阻容感基础：电阻器应用

一，电阻器应用

很显然电阻器是硬件设计中最基本的元器件之一，它在硬件设计上的应用非常多样：可以单独应用于电路，也可以像变形金刚一样，同其它器件组成复杂电路。但是电阻器的应用无论怎么变化，我们都可以基于电阻器的本质：“电阻”进行原理分析。那么在电路中“电阻”能够用来做什么呢？

1. 在相同电压下，使用不同阻值的电阻器可以得到不同的电流：I = U/R；

2. 在相同电流下，使用不同阻值的电阻器可以得到不同的电压：U = I*R。

我们根据U=I*R公式可以看到：在实际应用中电阻器必须通过其电压降或电流大小，才能体现其作用，而“电阻”特性本身并不能参与信息处理、传输、存储（因为我们并不能直接观测到“电阻”）。所以对于电阻器的应用来说，我们需要得到不同电阻器带来的电压或电流变化，实现电路中所需电压或电流的设计目的。

对于特殊用途电阻器，举个例子：压敏电阻器（PTC,NTC），热敏电阻器、光敏电阻器等等，它们的电阻值变化机制以及应用场景相对比较明确，我们能做的是：严格按照器件规格资料中参数和应用条件，进行选择和电路设计。

然而普通电阻器正是因为其电阻特性的相对稳定，反而有更多样的应用设计，如下列举了其中一小部分简单的电阻器应用：

1. 保持信号状态稳定：上/下拉应用；

2. 限制线路电流大小：限流应用；

3. 调整线路信号质量（例如：匹配特征阻抗）：线路匹配应用；

4. 电源电路中监测功耗：电流监测应用。

1，上拉/下拉应用

上拉/下拉：是将不确定的信号通过一个电阻器钳位在高/低电平，电阻器同时起限流作用；上/下拉电阻器的基本原理是：提供被上下拉的电路一定的电流驱动能力。

1. 上拉是对电路注入电流，即拉电流；

2. 下拉是对电路输出电流，即灌电流。

电阻器的上拉/下拉应用非常广泛，在不同硬件电路设计中，其作用也有所不同：

1. 保证器件输入管脚状态的稳定：

1, 边沿触发的输入管脚，如果器件内部没有内置上/下拉电阻，需外接上/下拉电阻器，使维持管脚不被误触发；

——例如中断、复位等可能为边沿触发的重要信号，必须保证其在工作期间的状态稳定。

2, 有些应用场合不希望出现高阻状态，可以通过上拉/下拉电阻器的方式使处于稳定状态；

——一些器件在上/下电瞬间的输出不受控（高阻），为保证输入器件管脚的稳定，外接上/下拉保证其正确状态；例如输入MOS管G极的信号，如果是高阻状态，则G极电荷积聚可能导致MOS管误导通。

3, 确保端口常态时有确定电平，例如：检测低电平的输入管脚，接上拉电阻器，使其常态就为高电平（适用一般设计原则）；

——端口上/下拉的默认状态是否为管脚触发状态，取决于其应用需求，例如：单板上某个器件的启动有特定要求，初始默认要一直处于复位状态（假设低电平复位），那么其复位信号需下拉。

4, 解决总线驱动能力不足：上拉电阻提升管脚输出拉电流，下拉电阻提升管脚输出灌电流大小；

——例如，有些单片机的高电平驱动能力不足（一般器件管脚的低电平驱动电流大于高电平驱动电流），需要增加上拉电阻。

5, 悬空输入管脚比较容易受外界的电磁干扰（天线）， 外部上/下拉可以提高总线的抗电磁干扰能力（关于电磁干扰相关的知识，后续《电磁兼容性基础》专题中分享）。

2. 用于输出/输出信号电平的转换或匹配：

1, 电平匹配：输出、输入信号不同电平之间的转换；

——1，TTL电平输出驱动CMOS电平管脚，由于高电平电压判断不同，需要上拉电阻器用于提升驱动电压；2，不同差分电平（LVPEC,HSTL等）的共模电压有差别，采用AC耦合后再输入端电阻上/下拉分压得到满足输入共模电压要求的电平。

2, 用于传输线终端匹配（例：戴维南匹配），具体原理后续“信号完整性”专题讲解。

3. 用于对CMOS结构器件输入管脚的保护：

1, 保护CMOS结构输入管脚内的保护二极管，防止保护二极管过流损坏；

——有些器件输入管脚内置保护二极管，防止输入信号电压超出管脚允许电压范围后破坏输入管脚内部结构，上下拉电阻有一定的分流能力，利于信号电平的稳定。

2, COMS结构输入管脚中不用的管脚不能悬空，一般接上/下拉电阻降低输入阻抗，提供泄荷通道，防止静电造成损坏。

——由于CMOS结构管脚的输入阻抗非常大，积聚在管脚上的电荷不容易泄放，容易损坏输入管脚。

4. 上拉电阻为OD/OC门提供驱动电流：

1, 根据IIC总线协议，上拉电阻的取值和I2C总线的频率及负载电容有关，电阻的大小对时序有一定影响，对信号的上升时间和下降时间也有影响；

2, 电阻计算公式：Rmin＝{Vdd(min)-0.4V}/3mA；Rmax = (T/0.874) *C。

2，上下拉电阻取值原则

在不同硬件电路设计应用中，对上拉/下拉电阻阻值的选择有不同考虑，整体来说有如下三个方面原则：

1. 从节约功耗及芯片的灌电流能力考虑：电阻值应当足够大；

——电阻大，电流小，损耗小。

2. 从确保足够的驱动电流考虑应：电阻值当足够小；

——电阻小，电流大，驱动能力大。

3. 过大的上拉电阻阻值，可能会使边沿变平缓（例如OD/OC门，靠上拉提供驱动电流）。

综合考虑以上三点原则，一般在数字电路的上/下拉电阻设计中选取：1k到10k之间。但电阻器的参数不能一概而定，要看电路其他参数而定：

举个例子：对于驱动TTL集成电路：上拉电阻的阻值要用1~10K之间；对于CMOS集成电路：上拉电阻阻值就可以选择相对较大（小于100K）。

3，限流应用

限流在某种意义上来说也是上/下拉应用中的一种，但是限流设计的目的更加偏重于对电路中电流的限制：电阻器在电路中限制电流的流过，电阻值越大电流越小。

——从欧姆定律I=U/R可知，当电压U一定时，流过电阻器的电流I与其阻值R成反比。

1. LED点灯电路：电阻器用于限制发光二极管的电流，控制发光量；

——LED通常最大电流在20mA~25mA左右，压降为2V左右，根据亮度需求，电流范围一般在5mA~15mA之间；但是不同应用场景（板内和对外接口，室内和室外等）的LED亮度要求不同，具体场景具体分析。

2. 三极管/MOS管电路，电阻用于控制三极管/MOS管所处的工作状态。

——根据三极管放大倍数，计算IBE电流和ICE电流关系，让三极管工作在预想工作区域：放大区或饱和区；在数字电路中MOS管一般当作理想开关（除缓启动等特殊应用），使其工作于可变电阻区。

3. 按键、开关电路：串接电阻器用于限制电容器短路瞬间时的大电流冲击，避免电容器损坏和产生过冲脉冲；

——不止是按键/开关电路，类似有电容器电压瞬间接地的应用，都要考虑串接限流电阻，例如在位信号。

4. ESD防护电路：人容易触碰到的板内器件，可插拔连接器（单端信号线），面板接口（复位按键，指示灯等）等，这些位置更容易由接触而引入ESD，导致器件损坏，串接大电阻（百欧姆级别）用于ESD防护；

——对外通信/业务/调试接口或者重要的板内芯片调测试接口，使用专用TVS管来防护；另外，使用大电阻串接防护会对信号质量（边沿）有影响，高速信号需谨慎使用。

5. 开关电源脉冲尖峰吸收电路（RCD）：MOS管开关瞬间存在电压尖峰，RCD电路用来吸收漏感能量，减缓电压尖峰。

——变压器原边电感存在漏感（Lk），MOS管关断瞬间漏感电流不能突变，导致MOS管D极电压产生尖峰，可能损坏MOS管。

4，0Ω电阻器应用

当年第一次看到0Ω电阻器，就突然懵逼了一下，觉得这是啥玩意？0Ω就是没有电阻值，那我要用这货有何用？事实证明了我当年的浅薄，因为后来有一段时间我用的最顺手的就是0Ω电阻器，而现在回过头来看，又证明了我那段时间的硬件设计水平的确不高。所以对于0Ω电阻器，我们的目标是：会用而又不滥用。有个问题是：在高速差分信号（大于1GHz）设计中，串接0ohm电阻器和100nF电容器（都是0402封装），大家觉得哪个对信号质量的影响更小呢？

1. 模拟地与数字地单点接地：如果将模拟地和数字地大面积直接相连，会导致数模之间的互相干扰；单点接地有很多种方式：阻、容、感（包括磁珠），单过孔，金属化机械孔等等，它们有不同的优缺点，根据实际需求进行设计；

——只要是地，最终都要接到一起后参考大地（大地是0电势等势体，无论在地球的哪个位置，其电势都为0）；所以如果有地不接在一起会变成“浮地”，相互之间就存在压差，从而容易积累电荷产生静电（通过变压器的隔离地）。我们看到有些设备没要求接大地，但电网系统最终还是会接入大地，所以单板的电源最终还是会返回大地（单板内部电源也可能通过变压器回流了）。那地球为什么是等势体呢？其实地球的地壳并非良好的导体，我们脚下的大地同“漂亮国”大地之间的阻抗并非是0Ω。不过同学们可以将“大地”想象成大海，将“电流回流”想象成江水；并思考下：我们江河里的水流入大海后，我们这边和太平洋另一端的海平面就会明显不一样了么？

1, 磁珠连接：带阻限波器，抑制某一频段（高频段）的噪声，预先评估噪声频点，并选择合适磁珠；

2, 电容连接：隔直通交流，没有直流通路，会累计电荷造成浮地；

3, 电感连接：抑制低频段噪声干扰；

4, 0Ω连接：相当于很窄的电流通路（类似单点接地），能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制。

2. 为调试方便或电路兼容设计需求；

——在硬件设计过程中总会碰到一些不明确的设计需求，或者无法确定实际电路效果，所以需要设计0Ω电阻提供一个试错后的调整机会。

1, 作跳线使用；例如：IIC控制器二选一电路；

2, 匹配电路中参数不确定，用0Ω替代，调试后再替换；

3, PCB布线时走线困难，用0Ω跳过；

4, 方便调测试；

——利用0Ω电阻器建立方便调试的硬件通道，在正式版本中取消；利用0Ω电阻可以接电流表，方便电流测试；

5, 用于电流回路平面不连续时的跨接：当分割电源/地平面后造成信号最短回流路径的断裂，在分割区上跨接0Ω电阻器（不同电位平面之间使用nF级别电容），可以提供更短的回流路径；

6, 替代跳线座/拨码开关：使用选焊确定不同单板/应用场景的不同配置，避免拨码开关/跳线帽的失效风险。

5，其它应用

1. 降压应用：电流经过电阻器时必然会产生电压降，电阻值越大，电压降越大（U=I*R）；

1, 放大器的负载电阻：应用了电阻器的降压作用（如下图左）；

——三极管并不能放大能量，而是通过放大Ic电流（Ic = Ib*β）大小而产生不同的压降，实现达到信号放大的目的，所以电阻器在三极管放大电路中是降压作用。

2, 电阻器R1和R2构成一个分压器：经过这两个电阻的电流I相等，所以R1上压降为U，R2上压降为U，分压比为R1/R2（如下图中）；

——电阻分压电路非常常用，例如开关/LDO电源电源电压检测反馈电路；电源电压监控电路（分压到特定值），电平匹配电路等等，选择合适的分压电阻精度和阻值是关键。

3, RC滤波网络：一种特殊的分压器（如下图右）。

——RC整流滤波电路中R与C2可理解为分压器：输出电压Uo取自C2上的压降；C2的直流容抗无限大，交流容抗随信号频率的增加而减小，因而C2上直流压降很大，而交流压降很小，达到低频滤波目的。

2. 电源电流监测应用：采用精密大功率电阻（例如：金属箔电阻器）串接在电源电路上，缓启动芯片监测电阻两端电压，从而监控电源功率；

——首先需选择监测电阻阻值小（mΩ级别）、精度高、功率大（几W），所以一般薄膜和厚膜电阻器并不适用；其次电阻焊盘上不同位置的电流分布不同，与采样电阻的布局布线关系很大，监测点选择电阻焊盘中心比较合适。

3. 提供负载电路：一些开关电源/LDO有最小工作负载的要求，此时在电源输出端增加并接电阻，用于提升电源模块工作的稳定性；

4. 传输线阻抗匹配应用：传输线阻抗匹配电阻是一种非常普遍的应用；一般分为：源端串联匹配和终端并联匹配两种，示意图如下所示。

二，电阻器的失效

电阻器的失效有各种不同原因，同时也有多种不同的失效表现；我们首先需要区分清楚的是：电阻器器件本身失效与电路失效是两个不同的概念。例如，上拉电阻由1KΩ（1%精度）变成10KΩ，对于电阻器本身来说已失效，但对于所应用的电路来说则不一定失效。下面我们将讨论电阻器器件本身失效机制。

——失效模式：各种失效的现象及其表现的形式；失效机理：导致失效的物理、化学、热力学或其它过程。

1. 开路（主要失效）：主要失效机理为电阻膜烧毁或大面积脱落（电应力），基体断裂、引线帽与电阻体脱落（机械应力）；

2. 阻值漂移超规范（次要失效）：电阻膜有缺陷或退化，基体有可动钠离子，保护涂层不良；

3. 引线断裂：电阻体焊接工艺缺陷，焊点污染，引线机械应力损伤；

4. 短路：银的迁移，电晕放电。

那电阻器详细失效机理是什么呢？我们可通过了解其失效机理，从而提升硬件电路的可靠性设计：

1. 导电材料的结构变化；

1, 电荷高温老化：电负荷在任何情况下都会加速电阻器的老化进程，电阻体与引线帽接触部分的温升超过了电阻体的平均温升（电荷老化比温升老化影响更大），通常温度每升高10℃，寿命缩短一半；

——如果过负荷使电阻器温升超过额定负荷时温升50℃，则电阻器的寿命仅为正常情况下寿命的1/32。

2, 直流负荷：电解作用：直流负荷作用下，电解作用导致电阻器老化；在潮热环境下，电解过程更为剧烈。

——电解发生在刻槽电阻器槽内，电阻基体所含的碱金属离子在槽间电场中位移，产生离子电流：如果电阻膜是碳膜或金属膜，主要是电解氧化；如果电阻膜是金属氧化膜，则主要是电解还原。对于高阻薄膜电阻器，电解作用的后果可使阻值增大，沿槽螺旋的一侧可能出现薄膜破坏现象。

2. 硫化：在含硫环境中，贴片电阻阻值变大甚至变成开路。

3. 气体吸附与解吸；

1, 膜式电阻器的电阻膜，在晶粒边界或导电颗粒和黏结剂部分可能吸附非常少量的气体，构成了晶粒之间的中间层，阻碍了导电颗粒之间的接触，从而明显影响阻值；

——由于气体吸附与解吸发生在电阻体的表面，所以对膜式电阻器的影响较为显著，阻值变化可达1%~2%。

2, 温度和气压是影响气体吸附与解吸的主要环境因素，对于物理吸附：降温可增加平衡吸附量，升温则反之。

4. 氧化：氧化是长期起作用的因素（与吸附不同），氧化过程是由电阻体表面开始，逐步向内部深入；除了贵金属与合金薄膜电阻外，其他材料的电阻体均会受到空气中氧的影响，氧化的结果是阻值增大。

——防止氧化的根本措施是密封（金属、陶瓷、玻璃等无机材料），采用有机材料（塑料、树脂等）涂覆或灌封，不能完全防止保护层透湿或透气，虽能起到延缓氧化或吸附气体的作用，但也会带来与有机保护层有关新的老化因素。

5. 有机保护层的影响：有机保护层形成过程中，放出缩聚作用的挥发物或溶剂蒸气，热处理过程使部分挥发物扩散到电阻体中，引起阻值上升；其显著影响阻值的时间约为设备加工（热处理）后的2~8个月。

6. 机械损伤：电阻的可靠性在很大程度上取决于电阻器的机械性能。

——电阻体、引线帽和引出线等均应具有足够的机械强度，基体缺陷、引线帽损坏或引线断裂均可导致电阻器失效。