lymex/bg2vo - 用Vishay 金封金属箔DIY 10k标准电阻（转载）

天使的魔翼

用Vishay 金封金属箔DIY 10k标准电阻

lymex 于2012-10-09发表于38HOT论坛

一、为什么要用金封金属箔做核心元素？

    传统的标准电阻都是用线绕的，具有温度系数好、稳定性佳、负载能力强、几乎没有电压系数的特点。

    但是，线绕标准电阻也存在选好材不易、制作工艺复杂等弱点，传统的锰铜标准电阻温度系数太大只能恒温使用，而好的空气标准电阻价格又非常昂贵。

    随着技术的进步，出现了性能更好的金属箔电阻，尤其是金封金属箔，在主要性能指标上均超过相应的线绕电阻，成为制作标准电阻的热选材料。金封金属箔从温度系数上，不亚于最好的线绕，而且温度曲线平直，即beta系数很小，比Evanohm还小，因此可以通过补偿得到很低温度系数的标准电阻。

    金封金属箔从长期稳定性上看，目前有几款都能达到6年2ppm之内，比现有的线绕标准电阻好很多，这是标准电阻最重要的参数。另外，金封金属箔也是金属导电，因此同样具有几乎没有电压系数的优势。金属箔还有一个优势，就是电感非常小，做成的标准电阻可以用在交流上。

目前对金属箔的弱项评价或批评有如下几个：

    1、耐受过载能力差。金封金属箔的体积小，有效导体质量就更小，造成负载能力差。例如晶振封装的那种金封额定功率只有0.3W。不过，对于10k的标电阻，0.3W意味着55V的电压，这在一般精密测试中很难超过的。10k标准电阻的标准测试电压是10V。另外，也可以通过串联并联来提高功率，当然要增加成本。

    2、同样也是有效导体小的原因，加上胶粘，会让人怀疑长期稳定性，例如过了100年、10000年，那么小的导电体能否仍然保持不变？况且，Vishay自己的测试也表明，这种电阻随时间的推移，其老化速度有加速的趋势（线绕电阻正好相反，时间越久则老化越慢）。同样，小体积的电阻体耐受粒子辐射能力就比粗壮的线绕电阻差得多。当然，微观上看金属箔电阻已经不小了，现代的集成电路和微电子器件，哪一个不具有更微小的体积？

    3、阻值范围不是很宽。金属箔的生产外非一般是10欧到100k，而且两边的阻值效果不太好，最好的阻值在1k到10之间。当然，1欧的可以通过并联方式取得，1M也可以串联得到。也许做10k最好的方法是类似720A里面那样，用4个2.5k的串联。但单个的2.5k就不好用了。

    4、来源受限。金封金属箔也就是那么几个厂家生产，高技术的东西，价格不便宜，不如线绕电阻那样来源广、大众化、容易取材。

    从历史上看，很多厂家的10标准电阻都是以金封线绕为主力，例如Fluke 742A、Advantest、IET SR-X。但这种金封线绕生产成本高，而且由于需求变得越来越小，生产设备的利用率非常低，形成恶性循环。

    新型的商品标准电阻，已经采用金封金属箔了，例如：
    1、AE的ASR和USR，具有非常好的性能

    2、英国的Transmille的3000RS标准电阻，用了Vishay的VHP100，温度系数0.1pm

    以下图片/文字，来自Transmille自己的网站

    总之，用金封金属箔制作10k标准电阻，具有取材容易、制作方便、性能超群的特点，成为未来的趋势。

二、选择何种金封金属箔最好？

    从品牌上看，选择Vishay的为好。其它的例如AE的，其实也在Vishay旗下，TDK的也没见有新的产品，法国的几个品牌逐渐消亡，美国另有1、2家也产品很少。

    Vishay的金封金属箔，从温度系数上看，以前分常规的和VHP100两类，前者<5ppm/C，后者更小一些。
    新型号的分成常规的和Z后缀的，分别具有<5ppm/C和<2ppm/C的温度系数。要注意的是，Z后缀的（零温度系数）典型指标0.05ppm/C或者0.2ppm/C，是极难达到的，绝大部分的温度系数在0.6ppm/C附近。

    Vishay的金封金属箔，从长期稳定性上看，最早是5ppm每年，后来出了高稳的，达到2ppm/6年，相当于每年0.5ppm，这是做标准电阻比较理想的。事实上，即便是常规的5ppm/a，实际表现也非常好。

    零温度系数和高稳结合起来，可以选择的型号，目前是VHP202Z、VHP203，还有VHA412Z等。这些电阻都没有二手可循，也没有现货，只能向厂家定做。一般来讲，定做9998欧、0.1%的比较合适，差2欧到10k是因为方便串联补偿，而0.1%的要比.01%的便宜不少，温度和老化性能是完全一样的。

    以前定过0.1%的，实际测试绝大多数都在0.01%之内。以前也定过9999.5欧的，结果发现阻值太接近10k了，没有留出足够的串联补偿电阻的空间。

    类似，如果想做100欧、1k、100k，可以直接采用订做偏小一些的阻值的，以利于补偿。但要做10欧的还是要偏大一些，做并联补偿为好。1欧和1M的没有现成的，只能定10个高并联、串联。

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用Vishay 金封金属箔DIY 10k标准电阻（续）

三、具体结构和方法？

    1、采用4只9k998电阻进行混联，有统计效果，可以良好配合，同时取得较大的耐压和功率储备余量。10k附近基本上是金属箔的最佳阻值。也可以选4个2.5k附近的串联，但那样的话单个2.5k就不太好用了。

    2、多次定做的经验表明，Vishay的高稳电阻均具备-0.6ppm/C附近的温度系数，这样可以用铜电阻（温度系数4200ppm/C）来补偿，2欧可以补偿-0.84ppm/C，因此主电阻是9998欧的，串联电阻仅占0.02%，其稳定性的影响可以忽略。如果定9999欧的，那么1欧铜阻只能补偿-0.42ppm/C。

    3、对于以前定做的阻值正好为10k的，经过串联补偿后，总阻值就大于10k了，因此需要采用较高的电阻（RH1、RH2）进行并联。并联在单个电阻上（而不是并联在整体上）的原因，就是在相同功效下所需要的阻值要低一些。对于9998欧的，这两个电阻需要去掉。

    4、1.2欧铜阻，具体阻值需要测试确定，留有补偿余量，即要过补偿一些。

    5、10欧电阻，其实就是调整补偿量的，具体阻值要经过测试确定。不建议通过减少1.2欧铜阻的长度来进行，那样破坏了铜阻的整体完整性。

    6、1欧就是串联阻值补偿，具体阻值要经过测试确定，让电阻正好达到10k。

四、如何调节温度系数？

    主电阻的温度系数是负的，理论上可以串联一段小阻值的铜阻（漆包线），实现完全补偿。计算公式：

主电阻×a + 铜电阻×4200 = 0

    其中a为主电阻的温度系数，ppm/C。

    1、实际补偿之前，要先对主电阻的温度系数进行精确测试，最好是装到板上后进行。

    2、然后用上述公式计算，看到底需要多大阻值的铜阻。一般需要1欧附近。

    3、制作补偿电阻，我是采用0.11mm的漆包线，每米电阻实测2.4欧。截取比计算值长一些的漆包线做成铜阻（我喜欢用大红袍电阻，阻值>1k欧即可，无需弄断）。

    4、串联后，再次测试温度系数，此时再次测试温度系数，应该是过补偿了，温度系数为正。

    5、再次计算需要并联的电阻值，寻找相近的电阻并联上去，再次测试。

    6、如果不满意，则继续调整这个并联电阻，直到满意。

    以前我曾经通过改变铜阻漆包线的长度来达到调节的目的，但这样就涉及铜阻内部反复焊接，不好。因此才改用改变并联电阻的方式。

    那么，这个补偿电阻的引入，是否会影响长期稳定性呢？一般不会。这电阻的阻值只有不到2欧，占200ppm，即便改变了0.5%，整体影响也只有1ppm。实际上，漆包线的电阻随时间的变化是很小的，不会大于0.1%，可以放心使用。同样，铜阻并联的电阻权重不到30ppm，影响更小，只要采用优质金属膜电阻即可。


五、如何补偿阻值？

    补偿阻值的目的：就是让最后的成品阻值尽量接近10k。如果没有条件，有一些偏差也问题不大，毕竟标准电阻注重的是老化特性还有温度系数，偏差是次要的。

    补偿阻值：一定要在补偿温度系数后进行，否则在补偿温度系数的时候会改变阻值。同样，补偿阻值的时候也不应改变整体的温度系数。

    补偿的原则：串联小阻值，并联大阻值。串联电阻假如为主电阻的1/1000，那么弱化就达到1000倍。同样，并联1000倍以上的电阻也会让弱化系数大于1000，就对主电阻的影响很小了。

    补偿的办法：首先要精确测试未补偿电阻，看缺多少（一般阻值大约1欧左右）。然后找出一段合适的电阻丝（可以从老的10欧线绕电阻上拆出，看总长有多少），裁出少有余量的部分，按照类似铜阻的方式做好电阻，串联上即可。如果测试后稍有偏高，可以缩短电阻丝，也可以在这个电阻上继续并联电阻。同样，由于串联电阻不大，权重很小，同时采用线绕，因此其温度系数的影响、老化的影响，都可以忽略。

    也许有人会问，既然调节很麻烦，为什么不采用可调电阻？的确，有的标准电阻内部采用了可调电阻，但可调电阻具有温度系数大、老化大，尤其是电刷的接触电阻具有不确定性，因此高标准的地方还是应该避免使用。下图是IET SRX-10k标准电阻的内部调整部分，用了可调电阻：

    这个SR-X是10ppm的，用了可调还情有可原。更好的电阻就不应该用可调的了，例如Fluke 742A尽管最好的为4ppm/年，但说明书里明确说明，里面没有任何可调器件。

六、考核

    10k电阻DIY完毕后，必须进行考核，才能确定温度系数。而只有进行产期考核，才能确定长期稳定性。

    只有根据考核结果，才能决定电阻的好坏，才能分级。而有了考核结果，即便不太理想，也可以利用得到的温度系数，在不同的温度下进行修正，而达到手工补偿温度系数的目的，取得不错的结果。同样，长期考核后能够得到老化规律，这样就可以利用外推法进行预测，得知未来该电阻的阻值。

    考核的方法，一般要有一个高位表、一个更好的标准电阻、一个4×2的开关和一个采集卡。采集卡一般带有温度传感器，把这个传感器引出，放到电阻的内芯附近，通过认为或自然改变温度，与标准电阻（假设不随温度变化，或者已知温度系数可以排除）对比测试，就可以得到被考核电阻的温度系数。

    当然，要考核电阻的长期稳定性绝非仪事，需要持续（或断续）测试很长的时间，才能得到结果。越好的电阻，老化越小，就越需要长期的测试，才能有所分辨。

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用Vishay金封金属箔DIY 10k标准电阻（续1）


七、制作实例（一）

         这个DIY是近4年前做的，主料用了4只VHP101，双壳，桥结构，F4板。

    当时制作时，还没有利用铜阻补偿，而是通过挑选电阻进行温度系数抵消：

      经过最近的测试，Alpha温度系数不大于0.1ppm/C，Beta系数更是小于0.01ppm/C2

而从阻值上也可以看出，3年多改变不超过1ppm，是比较成功的DIY-10k。

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用Vishay金封金属箔DIY 10k标准电阻（续2）

八、制作实例（二）

        利用4只VHP202Z 9k9995制作10k。

        首先，这批电阻定的是0.01%的，有点浪费。另一方面，由于到手后才发现温度系数一律为负，大约-0.6pm/C，比声称的+-0.05ppm/C典型值大了很多，因此需要较大的补偿铜阻，而只比标称值小0.5欧的余量就不够了，所以必须采用高阻并联发进行阻值补偿。

        主要材料：铝壳（内壳，暂无外壳）、F4板、202Z×4、0.11mm漆包线0.5米，18k红袍电阻（做骨架用），另有3只CMF55-20M电阻未在照片上。

        初步测试温度系数

        然后计算所需补偿电阻：

补偿铜阻制作：

安装完毕

冷热箱测试温度系数，结果，仍然有-0.42ppm/K，显然补偿不足，这大概是4个202Z的先前的分别测试有偏差。

再次去掉补偿电阻，直接测试4个202Z的表现，发现补偿前温度系数达到了-0.79ppm/K

因此，重新制作补偿电阻，加大到2.4欧，此时好多了，而且温度系数为正，达到了过补偿的目的。

再次计算一下，在2.4欧补偿电阻上并联一个25欧，减少了补偿量，重新测试，温度系数非常小了，不到0.01ppm/K

至此，温度补偿完成。0.01ppm/K已经优于最好的标准电阻，SR104的指标是<0.1ppm/K

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用Vishay金封金属箔DIY 10k标准电阻（续3）

目前的板子的状况：

        温度系数用24.9欧微调，阻值微调用2M，均采用焊接方法，但不加热主电阻，是在两个高阻之间进行。目前与我的SR104对比是+1.2ppm，算上SR104的+2.3ppm，应该下调3.3ppm，需要在2M电阻上再并联一个电阻。

        装入内壳准备测试。上面空间较大，下面空间小一些，加了另一片F4板。

        再次进行较大变温范围的测试（17度到36度）

        结果，α温度系数为-0.05ppm/K，比较小了，尤其是β温度系数达到0.0025pm/K，小于最好的SR104的1/10，曲线很平，便于精确补偿。
        同时，阻值为9999.99欧，也非常接近标称值。至此，此10k标准电阻DIY告一段落。

九、总结与参考资料

        A、核心电阻要选得好，这是做好标准电阻的关键。Vishay金封尽管温度系数不算理想，但beta系数小，曲线直，给补偿提供了方便。另外，长期稳定性如果如数据表所说的那样，那就远比目前的Fluke 742A之类的标准电阻要好。

        B、补偿元件，不能影响整体。经过弱化系数计算，补偿铜阻只有1/5000的权重，这样才能只补偿温度系数，而不改变长期稳定性。同时，并联电阻要大于15M，并且只能并联在单个电阻上，这样权重才会小于1/10000，即便1%的变化也才引起1ppm的整体变化。

        C、其它辅助手段也不可缺少，例如F4基板可以保证漏电可以忽略，内壳则保证均温和屏蔽效果。

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大猫8627

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