Преимущества применения наборов резисторов над дискретными резисторами в микропроцессорной технике

При проектировании и изготовлении цифровой и микропроцессорной техники (см. рис. 1) ее контакты всегда находятся либо в состоянии логического 0, либо в состоянии логической 1. В некоторых случаях необходимо изменить состояние с 0 на 1 или с 1 на 0. В любом случае следует удерживать цифровой контакт либо в 0 и затем изменить состояние на 1, либо удерживать его на 1, а затем изменить на 0. Так или иначе, цифровой вывод должен быть либо «высоким», либо «низким», но его нельзя оставлять плавающим.

Пример цифрового входа – схемы Pull-Up и Pull-Dow

Рис. 1 – Пример цифрового входа – схемы Pull-Up и Pull-Down

Поскольку цифровая схема работает при слабом токе, подключение логических контактов непосредственно к напряжению питания или заземлению является неприемлемым вариантом. В силу того, что прямое соединение в конечном итоге увеличивает ток, как и короткое замыкание, может повредиться чувствительная логическая схема. Чтобы контролировать ток, требуются резисторы с понижением или повышением напряжения. Подтягивающий к питанию (pull-up) резистор позволяет контролировать ток от источника напряжения питания к цифровым входным контактам, а подтягивающие к земле (pull-down) резисторы эффективно управляют током от цифровых контактов к земле. В то же время оба резистора, понижающий и повышающий, поддерживают цифровое состояние низкого или высокого логического уровня, соответственно.

Резисторы Pull-up и Pull-down применяются для разных схем логического уровня во встроенном оборудовании, однопроводной системе протоколов, периферийных соединениях и прочих микроконтроллерных и микропроцессорных устройствах.

Поскольку у цифровых и микропроцессорных устройств количество входов/выходов соответствует разрядности 2N, где N – целое число, применяется большое количество подтягивающих и понижающих резисторов. В данном случае технически и экономически обосновано применение наборов резисторов, а не дискретных резисторов.

Наборы резисторов обладают рядом преимуществ над дискретными резисторами. К ним относятся:

  • экономия площади печатной платы;
  • близкое распределение температурных коэффициентов (ТКС) сопротивления резисторов в наборе;
  • близкое распределение допускаемого отклонения сопротивления резисторов в наборе;
  • повышение надежности;
  • снижение расходов на монтаж;
  • уменьшение числа компонентов в схеме;
  • уменьшение числа паяных соединений;
  • увеличение производительности производства.

Распределение ТКС чип-резисторов

Рис. 2 – Распределение ТКС чип-резисторов

Наборы резисторов широко применяются в телекоммуникационном оборудовании, бытовых и промышленных электроприборах. Они оптимальны в случае необходимости экономии места на печатной плате. Наборы резисторов позволяют минимизировать габариты устройств, уменьшить стоимость и количество элементов, а экономия занимаемого места на плате достигает 33%.

Распределение ТКС резисторов в наборе

Рис. 3 – Распределение ТКС резисторов в наборе

Температурный коэффициент сопротивления показывает, насколько близко сопротивление одного резистора «следует» за сопротивлением других резисторов в сборке в заданном диапазоне температур. Как видно из рисунков 2–3, типичное распределение ТКС для наборов резисторов составляет всего ±25 ppm/°C, в отличие от дискретных чип-резисторов, у которых этот показатель равен ±200 ppm/°C. Таким образом, значения сопротивления соседних резисторов в сборке под воздействием температуры изменяются крайне мало по отношению к друг другу, что хорошо сказывается на функционировании схемы в целом.

Распределение допускаемого отклонения сопротивления чип-резисторов

Рис. 4 – Распределение допускаемого отклонения сопротивления чип-резисторов

На рисунках 4–5 представлены распределения допускаемого отклонения сопротивления чип-резисторов и резисторов в наборе. Как видно из рисунков 4–5, типичное распределение допускаемого отклонения резисторов в наборе резисторов составляет ±2%, для дискретных чип-резисторов оно равно ±5%. В отличие от дискретных чипов в резисторных сборках, разброс параметров минимален благодаря общей подложке, а также тому, что все резисторы сборки изготавливаются в едином технологическом процессе.

Распределения допускаемого отклонения сопротивления резисторов в наборе

Рис. 5 – Распределения допускаемого отклонения сопротивления резисторов в наборе

Одно из преимуществ наборов резисторов над дискретными резисторами – меньшее число компонентов в схеме. За счет этого удается сократить площадь печатной платы, а также уменьшить количество паяных соединений. В результате снижаются не только расходы на монтаж, но и габариты устройства.

Распределение температуры в наборе резисторов

Рис. 6 – Распределение температуры в наборе резисторов

Еще одним преимуществом наборов резисторов является распределение тепла по всему корпусу (см. рис. 6). Рассмотрим случай, когда чаще всего работает один канал цифрового контроллера, а три остальных включаются периодически; схема реализована через понижающие резисторы. При использовании отдельно установленных резисторов один из них всегда перегружен, что, в свою очередь, негативно отражается на надежности всей системы. При использовании набора резисторов нагрев распределяется равномерно по всей сборке.

Изолированные резисторы в наборе

Рис. 7 – Изолированные резисторы в наборе

Очевидное преимущество, которое обеспечивают наборы резисторов, состоит в интеграции нескольких резисторов в одну часть. Это снижает общее количество компонентов и мест размещения, уменьшает размер, вес конструкции и повышает надежность. Влияние сокращения количества мест размещения может быть значительным. На самом деле, для наборов резисторов небольшого размера затраты на размещение намного превышают стоимость самого компонента, если учитывать общую стоимость использования каждого компонента. Даже несмотря на то, что цена набора резисторов 4х0603 превышает стоимость четырех дискретных чип-резисторов 0603, общая стоимость решения с массивами ниже, чем дискретного решения, с учетом затрат на размещение четырех дискретных компонентов по сравнению с одним массивом.

Резисторы с общим выводом в наборе

Рис. 8 – Резисторы с общим выводом в наборе

Существуют разные электрические схемы соединения резисторов в наборе – они представлены на рисунках 7–9.

Электрическая схема «двойной терминатор»

Рис. 9 – Электрическая схема «двойной терминатор»

Массив подтягивающих к питанию или к земле резисторов от цифровых входов можно монтировать как с изолированной электрической схемой, так и с общим выводом.

Например, при использовании электрической схемы «двойной терминатор» с сопротивлениями R1 = 220 Ом и R2 = 330 Ом получим:

При изменении направления напряжения получим:

V1вых№2 ± 2% в диапазоне 2,94–3,06 В, R11вых№2 ± 2% в диапазоне 1,96–2,04 В.

Электрическая схема резисторов в наборе «двойной терминатор» применяется для подключения линий передачи данных TTL, а также в качестве пар завершающих согласованных резисторов в высокоскоростном протоколе ECL (эмиттерно-связанная логика). Типовое применение показано на рисунке 10.

Типовое применение наборов резисторов в высокоскоростном протоколе ECL
Рис. 10. Типовое применение наборов резисторов в высокоскоростном протоколе ECL

На российском рынке электронных компонентов представлены наборы резисторов, которые изготавливаются в разных конструктивных исполнениях.

Наборы резисторов разделяют по типу монтажа на поверхностный (SMD) и навесной. В свою очередь, наборы резисторов для поверхностного монтажа подразделяются на безвыводные и выводные. В таблице представлены отечественные предприятия–производители, которые выпускают наборы резисторов, а также их основные технические характеристики.

Компания Продукция Импортные аналоги Номинальная мощность рассеяния, Вт Диапазон номинальных сопротивлений, Ом Допустимое отклонение сопротивления, % ТКС ×10–6, 1/°С
АО «Ресурс» НР1-2Р CAT-16 от Bourns 0,062 10–1×106 ±1; ±2; ±5 ±200
НР1-3Р CAY-16 от Bourns
НР1-4Р CAT-25 от Bourns 0,0625 ±5
НР1-79 4600Х от Bourns 0,75–1,38 10–51 ±5 ±100; ±250
51–1×106 ±1; ±2; ±5
1×106–150×106 ±2; ±5; ±10
НР1-80 4800Р от Bourns 0,08 10–49 ±5; ±10
49–1×106 ±1; ±2; ±5
0,16 1×106–15×106 ±2; ±5; ±10
15×106–150×106 ±10
АО «НИИЭМП» НР1-19 4600Х* от Bourns 0,05 22–1000 ±0,5 ±50; ±100; ±250
0,125 10–107 ±1; ±2
10–3,3×106 ±5; ±10
НР1-20 0,125 10–106 ±1; ±2 ±100; ±250
±5; ±10
НР1-7Б 0,5–1 10–3,3×106 ±2; ±5 ±250; ±500
±10
ОАО «Алагирский завод сопротивлений» НР1-19-3М 4600Х* от Bourns 0,125 10–3,3×106 ±2; ±5 ±100; ±250
НР1-20 0,25 10–1×106 ±1; ±2
±5; ±10

* В отличие от импортных аналогов, шаг между выводами в наборе резисторов равен 2,50 мм, а не 2,54 мм.