随着工艺进步,把绝对不确定度转变成相对不确定度,成本往往会有数量级的降低,或者指标有数量级的改善。
还有个长期稳定度和一致性问题。只要长稳和一致性好,飘的能软件补。一致性好一批只用测一个,不好就要每个测温度曲线,成本升高。
在现代的电子学设备中,金属膜电阻网络正在取代传统的线绕电阻和金属箔电阻,成为各种基准设备中设置电阻比例的主要方案,如电压基准的升压电阻、万用表的输入分压电阻、输入增益电阻、电容积分电阻阵列等等。诚然,金属膜电阻的温漂和老化特性并不及金属箔电阻,跟Fluke公司为代表的低温漂线绕电阻也有不小差距,没办法用作电阻基准。但是,金属膜电阻可以制作成温漂极为一致的电阻阵列,而金属箔电阻和线绕电阻的一致性并不好,必须依赖大量测试和筛选才能解决。Fluke公司就是这方面的专家,在早期的732A和732B电压基准中都使用筛选过的金封线绕电阻来制作升压电阻,并长期以此为卖点。然而,在最近的732C电压基准中,这种电阻阵列已经换成了金属膜电阻网络,如下图所示。显然,即使是Fluke公司这种高傲的专家,也忍受不了筛选低温漂电阻的工作了。
为了验证这个推测,这里对两只低温漂电阻阵列进行了指标测试。第一只电阻应该是来源于Fluke公司的八位半万用表,其外形和阻值如下图所示。从阻值的分布上看,这明显是用于电容积分电路的电阻阵列,在多斜率积分过程中控制充放电速率的比例,对电阻的相对变化极为敏感。
这些电阻的温漂测试结果如下图所示。测试表明,所有电阻都呈现出直线型的温漂曲线。不同曲线的噪声幅度有很大差异,这主要跟我用的Agilent 34401六位半万用表有关。根据我的观察,这只万用表在高阻量程时噪声较大,此外当待测电阻不在满量程位置时噪声也要高一点。比如说,在10kΩ量程下,8kΩ~12kΩ的待测电阻有较小的测量噪声,17kΩ或6kΩ电阻的测量噪声就有点大。这不影响我们对1.6MΩ电阻以外的测试,所以后面不再提及这一问题。
把上面的测试数据整理一下,可以得到下面的数据表格。可以看出,这些电阻的温漂系数都在2~4ppm/℃范围内,算是一致性比较好的结果。此外,这些电阻的阻值越高,则温漂系数越大。我不认为这是测试系统导致的,可能是金属膜电阻自身的特性。
另一个可供测试的电阻来源于Advantest R6581T八位半万用表,也是万用表的电容积分电阻阵列。该万用表有一部分流出的电路图,从电路图中可以看出,这个标注为RF9209的电阻很机智的避开了高阻电阻,而是先对参考电压分压,再用电阻控制充放电电流。
对该电阻的测试结果如下图所示。从测试结果中可以看出,这些金属膜电阻也具有直线型的温漂曲线,但在阻值较小时,温漂曲线会有一点弯曲。该电阻的温漂系数在-8ppm/℃左右,比上面的Fluke电阻网络要差,但电阻间温漂的一致性仍然是不错的。
整理一下上图中的数据,可以得到下面的表格。可以看出,这个电阻阵列的前半部分电阻温漂都在-8ppm/℃左右,后面3只电阻中,有2只在-6ppm/℃左右,最后1只约为-7ppm/℃。这几次测试是不同日期进行的,可能是万用表自身变化导致的,但也不排除电阻本身的设计原因。
总体来说,金属膜电阻可以制作温度一致性较高的电阻阵列,不考虑阻值超过500kΩ的情况时,温漂一致性应该可以控制到1ppm/℃以内。这个指标至少不差于金属箔电阻或线绕电阻。考虑到金属膜电阻不需要测试配对的成本优势,以及能制作成复杂电阻阵列的特点,可以说金属膜电阻是电阻比例基准的更好方案。
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