硬件设计2---什么是电阻？

时间：2018.1.24   作者：Tom   工作：HWE 说明：如需转载，请注明出处。

1. 什么是电阻？

    百度百科中介绍"电阻（Resistance，通常用"R"表示），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，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种特性。电阻将会导致电子流通量的变化，电阻越小，电子流通量越大，反之亦然。"

 电阻对于硬件工程师来说是一个非常重要的元件，对电阻的熟练应用也是属于重要的基本功之一。说实话不是单独搜了下百度百科，我都忘了电阻的定义了，但是我首先想到的用水管举例，水管的开口大小比作电阻，水流比作电流，水管开口越小（电阻越大），水流越小（电流越小）。水管的举例在三极管章节会有一个经典的举例，后面再看！

 如果说芯片是电路的骨架，那么电阻就是芯片之间起连接作用的关节。电阻的阻值、布放位置等，对设计的成功起着至关重要的作用！！

抛开一些简单理论，下面主要讨论一些实用的东西。

1. 贴片电阻的分类及封装

 电阻只是统称，一般我们在研发时候会直接具体到数值及封装，比如我需要33Ω 0402的电阻。

 电阻一般能见到的不是贴片式的就是插针式，你如果非要说滑动变阻器，那我也无法反驳。这里我们主要讨论一些贴片电阻，因为在研发过程中是最常见的。

 贴片电阻：是将金属粉和玻璃铀粉混合，采用丝网印刷发印在基板上制成的电阻器。这个看起来像画PCB一样。

 贴片电阻的特点：体积小、重量轻、电性能稳定、可靠性高、装配成本低、机械强度高、高频特性优越、适用回流焊与波峰焊（回流焊是因为气体在焊机内循环流动产生高温达到焊接目的。波峰焊是让插件板的焊接面直接与高温液态锡接触达到焊接目的。这两个焊你必须要知道的！！）。

 题外话：现在生产电阻的工艺越来越成熟，单个电阻价格很低，但这个是走量的，目前生产电阻电容的厂家确实很赚钱的，因为消耗比较大，一般公司采购量都是十万级或者百万级。

 贴片电阻分为常规类系列厚膜电阻、高精度高稳定性贴片电阻、常规系列薄膜贴片电阻等等，这个分类说多了也没什么意思，我们需要知道我们一般情况下用的都是薄膜贴片电阻，除非特殊情况下才会使用其他的。

 电阻的封装才是我们需要关注的。为什么这么说呢？有时候别人会问0204封装的电阻长宽多大？有时候你自己都会好奇，0402封装的电阻功率多大，通流量是多少？封装的大小关系到PCB布局布线，通流量大小关系到我们是设计！！

 需要明确的是，我们所说0402,0603封装都是英制的，单位是mil，1mil/40=0.025mm，mil除以40可以转换成mm单位，这个必须要记住。在网上搜索了一下，看下封装与尺寸的关系：

 一般情况下，我们使用最大到1206封装，再大的封装使用的就少了，其实随着产品集成化程度越来越高，设计时候倾向选择小电阻，比如0402封装的。需要注意的是尽量不要使用0201封装的电阻，千万不要自寻死路。上述图片的下面三行字很重要，可以直观计算大致的长宽！！！（封装除以4！这个和上述单位转换不同，这个可以当做是经验公式。）

    封装与功率关系如下表所示：

 计算公式大家必须要熟练应用计算通流，P=UI = U^2/R。这在后面应用中会再次讲到。

 对于电阻的标注规则，这里不再细说，说实话不用万用表测量，我就是看出来了我也不敢用（手动尴尬）。下面贴出来，或许以后会有用：

1. 电阻的应用

   直接进入主题：

• 应用一：分压

   有耐心的可以看下知乎中提问的"电阻为什么会分压？"，哈哈。（https://www.zhihu.com/question/64669081/answer/223553370）

   这个比较经典的举例就是DC/DC或者LDO电路。比如MP2315数据手册中推荐的电路如下图所示：

 R1和R2是分压电阻，而且对于所有的DC/DC和LDO输出反馈端的分压电阻必须是精度1%的。（科普：在电源芯片输出管脚上一般选择分压电阻的精度很高，电阻的精度直接决定了输出电压的精度，如5%的电阻输出电压波动范围为10%，1%精度的电阻输出电压波动范围达到2%，因此选择精度高的；这个可以计算一下大致差不多的误差。）这个参考电压与输出的关系在DC/DC或者LDO章节再详细讨论。

 在这张图中还有一个分压电阻应用就是R6和R7的应用。图中R7是空贴的，对于EN管脚，以前不理解为什么标注是空贴，非常需要注意一下，因为我在这个地方吃过亏。因为EN必须大于1.6V，在电路移植的时候，一定要注意输入电压分压之后与EN阈值的关系以便及时调整R7电阻，切记！！！

 电阻分压在芯片管脚做逻辑阈值或者上下电时应用还是比较多的。其他例子也类似，关键点在于一定要搞清管脚的阈值（门限电压范围），这种错误属于低级错误，在设计时一定要多确认几遍。

• 应用二：限流/分流

 需要说明的是限流和分流是不同的概念，说是不同，但其实应用原理差不多，都是U/R的灵活应用。但不管限流还是分流目前我碰到的情况也是不多的。先给出两种吧，等以后遇到了，再补充。

 左图的原理比较简单就不说了。右图中R1称为分流电阻，电流中的一部分流过电阻R1，三极管流过的电流有所减少，而输出端的总电流并没有减小，R1起到保护三极管的作用。

 其实限流的目的应用最广泛的就是保护器件的工作安全。暂时讲这么多，以后遇到再补充。

• 应用三：阻抗匹配

 阻抗匹配：严格来讲，当高速电路中，信号再传输介质上的传输时间大于信号上升沿或者下降沿的1/4时，该传输介质就需要阻抗匹配。

• 源端阻抗：一般传输线的阻抗为50Ω左右，而TTL电路输出电阻大概为13Ω左右，在源端串联一个33Ω的电阻，13+33=46Ω大致和50Ω相当，这样就可以抑制从终端反射回来的信号再次反射。

  需要说明的是，匹配电阻不一定都是33欧，从几Ω到几十Ω都有，具体试情况而定。而确定匹配电阻具体数字是并不是理论给出的，最让人信服也是最能说的通的就是根据实际情况就行尝试和整改的。但不管怎样一般都加载驱动器端。接收端也可以做匹配，例如采用电阻并联，但在数字系统一般比较少用，因为比较麻烦，而且很多时候是一发多收，如DDR的地址总线，不如源端匹配易做。在网上看到了33欧姆电阻在电路中常见的作用，贴在下面：

 

• 终端阻抗：若信号接收端的输入阻抗很大，可以并接一个51Ω的电阻，电阻另一端接参考地，以抑制信号终端反射。信号接收端接串阻，那只能是终端输入阻抗小于50Ω。但IC设计时，考虑到接收能量，不会将接收端的输入阻抗设计的小。这也是为什么驱动器端加串阻，而接收端一般不加串阻的原因，终端开路的情况下反射系数为1。

但有时终端会加上匹配电阻，比如：LVDS的终端匹配电阻100欧姆。DDR的差分时钟终端匹配电阻100欧姆等等

 

• 阻抗匹配电阻在接口防护范围还有一个重要作用就是防止ESD。

比如USB等

• 应用四：全带宽滤波（吸收毛刺）

 在一些芯片的电源管脚，采用LC滤波，有时会在L之后串联一个几欧姆的电阻，电阻起到全频段滤波的作用，还有一个作用就是降低电路的品质因数Q，Q定义为回路发生谐振时，储存能量与一周期内消耗能量之比。Q=（LC）^1/2/R。

1）在储能电路中，Q值越大意味着损耗小，虑除其他频带信号的能力越强，希望Q越大越好；

2）在电源或信号线路中，Q越大，通频带内特性曲线越陡峭，越容易引发振铃，信号越容易失真。希望Q越小越好；

 其实在实际应用中，利用电阻进行全带宽滤波的应用非常多。其次串接电阻也可解决针对信号的上升沿下降沿产生的过冲、抖动等，比如音频的I2S信号中，串接33欧姆出现上冲，更换为50欧姆明显上冲小了很多！！

• 应用六：RC电路

RC电路的是电阻和电容一起使用的。

直接给出RC电路的全响应计算公式：

• 应用七：上下拉

  上下拉在电路设计中是一个非常重要的作用，一般来说基本上所有中等及以上电路中绝对会有上下拉电阻的应用！！！

（参考：http://www.cnblogs.com/emouse/archive/2012/03/19/2406888.html    http://www.360doc.com/content/17/0514/22/42387867_653878627.shtml）

>>>首先需要明白的是：什么是上下拉？？？

 在嵌入式接口的相关应用中经常提到上拉电阻与下拉电阻，顾名思义，上拉电阻就是把端口连接到电源的电阻，下拉电阻就是把端口连接到地的电阻。虽然电路形式非常简单，然而上拉电阻与下拉电阻在很多场合却扮演着非常重要的作用。

>>>那问题来了，为什么上拉就能产生高电平，下拉就能产生低电平呢？？？

 一般情况下，我们所说的上下拉主要应用在芯片端口，像三极管、MOS管对应着芯片接口的TTL电平与CMOS电平。

我们来看下一个简单的GPIO结构图：

    我们知道GPIO的输出一般有两种：推挽输出和开漏输出（具体在下一章节讲述），推挽输出可配置输出为高或者低，开漏输出可配置为低或者高阻。而输入根据上图可配置高、低或者不定状态（不定状态实际上是存在的）。除了开漏输出，其他配置我们可以将GPIO等效为下图：

一般来说GPIO的等效为弱上下拉，有时你在数据手册中会告诉你比如100KΩ。上图可以解释上拉可以将拉高电平。通过红色电阻将上拉电阻接入，此时10K电阻与1K并联，小于1K，而下面的电阻是10K，1K与10K串联，很显然端口输出是高电平！

>>简单的说，上拉电阻的主要作用在于提高输出信号的驱动能力、确定输入信号的电平（防止干扰）等，具体的表现为：

• 当TTL电路驱动COMS电路时，如果TTL电路输出的高电平低于COMS电路的最低高电平（一般为3.5V）， 这时就需要在TTL的输出端接上拉电阻，以提高输出高电平的值。
• OC门电路必须加上拉电阻，以提高输出的高电平值。
• 为加大输出引脚的驱动能力，有的单片机管脚上也常使用上拉电阻。
• 在COMS芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的管脚不能悬空，一般接上拉电阻产生降低输入阻抗，提供泄荷通路。
• 芯片的管脚加上拉电阻来提高输出电平，从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力。
• 提高总线的抗电磁干扰能力。管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。
• 长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加上下拉电阻是电阻匹配，有效的抑制反射波干扰。

>>>上拉电阻阻值的选择原则包括:

1）从节约功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；电阻大，电流小。

2）从确保足够的驱动电流考虑应当足够小；电阻小，电流大。

3）对于高速电路，过大的上拉电阻可能边沿变平缓。

综合考虑以上三点，通常在1K到10K之间选取。对下拉电阻也有类似道理。

上拉电阻实际上是集电极输出的负载电阻。下拉电阻同理。一般来说上下拉在信号接收端配置。

 

• 0欧姆电阻的11个作用

最后需要说一下0欧姆电阻的作用，不管是参考电路，还是设计电路，你会经常看到0Ω电阻的，那么为什么要设计这么一个电阻呢？

 零欧姆电阻又称为跨接电阻器，是一种特殊用途的电阻，0欧姆电阻的并非真正的阻值为零（那是超导体干的事情），正因为有阻值，也就和常规贴片电阻一样有误差精度这个指标。

1）留个后手。万一设计疏忽，可以跳线。不然整板报废岂不尴尬！！

2）用于选择功能模块电路。如果某段线路不用，直接不贴该电阻即可（不影响外观）

3）可调的匹配电阻。在匹配电路参数不确定的时候，以0欧姆代替，实际调试的时候，确定参数，再以具体数值的元件代替。

4）功耗测量。想测某部分电路的耗电流的时候，可以去掉0ohm电阻，接上电流表，这样方便测耗电流。

5）在高频信号下，充当电感或电容。（与外部电路特性有关）电感用，主要是解决EMC问题。如地与地，电源和IC Pin间

6）单点接地（指保护接地、工作接地、直流接地在设备上相互分开，各自成为独立系统。）

7）拟地和数字地单点接地。把数模地分开，只是工程师为了解决干扰的一种手段。用0欧姆电阻的方便之处就是它很容易拆卸，拆卸下来可以换其他的器件代替以观察最终的效果进行对比，而导线不能拆卸。

网上搜了一堆对不同地搭接的解释，说的都有道理：

 只要是地，最终都要接到一起，然后入大地。如果不接在一起就是"浮地"，存在压差，容易积累电荷，造成静电。地是参考0电位，所有电压都是参考地得出的，地的标准要一致，故各种地应短接在一起。人们认为大地能够吸收所有电荷，始终维持稳定，是最终的地参考点。虽然有些板子没有接大地，但发电厂是接大地的，板子上的电源最终还是会返回发电厂入地。如果把模拟地和数字地大面积直接相连，会导致互相干扰。数字地会有高频地噪声，地隔离隔离的是高频噪声，同时保证地电平。连接应该用若干0欧姆电阻：不短接又不妥，理由如上有四种方法解决此问题：

(1)用磁珠连接；磁珠的等效电路相当于带阻限波器，只对某个频点的噪声有显著抑制作用，使用时需要预先估计噪点频率，以便选用适当型号。对于频率不确定或无法预知的情况，磁珠不合。低频接近0欧电阻，高频则会出现阻抗。

(2)用电容连接；电容隔直通交，造成浮地。

(3)用电感连接；电感体积大，杂散参数多，不稳定。据说会有危险，可能打坏低压器件。不推荐。

(4)两个肖特基二极管背对背连接，保护电源插拔等造成的地平面见直流电压。

(5)用0欧姆电阻连接。0欧电阻相当于很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用(0欧电阻也有阻抗)，这点比磁珠强。

 其实EMC很关键一点就是环流路径最小化，如果进行地分割，就要非常注意，一旦信号线跨越地分割线，环流路径必然增大，EMC性能变差。而采用统一地的电路板，事先必须对布局做足考虑，对电路模块进行物理分区（不分割），保证模块都有自己的回路，就不会影响其他模块，同时因为地没有分割，保证了地的完整性。直接用0欧电阻的做法比较常见但并不规范。模拟部分对噪声不敏感可以这么干。
8）熔丝作用。

9）跨接时用于电流回路。当分割电地平面后，造成信号最短回流路径断裂，此时，信号回路不得不绕道，形成很大的环路面积，电场和磁场的影响就变强了，容易干扰/被干扰。在分割区上跨接0欧电阻，可以提供较短的回流路径，减小干扰。

10）配置电路。一般，产品上不要出现跳线和拨码开关。有时用户会乱动设置，易引起误会，为了减少维护费用，应用0欧电阻代替跳线等焊或者空贴在板子上。但在高频时空置跳线在高频时相当于天线，用贴片电阻效果好。

11）测试电路使用。比如电路中电压输入端，串接一个磁珠，如果不需要磁珠，或者磁珠不好怎么办？用相同封装的0欧姆（或者其他阻值）代替，封装一样，贴片可兼容。还有就是不同尺寸0欧电阻允许通过电流不同，一般0603的1A，0805的2A，所以不同电流会选用不同尺寸的还有就是为磁珠、电感等预留位置时，得根据磁珠、电感的大小还做封装，所以0603、0805等不同尺寸的都有了。

12）调试电路使用。很简单，说一个例子：假如你的产品比较复杂或者你的电源开关比较复杂，驱动调试或者自检时候太麻烦装整机，或者开关老是失效影响调试开发进度怎么办呢？预留一个0欧姆对地电阻，可以完全脱离开关结构的困扰，比如：

 这种方法在电源模块电路中经常遇到。虽然预留0欧姆空贴并不是最好的方法，可以更改为跳线帽或者拨码开关，但这种做法的成本是最低的，占用空间也小，缺点就是要手动焊接。

1. 其他的一点说明：

• 对于电阻的应用有四个关注点：电阻的阻值、电阻的封装、电阻的额定功率、电阻的精度；
• 对于阻值，可根据电路的要求计算得到，有时候计算得到的阻值属于不经常用的阻值，从节省成本的角度考虑，建议采用常用阻值的电阻通过串联或者并联的方式构成该电阻，因不常用的器件价格越高；
• 在功耗高的路径上，如果串联了电阻，应针对额定功率的选型，需要注意至少降额20%使用，如电阻的额定电流和实际工作电流比较接近会有风险，比如USB串阻，以前使用共模扼流圈，阻抗比较低，经常挂掉，现在使用10欧姆串阻，不会挂掉；
• 电阻用于设定器件的工作参数时，应选择高精度电阻；
• 磁珠的电阻一般只有零点几欧姆。