印制线路板问题(3)

问：在“应用工程师问答”中，经常提到集成电路的非理想行为。对于使用类似电阻器这

样的简单元件应该轻松一点儿，请你解释一下接近理想元件的情况。答：我只是希望电阻

器是一种理想元件，但电阻器引线端的不长的小圆柱作用恰恰类似一种纯电阻。实际电阻

器还包含虚部电阻分量——即电抗分量。大多数电阻器都具有与其电阻并联的小电容(典

型值 1～3 pF)。虽然有些薄膜电阻器，在其电阻性薄膜中进行螺旋槽式切割，多半是

电感性的，其感抗为几十或几百纳亨(nH)，见图13.7。当然，线绕电阻一般是电感性的

而不是电容性的(至少在低频情况下是这样)。线绕电阻器毕竟是由线圈构成的，所以线

绕电阻器具有几微亨(μH)或几十微亨的电感这是很平常的，甚至所谓“无电感”线绕

电阻(其中有一半匝数线圈按顺时针方向缠，另一半线圈按照逆时针方向缠，以便使两半

线圈产生的电感互相抵消)也有1μH或更大的剩余电感。对于大约在10kΩ以上的高阻值

线绕电阻，剩余电阻多半是电容性的而不是电感性的，而且其电容量高达10pF，高于标准

薄膜或合成型电阻器的电容量。当设计含有电阻器的高频电路时一定要认真地考虑这种电

抗。

问：但你所介绍的许多电路都是用于直流或频率很低的精密测量，杂散电感和杂散电容在

这种应用中没有关系，对吗?

答：对。由于晶体管(不论是分立的晶体管还是集成电路内部的晶体管)都有很宽的频带

宽度，所以当这种电路末端是电抗性负载时，在几百或几千兆赫频带内有时可能出现振

荡。与振荡有关系的偏移和整流作用对低频精度和稳定性都会有坏的影响。

更糟的是，这种振荡在示波器上可能看不到，这或者是由于示波器带宽与这种被测的高频

振荡带宽相比太低，或者由于示波器的探头的电容量足够停止这种振荡。最好的方法是采

用宽频带(低频至1.5 GHz以上)频谱分析仪来检验系统有没有寄生振荡。当输入在整个动

态范围变化时，应该做这种检查，因为寄生振荡有时出现在输入频带很窄的范围内。问：

对于电阻器的电阻还有些什么问题吗?

答：电阻器的电阻不是固定的，而是随温度变化的。温度系数(TC)从几个ppm /°C(每摄

氏度百万分之一)变化到几千个ppm/°C。最稳定的电阻器是线绕电阻器或金属膜电阻

器，最差的电阻是合成碳膜电阻器。

大的温度系数有时很有用(以前的“应用工程师问答”中曾提到如何利用+ 3500 pp m/

°C电阻器来补偿结二极管特性方程中的kT/q)。但一般说来电阻随温度变化可能成为精

密电路中的一项误差源。

如果电路的精度取决于具有不同温度系数的两个电阻器的匹配，那么在一个温度条件下不

论匹配得多么好，在另一个温度条件下都不会匹配。即使两个电阻器的温度系数匹配，也

不能保证它们保持在相同的温度。由内部功耗产生的自热或从系统某一热源传导的外部热

量都会造成温度的失配，从而产生电阻。即使是高质量的线绕电阻器或金属膜电阻器受温

度影响产生的失配误差也有几百个(或者甚至几千个)ppm／℃。显而易见的解决方法是使

用的两个电阻器在制造时使它们都非常靠近同一个基体，这样不论什么时候都能很好地达

到系统精度匹配要求。这种基体可以是精密模拟集成电路的硅片，或者玻璃片或者金属薄

膜。无论是哪种基体，这两个电阻器在制造期间都匹配得好，具有匹配优良的温度系数，

而且处于几乎相同的温度(因为它们非常靠近)。

问：在对数电路设计中，常使用AD538实时模拟计算单元(ACU)，其中需要“kT/q补偿电阻”。请解释一下?

答：AD538的接线方法如图13.8所示，V BE 是硅二极管PN结两端间的电压， 等于 (kT/q)ln(I/I REF )，其中I为PN结二极管的电流， I REF 为反向饱和电流， k/q为玻 尔兹曼常数与一个电子电荷电量之比(约为1/11605 K/V)，T为开氏绝对温度。虽然使用 相似的等温结对来消除反向饱和电流受温度的影响，但是温度电压当量kT/q仍 与温度有 关。为消除应用中这种温度依赖性，必须在增益与PN结的绝对温度成反比的电路中采用对 数电压。在20°C附近的合适温度范围内，在上述电路中选用1 kΩ增益电阻，可得到大 约3 400 ppm/°C的正温度系数