有没有办法将电阻器平均在一起以获得更严格的整体电阻容差?

电器工程 电阻器 反抗 精确 宽容
2022-01-24 19:24:27

我有一个非常敏感的 kHz 频率级别的应用,我需要两个相同电阻的匹配电阻器,其电阻优于 0.05%。可能是一个数量级(0.005%)。

我基本上需要将两个电阻器匹配在一起以形成差分电桥以测量特定电阻器。50 kHz 180 度信号 → 75 欧姆 → 电阻器 ← 75 欧姆 ← 50 kHz 0 度信号

这是示意图:

我需要 75 欧姆来匹配,因此 10 欧姆电阻上的信号在幅度上是对称的。

我可以购买两个 75 欧姆 0.05% 电阻器,但是,为了获得比这更低的容差,有没有办法制作一个使用整个 0.05% 电阻器的电路,然后将它们平均在一起以获得更好的性能?

4个回答

不。

因为平均一堆电阻值的概念只有在您可以确定它们的值中的误差是随机的并且具有零均值分布的情况下才有效。

通常,这两种情况都不是。首先,因为电阻器已经在工厂选择了它们的值。其次,因为无法保证当天出厂的产品不会偏向某个方向或另一个方向。所以有一天你可能会得到很多价值正确的电阻器,接下来它们可能都是\$75\Omega + 0.025\%\$,之后的第二天它们可能都是\$75\Omega - 0.025\%\ $

您需要设计要修整的电路,或者您需要为超精密电阻器付费。(请注意——即使是 0.05% 也变得异常精确,您将开始看到热和机械问题造成的各种混杂影响。降至 0.005% 会使事情变得更糟)。

您可以购买相对于容差具有出色匹配特性的电阻网络。然而,75 ohms 相当低。

Vishay 具有出色的 75 欧姆大块金属箔电阻器,具有 0.01% 的容差和(同样重要的)+/-2ppm/°C 漂移。

如果您正在寻找半桥,您可以使用一些额外的电阻器轻松调整中点,这些电阻器可以是便宜的 0.1% 部件和金属陶瓷微调器。例如:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

然而,2ppm/°C 的漂移将保持不变。如果靠近,两个相同的电阻器应该可以很好地跟踪。

您还必须注意如此高频率和精度的电感,75 \$\Omega\$的 0.005% 仅为 3.75m \$\Omega\$在 50kHz 时,代表大约 12nH,大约 10 或 15mm 的直导线。在这种情况下,普通的线绕电阻器几乎没用。在 50kHz 时,铜的穿透力约为 0.3 毫米,因此电线的电阻也比直流时更大。

坦率地说,当需要精度时,对交流电压进行分压的优选解决方案是使用比率变压器您可以获得 ppb 的稳定性,至少比电阻器好几个数量级。

一个 0.05% 的电阻器保证不会超过其标称值的容差。

例如,当您将四个电阻串联和并联以获得相同的值时,没有什么可以阻止它们全部变高或变低,因此这不会减少最坏情况下的偏差。

但是,如果您采用多组四个电阻器,那么总偏差的分布预计会比单个电阻器更紧密。问题是您对许多集合的统计数据不感兴趣,您只对摆在您面前的一组感兴趣。

购买紧容差电阻器的好处是,与 1% 电阻器相比,您通常会获得更严格的温度系数(电阻温度系数)和更好的长期稳定性。制造商意识到,如果随着时间和温度的变化,它不能保持这种状态,那么销售紧公差电阻是没有意义的。这使您可以手动将它们修剪到非常接近的平衡,并有合理的希望它们将保持平衡。

使用 75 Ω 电阻器,您可以通过将它们与 1 MΩ 量级的电阻器并联来获得 0.01% 的调整。这些微调电阻不必是高容差或温度系数。有一些方法可以使用本身具有低分辨率的 DMM 来测量电阻器的平衡,例如替换惠斯通电桥。

使用 Stackpole RNCF 系列电阻器,您可以以每个电阻器约 1 美元至 2 美元的价格一路降低至 0.01%。

如果您需要获得绝对电阻值,那么平均大量电阻器将不起作用。如果你只需要达到一个比率,那么是的,在一个网格中平均很多电阻理论上可以提高容差。

但是 75 欧姆的 0.005% 是 3.75 毫欧。

问题是,即使你能得到一个 0.005% 的电阻,电路板上的走线也会产生超过 3.75 毫欧的误差。电路板上的标准 1 盎司铜的电阻为每平方 0.5 毫欧。因此,10 mil 宽 x 100 mil 长的走线将为您的电路贡献 5 mΩ 的铜电阻。所有的走线、布线、焊点和通孔一起可能会贡献更多。

即使您通过仔细布局考虑了走线电阻;铜具有非常高的温度系数(例如每摄氏度 0.393%),因此电阻值会随温度漂移很多。此外,一旦您通过 75 欧姆电阻器运行电流,它的值也会随着温度而漂移(但不会像铜一样多)。

此外,PWB 上铜的厚度也有很大的公差。

基本上,您唯一的选择是使用接近 75 欧姆的电阻器(如 73.2),然后使用小型微调电位器(如 5 欧姆)。确保使用多圈微调电位器,以便进行微调。

要实际使用电位器进行调整,您可能需要在板上添加一些测试点,以便进行精确的电阻测量。测试点的位置至关重要,因为该值会根据测量经过的迹线数量而变化。

其次,由于板铜、微调电位器和实际电阻都会随温度而漂移;您可能需要将电路板保持在受控温度环境中。通常这是通过将电路封闭在带有加热元件的盒子中来调节温度来完成的。当电路板处于正确的调节温度时,需要进行微调测量和电位器调整。