أداء وتطبيق المقاومات عالية الدقة

أدى تطوير واستخدام التقنيات الجديدة في صناعة المقاوم إلى انخفاض حاد في حجم المقاومات. دفعت متطلبات السوق الجديدة أيضًا الشركات المصنعة للمكونات الإلكترونية لتطوير المنتجات ذات الأداء والاستقرار بشكل أفضل. نظرًا لأن استخدام أنواع مختلفة من المقاومات الدقيقة يصبح أكثر انتشارًا ، فقد أصبح أداء المقاومات الدقيقة أكثر أهمية. تشمل المعلمات الرئيسية لمقاومات الدقة معامل درجة الحرارة (TCR) ، ومعامل الطاقة (PCR) ، والاستقرار على المدى الطويل ، والقدرة المضادة للثابتة (ESD) ، وقوة الكهرومتر الحرارية (EMF) ، والضوضاء ، إلخ ، إلخ.
يتم تحقيق تحسين الأداء العام للنظام من خلال كل مكون إلكتروني أو نظام فرعي. يتم تحديد الأداء الكلي من خلال أضعف الارتباط في نظام الدائرة. يجلب كل مكون بعض قيود الأداء إلى نظام الدائرة الكلي. على وجه الخصوص ، الزائد على المدى القصير ، والاستقرار على المدى الطويل ، والاستجابة للتردد ، والضوضاء. في صناعة المقاوم المنفصلة ، هناك أربع تقنيات مقاوم شهيرة ، ومقاومات Wirewound ، ومقاومات الأفلام السميكة ، ومقاومات الأفلام الرقيقة ، ومقاومات الرقائق ، وتزويد العملاء بحلول مع متطلبات أداء مختلفة وميزانيات مختلفة.
يلخص الجدول 1 بإيجاز مزايا وعيوب تقنيات المقاوم المختلفة ، والتأثيرات الحرارية ، والإجهاد الميكانيكي ، والخصائص الكهربائية.
الإجهاد ، سواء أكان ميكانيكيًا أو حراريًا ، يسبب التغيرات في الخواص الكهربائية للمقاومات. إذا تغير المقاوم شكل أو طول أو تكوين أو بنية جزيئية بسبب الإجهاد ، فستتغير الخواص الكهربائية للمقاوم أيضًا.
عندما يتدفق التيار عبر عنصر المقاوم ، فإنه يولد تسخين ذاتي ، والتغيرات في درجة الحرارة تسبب توسيع المادة أو تقلصها ميكانيكيا. عنصر المقاوم المثالي لديه القدرة على موازنة هذه الظواهر تلقائيًا. يمكن أن يحافظ نظام تحسين الاستقرار على سلامة الخواص الفيزيائية لعنصر المقاوم من خلال عملية التصنيع والتخلص من الحاجة إلى تعويض التسخين الذاتي والإجهاد أثناء استخدام المقاوم.
سنقارن خصائص تقنيات المقاوم المختلفة ونناقش استخدام كل نوع من المقاوم في الدوائر الدقيقة.
مقاومات احباط
يتم ربط سبائك المقاوم الخاصة بالرقائق (النيكل/الكروم والإضافات) بمصفوفة سيراميك خاصة مع مقاومة محكومة لتحقيق التوازن بين الضغوط الناتجة عن الحرارة والضغط الميكانيكي. نمط مسار المقاوم هو ليزر محفور في سبيكة مقاوم الرقائق. تجمع هذه العملية بشكل فريد بين الخصائص المهمة للانجراف في درجات الحرارة المنخفضة ، والاستقرار طويل الأجل ، وغير حثية ، وغير حساس للكهرباء الثابتة ، وانخفاض السعة ، والاستقرار الحراري السريع ، وضوضاء منخفضة في تقنية مقاوم واحدة.
هذه الميزات تجلب الاستقرار العالي والموثوقية لنظام الدائرة. لا يوجد أي حل وسط بين دقة المقاوم والاستقرار وسرعة الاستجابة. للحصول على قيم مقاومة دقيقة ، يتم توازن رقائق المعادن المعدنية السائبة ويزيل بشكل انتقائي شرائط التقصير الداخلي. عند التعامل مع متطلبات المقاومة العالية ، يتم تخفيض المنطقة بشكل انتقائي في زيادات مقاومة معروفة لزيادة قيمة المقاومة في الخطوات الصغيرة.
درجة الحرارة القياسية ± 1 جزء في المليون/ درجة 0 درجة إلى + 60 درجة ({3}}.

يقلل تصميم مسار المقاوم المتوازي في مستوى رقائق المعادن ، مع الحد الأقصى لحث {0}}. 08 μH. الحد الأقصى للسعة هو 0.5 PF. وقت استجابة المقاوم {4}} kΩ هو أقل من 1 ns حتى 100 ميغاهيرتز. يتم تحديد وقت الارتفاع من خلال قيمة المقاوم ، ولكن القيم الأعلى أو الأدنى أبطأ قليلاً من القيم الوسيطة. لا يوجد رنين مهم بشكل خاص في دوائر التبديل عالية السرعة ، مثل محولات الإشارة.
يمكن مقارنة مقاومة DC لـ 1- kΩ blk metal pith بمقاومة مقاومة AC عند 100 ميغاهيرتز باستخدام الصيغة التالية:
AC Resistance/DC Resistance=1. 001
تنتج تقنيات Resistor Foil مقاومات مع مواصفات خاصة لم تكن متوفرة ومرغوبة سابقًا. وتشمل هذه انحراف درجة الحرارة من {{0}}. 2 جزء في المليون/ درجة ، دقة منخفضة مثل ± 0.
ما مدى جودة المنتج الجيد الذي يجب أن يكون حقًا؟
بالطبع ، لا تتطلب كل تصميمات مهندس الدوائر الأداء العالي بشكل عام. في العديد من التطبيقات ، ستكون مقاومات الأداء المنخفضة كافية ، وبالتالي تنقسم الإجابات إلى أربع فئات.
1. يمكن أن تحسن مقاومات رقائق المعادن من الأداء الكلي للجهاز.
2. يمكن لمقاومات رقائق المعادن أو أكثر يمكن أن تحقق أفضل أداء للجهاز.
3. يمكن لمقاومات رقائق المعادن تحسين تطوير تكنولوجيا الدائرة وتحسين العديد من الخصائص المواتية لمقاومات الدقة.
4. تخطط بوضوح لاستخدام المقاومات الدقيقة للاعتبارات طويلة الأجل (على سبيل المثال: مقاومات رقائق المعادن أكثر فعالية من حيث التكلفة من إضافة أجهزة باهظة الثمن لتحسين أداء الدائرة قليلاً للحفاظ على دقة الدائرة).
في الفئة الثانية ، على سبيل المثال ، يجب موازنة معلمة واحدة مقابل اقتصاد التصميم العام. يمكن أن يؤدي استخدام مقاوم أداء أعلى إلى توفير التكاليف لأنه يمكن تقليل دائرة التعويض (ويتم حفظ تكلفة المكونات ذات الصلة ويتم حفظ تركيبها). يعد تحسين دقة المقاوم أكثر فعالية من حيث التكلفة من تحسين الجهاز ، لأن تحسين الجهاز لتحسين بعض الأداء أغلى من المقاومات الدقيقة.
الدقة المقاومات wirewound
تنقسم مقاومات Wirewound عمومًا إلى مقاومات السلطة والمقاومات الدقيقة. ستتغير مقاومات Power Wirewound بشكل كبير أثناء الاستخدام ولا يمكن استخدامها في التطبيقات التي تتطلب أداءًا دقيقًا للمقاومات. لذلك ، لن نناقش مقاومات السلطة.
خلال عملية تصنيع المقاومات المبللة ، يتم الضغط على السطح الداخلي لسلك المقاوم (الجانب القريب من الهيكل العظمي العازلة) ، ويتعرض سطحه الخارجي للتوتر. يحدث تشوه دائم.
التشوه الناجم عن هذه العملية وأثناء الصلب اللاحق للسلك هو مصطنع ، على عكس التشوه المرن أو القابل للعكس. يؤدي التشوه الميكانيكي الدائم غير المتوقع إلى تغييرات عشوائية في الخواص الكهربائية ومقاومة السلك. والنتيجة هي مجموعة واسعة من معلمات الأداء.
مصنوعة مقاومات Wirewound من جرح الأسلاك على هيكل عظمي عازلة. توفر أسلاك الأقطار والأطوال المختلفة مقاومة وخصائص يمكن التنبؤ بها. تحتوي المقاومات الدقيقة على خصائص مضادة للضوضاء وضوضاء أقل من الفيلم الرقيق ومقاومات الأفلام السميكة. المقاومات wirewound لديها أيضا انخفاض درجة حرارة أقل واستقرار أفضل.
يمكن أن يكون للمقاومات wirewound دقة أولية لـ ± 0. 005 ٪. يمكن أن يكون انجراف درجة الحرارة منخفضًا حتى 3 جزء في المليون/ درجة نموذجي ؛ ولكن بالنسبة لمقاومات المقاومة المنخفضة ، فإنها عمومًا 15 جزء في المليون/ درجة إلى 25 جزء في المليون/ درجة. الضوضاء الحرارية منخفضة ، وقد يصل تتبع درجة حرارة الانجراف خارج نطاق درجة حرارة التشغيل أيضًا إلى ± 2 جزء في المليون/ درجة. يجب أن يكون من الواضح أن مقاومات Wirewound لا تحتوي على منتجات تعبئة SMD (SMD غير مصبوب ، وأن بعض مقاومات التثبيت السطحي المقولبة ليست مقاومات SMD) ، لذلك لا يمكن استخدام المقاومات المتجهة في المواقف التي يلزم وجود وزن وحجم المقاوم.
ومع ذلك ، نظرًا للهيكل المتعرج لمقاومات Wirewound ، فإن المقاومات الوهمية استقرائية ، وتنتج لفائف مماثلة السعة. يمكن استخدام تقنية متعرج خاص لتقليل الحث لتحسين وقت الاستجابة أثناء استخدام المقاوم. نظرًا للتصميم الاستقرائي المتأصل والسعة ، لا تتمتع مقاومات Wirewound بخصائص جيدة التردد. خاصة في التطبيقات فوق 50 كيلو هرتز. بسبب الحث وعوامل الأسعار ، تكون المقاومات الدقيقة على وشك القضاء عليها.
مقاومات فيلم رقيقة
يتم تصنيع مقاومات الأفلام الرقيقة عن طريق تبخير مادة فيلم مع مقاومة معينة من 50 إلى 250 أنجستروم على ركيزة من السيراميك باستخدام طريقة مماثلة للتبخر [1 Angstrom (A)=10 نانومتر]. يمكن أن تنتج مقاومات الأفلام الرفيعة قيم مقاومة أعلى في منطقة معينة من المقاومات المترتبة على مقاومات ومقاومات احباط وأرخص. هذا يجعل مقاومات الأفلام الرقيقة خيارًا أكثر اقتصادًا في التطبيقات التي تكون فيها المقاومات ذات المقاومة العالية المتوسطة الحاجة مطلوبة ويتم النظر في كفاءة الفضاء.
مقاومات الأفلام الرقيقة حساسة لدرجة الحرارة. يمكن اختيار سمك الفيلم المناسب لإنتاج مجموعة متنوعة من قيم المقاومة ، ولكن يمكن لفيلم معين أن ينتج فقط مقاومات مع نطاق مقاومة معين. لذلك ، تستخدم أفلام ذات سمك مختلف لإنتاج مقاومات ذات نطاقات مقاومة مختلفة.
يتأثر استقرار الفيلم بزيادة درجة الحرارة. تعتمد عملية تغيير استقرار شيخوخة الفيلم على سمك الفيلم لتحقيق قيمة المقاومة المحددة ، وبالتالي يتغير نطاق المقاومة باستمرار. يشمل الشيخوخة الكيميائية/الميكانيكية أيضًا أكسدة سبيكة المقاوم الناتجة عن زيادة درجة الحرارة.
يمكن أن يكون للانجراف في درجة حرارة فيلم السمك المناسب تأثير سلبي على قيمة المقاومة. مقاومات الأفلام الرقيقة عالية المقاومة لها معدل تدهور أكبر. لأن أرق الفيلم ، كلما كان أكثر عرضة للأكسدة. نظرًا لأن مقاومات الأفلام الرقيقة رقيقة جدًا ، فإنها تتأثر بسهولة بالكهرباء الثابتة.
بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن جزء العنصر المعدني صغير جدًا ، فإن مقاومات الأفلام الرقيقة هي أيضًا عرضة للتآكل الناجم عن الرطوبة. عندما يمر بخار الماء عبر حزمة المقاوم ، فإنه يجلب الشوائب ويطور تآكلًا كيميائيًا ، مما يتسبب في فشل فيلم المقاوم في غضون ساعات قليلة من تطبيق حمل الجهد المنخفض DC.
من خلال ترسب الأفلام متعدد الطبقات على المدى الطويل ، وتعديل المقاومة عالية الدقة وبعد الفحص ، يمكن لأفضل مقاومات الأفلام الرقيقة أن تحقق أيضًا انحرافًا في درجة حرارة ± 2PPM/ درجة ودقة ± 0. 01 ٪ ، بالإضافة إلى استقرار جيد على المدى الطويل. ومع ذلك ، فإن الطاقة ليست عالية ، وجزء المقاومة المنخفضة له أداء ضعيف ، وليس مضادًا للثبات ، ومعامل الطاقة ضعيف ، من الصعب تلبية إمدادات الدُفعات الصغيرة ، واتساق الدُفعات المختلفة ليس جيدًا.
مقاومات الأفلام السميكة
في المناقشة السابقة ، أوضحنا أنه لا يمكن استخدام مقاومات Wirewound في تطبيقات الرقائق بسبب الحجم والتعبئة والوزن. في التطبيقات الأقل دقة من مقاومات Wirewound ، تكون مقاومات الأفلام السميكة أكثر شيوعًا لأن مقاومات الأفلام السميكة لها قيم مقاومة كثيفة (مقاومة عالية/حجم صغير) وأرخص.
تتمتع مقاومات الأفلام السميكة باستجابة تكرار أسرع ، على غرار مقاومات الأفلام الرقيقة ومقاومات الرقائق ، ولكن بين تقنيات المقاوم المختلفة ، تعد مقاومات الأفلام السميكة هي الأكثر صناديق. عند استخدامها في التطبيقات الأقل دقة ، ستتم مناقشة مقاومات الأفلام السميكة واستخدامها على نطاق واسع في أنواع مختلفة من الدوائر ، بما في ذلك أجزاء أقل دقة من الدوائر عالية الدقة.
يعتمد الفيلم السميك على ملامسة الجسيمات على المصفوفة الزجاجية لتشكيل مسار مقاومة. تشكل نقاط الاتصال هذه المقاومة بأكملها. ومع ذلك ، يتم حظر هذه الجسيمات عن طريق الإجهاد الحراري أثناء استخدام المقاوم. لأن لديهم العديد من المسارات المتوازية ، لن يتم كسر مسار المقاومة. ومع ذلك ، ستزداد قيمة المقاومة بمرور الوقت ومع ارتفاع درجة الحرارة. لذلك ، فإن مقاومات الأفلام السميكة ليست مستقرة مثل تقنيات المقاوم الأخرى.
تعني بنية الجسيمات أيضًا أن مقاومات الأفلام السميكة لها معامل ضوضاء عالي ، لأن تجميع وحركة الإلكترونات المقاوم من خلال هذا الهيكل يولد ضوضاء كبيرة نسبيًا. بالنسبة للمقاوم المحدد ، كلما زادت قيمة المقاومة وخفض المحتوى المعدني ، زادت الضوضاء وأقل استقرارًا. يشكل الهيكل الزجاجي لمقاومات الأفلام السميكة معطفًا واقعيًا يشبه الزجاج لحماية المقاوم أثناء المعالجة ، مما يجعل مقاومات الأفلام الكثيفة أكثر مقاومة للرطوبة من مقاومات الأفلام الرقيقة.
من خلال التحسين المستمر لمعجزة مقاوم الأفلام السميكة ، تمكنت تقنية مقاوم الأفلام الأكثر دقة من تحقيق انجراف في درجة الحرارة ± 5ppm/ درجة ، وحتى باستخدام رقائق مقاوم للأفلام سميكة متعددة يمكن أن تعوض عن بعضها البعض ، يمكن أن تصل في النهاية إلى انجراف في درجة حرارة ± 2PM/ درجة. يمكن أن تصل إلى أعلى دقة ± 0. 01 ٪. مقاومات الأفلام الدقيقة السميكة هي التكنولوجيا السائدة في تطبيقات عالية الجهد ، ومقاومة عالية ، وتطبيقات عالية الدقة. تتمثل عيب مقاومات الأفلام السميكة في أنه من الصعب تحقيق انجراف عالية الدقة وانخفاض درجة الحرارة في جزء المقاومة المنخفضة ، ومؤشر الضوضاء ليس جيدًا ، والاستقرار طويل الأجل أسوأ بشكل عام من المقاومات الدقيقة الأخرى.