石墨粉和粘合剂等混合物在高温下一次压铸成型，制造时把外层绝缘、引出线和合成电阻体一起熔铸成单一的紧密结构。 合成电阻的优点是体积小、适合于大批量生产且价格低廉；缺点是精度低、稳定性差和噪声大。,合成电阻的吸湿性,近20年来，碳质电阻在原料选择、加工工艺和电阻元件结构设计方面均有巨大进展，改善了过载能力，延长了寿命，稳定性有所提高。但仍有一重大缺点，受潮后的电阻值会变化。于是，对那些库房里存放较久的电阻，以及长期不工作的电阻，往往已吸收了潮气，增大了漏电，降低了电阻值。
7、工作时发热会驱除潮气，有可能使阻值恢复到原来数值。必须指出，合成电阻的这一缺点是根本性的。因为采用粉末材料压制而成，多孔性是不可避免的。存在着多孔性，吸收空气中的水分是必然的。因此合成电阻是不可能彻底克服这一缺点的。,12,薄膜电阻,分立的薄膜电阻（film resistor）有两大类：碳膜（Carbon-film）电阻和金属（metal-film）膜电阻。 碳膜电阻用碳氢化合物气体在高温下分解，沉淀在陶瓷基体上，形成一层导电薄膜。只要严格控制沉淀时间和碳氢化合物中碳的含量，就可以控制薄膜厚度。 经测量、分类和刻槽，可得高精度、高稳定度、高可靠性和低噪声的电阻，阻值从1到10M，精度可达0.5
8、%，温度系数为200ppm/C。,13,金属膜电阻的分类,金属膜电阻分为薄膜（thin film）电阻与厚膜（thick film）电阻。 薄膜电阻是将镍铬合金(Nickle-Chrome alloy)用真空蒸发或溅射方法沉淀(deposite)在陶瓷衬底上，厚度不到20m (10-6m)，或沉淀在砷化镓等半导体衬底上，厚度为数微米。 厚膜电阻将金属陶瓷（cermet）或专用的金属玻璃釉调成浆，喷涂或印刷在陶瓷基体上，焙烧成一层金属陶瓷或金属玻璃，厚度大概超过20m。经测量、分类、刻槽，可得热稳定性高，噪声低的电阻。镍铬合金薄膜电阻，阻值可从1到1M，精度0.1%，温度系数25 ppm/C到2
9、00 ppm/C，额定功率可达5W，工作电压可达200V。金属陶瓷厚膜电阻，阻值可达10M，精度也达1%，温度系数也可低到25ppm/C，额定功率达3W。,14,贴片电阻,早期电阻的安装：先把两条引线弯曲成型，再插入PCB过孔，在背面焊接。这种直插安装的缺点是体积大和手工操作。 随着IC技术的发展，分立器件的市场逐渐缩小。然而，在很多情况下，分立器件是无法完全用IC来代替的。例如，在高电压、大电流或大功率场合，或当需电容或电感值大到IC无法实现时，分立器件的应用就无法避免。不过，为了适应系统体积不断缩小和安装自动化的要求，人们从两个方向对分立器件不断加以改进：1）缩小体积，2）改变结构。 由此
10、，形成了表面贴装工艺SMT（surface mount technology）。适合于表面贴装的器件称之为SMD（surface mount device）。由于SMD呈芯片（chip）状，所以通常称之为贴片器件。,15,贴片电阻的特点,贴片电阻器的结构如上图。作为一种表面贴装器件，贴片电阻(SMD Resistor)又称为片状电阻（chip resistor）。 特点是耐潮湿、耐高温、可靠度高、外观尺寸均匀、精度高且温度系数与阻值公差小，能够利用表面贴装技术实现自动化装配。,16,贴片电阻的类型,按生产工艺分，贴片电阻器有两种类型：即厚膜贴片电阻(thick film chip resist
11、or)和薄膜贴片电阻(thin film chip resistor)。 厚膜是采用丝网印刷将电阻性材料淀积在诸如玻璃或氧化铝陶瓷绝缘基体上，然后烧结形成的。我们通常所见的多为厚膜片式电阻，精度范围为0.5% 10%，温度系数为50400ppm/C。 薄膜是在真空中采用蒸发和溅射等工艺将电阻性材料淀积在绝缘基体上而形成，特点是低温度系数(ppm/C)和高精度(0.01%1%)。,17,贴片电阻的封装,贴片电阻的封装尺寸有0201、0402、0603、0805、1206、1210、1812、2010和2512等。 4位数字的前两位是长度，后两位是宽度，单位是mm。例如0603表示长度为6mm，宽
12、度为3mm。其常规系列的精度为5%，1%。阻值范围从0.1W到20MW。 标准阻值有E24，E96系列。功率有1/20W、1/16W、1/8W、1/10W、1/4W、1/2W、1W。,18,贴片器件的编带包装,贴片器件通常用图所示的编带包装。再将编带绕成盘，即可装到贴片设备上对PCB进行自动贴片。,19,国内贴片电阻的命名方法,1）5%精度的命名：RS-05K102JT 2）1精度的命名：RS-05K1002FT R表示电阻, S表示功率。如0402是1/16W、0603是1/10W等 05表示尺寸：取的是4位数字的后两位，因此05表示0805。 K表示温度系数为100 ppm/C 5精度阻值
13、表示法中的102前两位表示有效数字，第三位表示有多少个0，单位。因此，10210001k。 1阻值表示法中，1002的前三位表示有效数字，第四位表示有多少个0，所以，10021000010k。 J表示精度为5；F表示精度为1；T表示编带包装。,20,集成电阻,集成电阻是指利用集成电路工艺在不同掺杂的半导体薄层上形成的电阻。所以也称为半导体薄层电阻。 其优点是可大规模集成和低成本，缺点是容差大、温度系数大。 下图显示两种典型的电阻版图。左图所示的是单线结构，特点是简单，寄生参数小。右图所示的是U型结构，特点是可以在小的芯片面积上实现高的阻抗。,21,方块电阻,采用右图所示专用系统测试方块电阻。探
14、头由四根探针组成，四根探针距离相等，由四根引线联接到测试仪上，当探,由于半导体电阻率和截面积的双重不确定性以及测试的困难，人们引入了方块电阻（sheet resistance）的概念：平面上一个正方形的薄层材料的某边到它的对边的电阻。 由方块电阻的表达式可知，它有这样一个特性：任意大小的正方形边到边的电阻都是一样的。,头接触导电材料表面时，测试仪就能显示出材料的阻值。原理是外侧的两根探针产生电流场，内侧的两根探针测试电流场在此处的电势。因为阻值越大，电势越大，因此可以测出材料阻值。,22,集成电路中实现电阻的三种方式,1） 晶体管结构中不同材料层的片状电阻。在双极性硅工艺中，掩埋集电极的n+层
15、有210W的电阻率。基极p层的大约几k W。在CMOS工艺中,可以用阱区形成薄层电阻。这类薄层电阻能实现从10 W到10kW范围的电阻值。由晶体管结构材料层构成的电阻有一个缺点，就是电阻值随工艺和温度的变化较大。 2）专门加工制造的高质量高精度电阻。在CMOS工艺中，通常用多晶硅形成薄膜电阻。在GaAs工艺中，通常将镍和铬金属共同蒸发形成NiCr薄膜电阻。电阻值由镍铬层的宽、长和方块电阻率确定，范围是202000 W。 3）可用互连线的传导电阻实现相对较低的电阻。,23,电阻的规范-精度,精度是一种通俗的称呼，学术名词叫容差(tolerance)，表示电阻值偏离其标称值的最大范围，用百分数表示
16、。 通用电阻的容差有5%，10%和20%等，大多数合成电阻和碳膜电阻以及某些金属膜电阻和线绕电阻属于这类。 容差为1%和2%的称半高精度电阻(semi-precision)，主要是金属膜电阻；容差为0.5%和1%的称高精度电阻，一般是金属膜电阻和线绕电阻。,24,阻值,商用电阻元件不可能为每一阻值提供一种产品，而且批量生产元件不可能没有误差。电阻值是离散的。为此，人们规定了元件值的容差。比如5%，10%等等。这样，电阻值就有一个规范，设计电路时应遵守这一规范，在规范限度内合理使用。 阻值规范：在110范围内将阻值分为N段。每段有一标称值Rk和相应的容差 ，高段下限必须接低段上限。标称值为Rk的电阻值实际上可能低于或高于此值，即,25,相邻两段的标称值之比与容差的关系,同理，标称值为Rk+1的电阻值将是 高段的下限必须接上低段的上限，即 解得： 表示相邻两段的标称值之比取决于电阻元件的容差。 若取容差=2
