硬件十万个为什么（无源器件篇）

作者简介

朱晓明，“硬件十万个为什么”微信公众号创始人，拥有约20万硬件工程师粉丝。曾任华为硬件经理、维护经理、产品经理、产品规划师、系统设计师。拥有近20年硬件研发经验，参与设计及维护的硬件产品种类非常丰富，包括海军装备电信设备硬件平台、监控安防、服务器、智能终端等。 王玉皞，博士，二级教授，博士生导师，IET Fellow，IEEE Senior Member，中国通信学会高级会员，教育部首批创新创业导师，“井冈学者”特聘教授，江西省百千万人才工程入选者，江西省嵌入式系统工程研究中心主任，南昌大学人工智能工业研究院院长，上饶师范学院副院长。 付世勇，“硬件十万个为什么”技术总监，曾任华为硬件系统工程师，PoE技术领域专家，作为IEEE委员全程参与了IEEE802.3bt标准（大功率PoE标准）的制定。拥有二十多项中国发明专利，七项美国发明专利。 周辉林，博士，教授，主要研究方向为电波传播及其工程应用，曾主持省部级以上项目两项，参与多项国家自然科学基金、国家863等项目的研究。 蒋修国，是德科技（中国）有限公司大中华区EDA技术支持经理，拥有10年以上高速产品设计经验。擅长高速数字电路的信号完整性和电源完整性仿真、设计和测试。“信号完整性”微信公众号创始人。 袁一鹏，曾任华为硬件工程师，曾任诺基亚西门子通信（杭州）有限公司数字硬件工程师。擅长通信硬件系统设计。 杨城，锐捷网络股份有限公司失效分析工程师。擅长电子元器件破坏性物理分析（DPA）、电子元器件可靠性与失效分析（FA）和电子元器件资源池建设等。 冯美文，杭州硬十科技有限公司硬件经理，主导开发了全国产芯片无人机解决方案、硬十的开源物联网平台方案。

内容简介

1电路中的电阻器是如何实现物理概念中的“电阻”的？ 我们通常说的“电阻”（Resistance）有两种概念：一种是物理概念，即一个描述物体导电能力的物理量；另一种是指电阻器（Resistor）。 电阻是一个常见的物理概念，我们在中学阶段就学习了。导体对电流的阻碍作用就称为该导体的电阻。电阻是一个物理量，在物理学中表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体，电阻值一般不同，电阻是导体本身的一种性质。导体的电阻通常用字母R表示，电阻的单位是欧姆，简称欧，一般用Ω表示。 在同一电路中，通过某段导体的电流与这段导体两端的电压成正比，与这段导体的电阻成反比,这就是欧姆定律。欧姆定律有一种比喻：用水压比喻电压，用水管比喻电阻，用水流的大小比喻电流，如图1.1.1所示。 图1.1.1　欧姆定律的比喻示意 下面具体介绍上面提到的几个概念。 （1）电压：衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。其大小等于单位正电荷因受电场力作用从A点移动到B点所做的功，电压的方向规定为从高电位指向低电位。电压相当于水塔供水的水压。 （2）电阻：相当于输水管的粗细。 （3）电流：科学上把单位时间内通过导体任一横截面的电量称为电流强度，简称电流，相当于水管中的水流。 欧姆定律是把电流作为结果，把电压作为外部施加在电路上的外因，电阻相当于电路的内因。管路不变，水塔越高，水压（电压）越大，水流（电流）越大；水压（电压）不变，水管越粗（电阻越小），水流（电流）越大。 欧姆定律的公式为 （1.1.1） 电阻作为物理概念，是一种阻碍电流通过的能力，是一个用来提供“分压”或 “限流”功能的一个元器件，该元器件的名称就为电阻器，而我们做题时计算的电阻是该电阻器对电流通过的阻碍能力。 电阻作为物理量，是一种能力，生活中所有的东西都有这个能力，包括但不局限于金属导线、树木、人体和橡胶手套。 如果非要把“电阻”类比其他物理概念，则可以类比成“质量”或 “惯性”，一个物体不管放在哪里都有质量，同样地，这个物体不管有没有通电，它都有电阻。但是，不是什么物体都可以称为电阻器。 那么，电阻器是如何实现我们需要的那个电阻物理量的呢？ 电阻器在日常生活中一般直接称为电阻，常用电阻的外形如图1.1.2所示。 图1.1.2　常用电阻的外形 电阻一般有两个引脚，其阻值是固定的。将电阻接在电路中后，根据欧姆定律，电阻可以限制通过其所连支路的电流大小。阻值不能改变的电阻称为固定电阻，阻值可变的电阻称为电位器（Potentiometer或Potential Meter）或可变电阻（Variable Resistor）。理想的电阻是线性的，即通过电阻的瞬时电流与外加瞬时电压成正比。用于分压的可变电阻，其裸露的电阻体上紧压着1～2个可移金属触点，触点位置决定了电阻体的任一端与触点间的阻值。 电阻的阻值与导体的材料、形状、体积及周围环境等因素有关。电阻率是描述导体导电性能的参数。对于由某种材料制成的柱形均匀导体，其电阻R与长度L成正比，与横截面积S成反比，即 （1.1.2） 式中，ρ为比例系数，其大小由导体的材料和周围温度决定，称为电阻率。 电阻率的国际单位制（SI）是欧姆·米（Ω·m）。常温下，一般金属的电阻率与温度的关系为 （1.1.3） 式中，为0℃时的电阻率； α为电阻温度系数（Temperature Coefficient of Resistance，TCR）；t为温度，单位为℃。 半导体和绝缘体的电阻率与金属不同，它们与温度之间不是按线性规律变化的。当温度升高时，它们的电阻率会急剧减小，呈现出非线性变化的性质。 所以，我们想实现某一个电阻值时，受到中学时教师的教具——滑动变阻器的影响，一般会想到通过调整导线的长度来实现期望的电阻值。滑动变阻器如图1.1.3所示。 由式（1.1.2）可知，当材料、横截面积确定时，通过调整导电材料的长度就可以获得期望的电阻值。我们最容易获得的导电材料就是导线，通过不同长度的导线，自然就可以获得不同的电阻值。但是，用导线来实现电阻时，由于一根导线不可能散落在电路中，因此把导线绕在绝缘骨架上，这样便于使用、安装、运输和保存。 线绕电阻是将电阻丝绕在绝缘骨架上再经过绝缘封装处理而成的一类电阻，如图1.1.4所示。电阻丝一般采用一定电阻率的镍铬、锰铜等合金制成，绝缘骨架一般采用陶瓷、塑料、涂覆绝缘层的金属骨架。线绕电阻是众多电阻种类之一，具有温度系数小、精度较高的特点。在线绕电阻中，有一种用陶瓷作骨架，在电阻的外层涂釉或其他耐热并且散热良好的绝缘材料的大功率线绕电阻，该线绕电阻的特点是耗散功率大，可达数百瓦，主要用作大功率负载，能工作在150～300℃的环境中。 图1.1.3　滑动变阻器图1.1.4　线绕电阻 在线绕电阻中还有一种可调线绕电阻，它是在线绕的外面装有可移动的卡环作为接触引出端，在釉（漆）层上面留有狭长的窗口，露出绕线接触道，卡环通过触点在接触道上移动就可以调节阻值，所以是一种可变电阻。常见的有被釉线绕电阻和涂漆线绕电阻两种。 珐琅电阻（被釉线绕电阻）属于线绕电阻的一种，将电阻系数较大的锰铜丝或镍铬合金丝绕在陶瓷管上，并将其外层涂以珐琅作为耐热的釉绝缘层加以保护。珐琅电阻具有高稳定性、高精度、噪声小、功率大等特点，一般可承受1～500W的额定功率，可在150℃高温下正常工作，温度系数可做到小于10ppm/℃（1ppm = 0.0001%），精度高于±0.01%。 线绕电阻的缺点是寄生电感和分布电容比较大，体积大，阻值不大，不适合在2MHz以上的高频电路中使用，只适合在要求大功率电阻的电路中作分压电阻或滤波电阻，或者在高温工作场景下使用。图1.1.5所示是典型的大功率线绕电阻（被釉功率型线绕电阻）。 当然，线绕电阻只是众多实现电阻的方式之一。实现电阻的方式还有很多种，如金属箔电阻、金属膜电阻、碳膜电阻等。 2为什么电阻需要多种种类？ 在实际的项目中，除使用线绕电阻外，在更多场景下可能使用金属膜电阻、金属氧化膜电阻、碳膜电阻等各种工艺的电阻。既然通过导线绕线已经可以实现线绕电阻，为什么还需要那么多种不同类型的电阻呢？ 这是因为不同的工艺和原理实现出的电阻的阻值、体积、成本、精度、功率、高频特性、噪声特性都不同。当需要不同特性时，就需要用不同制造方法实现的电阻，所以导致电阻需要多种种类以适应不同场景的需求。 1阻值和体积 虽然可以通过不同长度的导线实现不同期望的电阻值，但是由于金属丝的电阻还是偏小，因此应通过不同的材料工艺实现不同的阻值范围。同时，在很多场景下，电阻的体积是不能特别大的。所以，能够实现小体积、大阻值的材料工艺就特别有优势。 2成本 不同的材料有不同的成本，制造工艺的不同也会导致成本的不同。在生产物料成本相同的前提下，发货量越大，成本越低。更重要的是，该物料在整个社会总的使用量也会导致成本的不同。 3精度 高精度电阻区别于普通电阻的主要依据是阻值误差大小和温度系数大小。分类描述如下：对1Ω以上阻值的电阻，与标识阻值相比，±0.5%以内阻值误差的电阻可称为精密电阻，更高精密的电阻可以做到0.01%精度。一般只有薄膜电阻和金属箔电阻能实现高精度。1Ω以上阻值的电阻的普通系列精度在±5%以上，电子产品上最常见的就是5%精度的电阻，不属于精密电阻范围。1Ω以下阻值的电阻，一般能达到±1%精度之内，就可称为精密电阻了。因为同样是1%的误差，电阻值的基数越小，1%所对应的电阻绝对值越小，工艺和技术要求越高。更高精密电阻可以做到±0.5%以内，但工艺和技术要求较高，电阻成本很高。所以，在高精度应用场景，为了平衡成本，可以采用其他方式来实现期望的电阻值。 4功率 为什么不同工艺的额定功率会不同呢？原来电流流经电阻所产生的热量除一部分经电阻表面直接散发出去外，还有一部分要传到电阻的基体（陶瓷管）上，并经过套在两端的金属帽、铜质引线甚至印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）散发出去。基体材料的导热系数高，电阻的额定功率就大。 制造普通（正常尺寸）电阻的基材是一种石瓷，成分为氧化铝（Al2O3）和二氧化硅（SiO2）；而制造小尺寸电阻的基材为专用氧化铝瓷，其氧化铝含量高达80%～93%。基体材料中氧化铝含量越高，其导热性能就越好，制作出的电阻额定功率值也越大。 5高频特性 电阻的高频等效电路如图1.2.1所示。 根据电阻的高频等效电路，可以方便地计算出整个电阻的阻抗，即 （1.2.1） 式中，Cp为寄生电容；Lp为寄生电感；ω为角频率，ω = 2πf （ f为工作信号的频率）。 朱晓明在“硬件十万个为什么”微信公众号的经营中，无私地分享了非常多有价值的知识。本书聚沙成塔，从实践到理论、从经验到本质、从技巧到原理，是一本难得的原创书籍，更是从事电子产品设计的工程师、爱好者的宝贵手册。 全志科技副总裁——陈风 朱晓明在华为工作期间在多个产品领域设计的产品的竞争力业界领先，离开华为后他始终保持着对硬件的钻研和热爱，创建了“硬件十万个为什么”团队。该团队系统化地总结、提炼多年丰富的硬件工程经验，写成了这本硬件基本功书籍。希望“硬件十万个为什么”系列书成为硬件工程师和爱好者最好的伙伴。 华为前硬件平台开发部长——陈华 朱晓明在硬件领域深耕近二十年，离开华为后他致力于硬件开发流程与方法的推广，通过“硬件十万个为什么”教会了一大批一线硬件工程师如何正确做事，在国内“80”后和“90”后中有较多的粉丝，受到院士与专家的认可。 华为前硬件平台架构师——彭华 硬件设计是一门经验性很强的学科，工程实践经验对产品的质量稳定至关重要。“硬件十万个为什么”团队不忘初心，从硬件领域最基础的电阻、电容、电感出发，结合工程实践经验为大家进行了系统化的总结，帮助大家少走弯路，让硬件从业者能够站在前人的经验上设计出更好的硬件产品。 阿里前高级硬件专家——刘光辉 本书从物理原理解释工程现象，把一些工程经验进行了逻辑分析和物理解释，能够切实有效地帮助到经验不足的年轻硬件从业人员。朱晓明的硬件之路也是得益于715所老一辈硬件工程师的悉心指导，希望通过本书传递给更多年轻人老一辈工程师的硬件精神——严谨、敬业、钻研。 中船重工第715研究所电子研究室主任、研究员——孙建华 无源元件是构成电路的基本组成元件，本书通过问答的形式，把电阻、电容和电感三类元件的应用场景都写得非常清楚，其中还介绍了它们在信号完整性、电源完整性、电磁兼容性相关领域的应用。这是一本难能可贵的好书。 西安电子科技大学超高速电路设计与电磁兼容教育部重点实验室教授——李玉山 本书的几位作者都是业内有丰富经验的技术专家，书中详细地解答了在元器件应用和选型中常见的问题，是一本值得期待的好书，推荐给硬件工程师们！ 《高速电路设计实践》作者——王剑宇 这是一本来自工程实践的书籍，全书结合了工程师常见的一些典型问题及一些经典的电路理论，深入浅出地把RLC这三种基础元件完整地呈现在读者面前。 “信号完整性”微信公众号创始人，《ADS信号完整性仿真与实战》作者——蒋修国