電阻的作用

上一篇文章介紹了電阻，這一篇文章就具體寫寫電阻可以用來做什么。

1、限流

2、分壓

3、電流測(cè)量

4、阻抗匹配

5、功率消耗

6、特殊功能

1、限流

電阻和二極管串聯(lián)，一端接到直流電源上，一端接到驅(qū)動(dòng)信號(hào)上。

電阻與二極管一起承受壓降，將實(shí)際電流限制在二極管的額定電流之內(nèi)。

發(fā)光二極管和限流電阻串聯(lián)

如下圖所示，某型號(hào)發(fā)光二極管的最大允許電流為20mA，如果將二極管直接接在3.3V電源和控制信號(hào)之間，按照二極管的datasheet所展示的曲線，在3.3V時(shí)，發(fā)光二極管的電流將超過20mA。

為了避免過流引起損壞，在二極管和控制信號(hào)之間串聯(lián)一個(gè)1k電阻，可以保證通過發(fā)光二極管的電流不會(huì)超過3mA。

發(fā)光二極管的電壓-電流特性是非線性的，無法直接計(jì)算出最為合適的串接電阻，只能通過圖像繪制的方式，通過datasheet給出的特性曲線大致估算出結(jié)果。也可以通過實(shí)際更換電阻阻值的方式實(shí)驗(yàn)出最合適的電流值和亮度。

發(fā)光二極管的電壓-電流曲線

電阻的限流，除了應(yīng)用于發(fā)光二極管，還包括：光耦的驅(qū)動(dòng)端二極管限流、DAC輸出的短路限流保護(hù)、芯片引腳上下拉限流、三極管基級(jí)限流、電容充電限流等等。

2、分壓

電壓采集電路的核心是ADC（模擬量-數(shù)字量轉(zhuǎn)換器），但ADC的量程一般都很小，在0-3.3V或類似的量級(jí)，而常見的電壓采集對(duì)象也包括12V、24V、220VAC這種級(jí)別的電壓，因此就需要通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將電壓等比例縮小。

-10V~+10V轉(zhuǎn)換到0~3.3V電壓的轉(zhuǎn)換電路

上圖的電路就是一個(gè)ADC的前級(jí)調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)了-10V~+10V轉(zhuǎn)換到0~3.3V電壓的轉(zhuǎn)換。

470歐、6.2k、3.3k的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，完成了從-10V~+10V到-3.3V~+3.3V的轉(zhuǎn)換，分壓網(wǎng)絡(luò)后面接了一個(gè)電壓跟隨器；

跟隨器的輸出再跟3.3V參考電壓作為運(yùn)放加法器的輸入，加法器的輸出即完成了整個(gè)轉(zhuǎn)換過程。

使用電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分壓，需要注意后級(jí)的輸入阻抗，如果后級(jí)的輸入阻抗較小，會(huì)跟分壓網(wǎng)絡(luò)一起影響實(shí)際的分壓效果，因此使用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)一定要在后級(jí)加上運(yùn)放，利用運(yùn)放輸入阻抗極大的特性，實(shí)現(xiàn)精確的分壓效果。

除了運(yùn)放前級(jí)的分壓，還有一個(gè)常見的電阻分壓是電源芯片的反饋電阻。如下圖所示。

電源芯片輸出的電壓經(jīng)過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)反饋到內(nèi)部，通過監(jiān)測(cè)反饋電壓調(diào)節(jié)輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，以及輸出電壓在不同負(fù)載下的電壓保持。帶有電源反饋引腳的電源芯片，都是設(shè)計(jì)成由用戶自行配置電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，這樣用戶就可以通過調(diào)整輸出電壓與反饋電壓的比例，實(shí)現(xiàn)不同輸出電壓的設(shè)置。

3、電流測(cè)量

在需要測(cè)量電流的場(chǎng)合，比如電機(jī)的相電流測(cè)量或者4-20mA電流信號(hào)的測(cè)量，一般不會(huì)使用高中物理中所用測(cè)量電磁線圈磁場(chǎng)的方法，或者使用霍爾電流傳感器測(cè)量電流的方法，而是在需要測(cè)量的電流線路中串聯(lián)一個(gè)極小的電阻，通過測(cè)量電阻上的電壓，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電流。

應(yīng)用于電流測(cè)量時(shí)，電阻的阻值需要很精確，可以選擇千分之一的精度的電阻，對(duì)于大電流的場(chǎng)合，阻值也需要很小，避免電流過大引起較大的溫升和阻值變化。

4、阻抗匹配

阻抗匹配是高中物理不再涉及的概念了，沒有學(xué)習(xí)過信號(hào)完整性的同學(xué)一般都不太了解，但信號(hào)完整性對(duì)于硬件設(shè)計(jì)相當(dāng)重要，可以算是從入門到進(jìn)階的重要課程。

信號(hào)完整性的意思是信號(hào)傳遞過程中，如何保證信號(hào)能夠正確的傳遞，不會(huì)發(fā)生畸變，或產(chǎn)生干擾。在高中物理范疇中，所有的電壓、電流，都是隨著開關(guān)的開合和瞬間建立起來的，而信號(hào)完整性，就是將理想的、穩(wěn)態(tài)的假設(shè)，恢復(fù)成真實(shí)的物理模型。

信號(hào)的傳輸并不是理想和瞬態(tài)的，當(dāng)一個(gè)信號(hào)從發(fā)射端產(chǎn)生后，信號(hào)電壓的變化從發(fā)射端沿著傳輸線的分布電阻和電感逐漸（以光速。。。）傳遞到接收端，而接收端會(huì)反射信號(hào)，發(fā)送端接收到一次反射信號(hào)又會(huì)產(chǎn)生二次發(fā)射信號(hào)。。。在n次發(fā)射、反射、再次發(fā)射之后，疊加在接收端的信號(hào)，就成為了接收端接收到的上升沿或下降沿波形。

而特性阻抗，就直接關(guān)系到發(fā)射和反射的系數(shù)，因此，如果特性阻抗保持一致，接收端的疊加波形就非常“完美”，如果特性阻抗在傳輸線上發(fā)生了變化，接收端的疊加波形就會(huì)產(chǎn)生超調(diào)或震蕩。

阻抗匹配，就意味著將發(fā)射端、傳輸線、接收端的阻抗調(diào)整成相同的阻抗。如果特性阻抗不一致，就會(huì)發(fā)生信號(hào)畸變，如果特性阻抗一直保持一致，發(fā)射端發(fā)送的一個(gè)上升沿或下降沿，就能夠“完美的”傳輸?shù)浇邮斩恕?/p>

注意，阻抗匹配要求的是特性阻抗匹配，特性阻抗不是直流阻抗，特性阻抗指的是變化的電壓相對(duì)于變化的電流的比值，可以理解成電壓和電流的微分。對(duì)于PCB的傳輸線而言，線寬、參考地、換層、層間距、線間距、板材介電常數(shù)等參數(shù)都會(huì)影響特性阻抗，對(duì)于普通的線纜，線徑、線材、絕緣厚度、絕緣介電常數(shù)、線束間距、屏蔽層距離、屏蔽層密度厚度等參數(shù)會(huì)影響特性阻抗。傳輸線每一處的參數(shù)相同，就能做到傳輸線的特性阻抗不變化。特性阻抗經(jīng)常設(shè)置為50歐姆，但不同的應(yīng)用場(chǎng)合可能會(huì)有所變化。至于特性阻抗如何推導(dǎo)出線寬、線距、層間距等參數(shù)，就需要另外討論了。

那電阻怎么能用于阻抗匹配呢？

在常見的電路信號(hào)模型中，阻抗并不是匹配的，發(fā)送端是高驅(qū)動(dòng)能力、低輸出阻抗的，而接收端是驅(qū)動(dòng)負(fù)載小、高輸入阻抗的，不管傳輸線怎么設(shè)置，都是是阻抗不匹配的信號(hào)傳輸。

在信號(hào)線短、信號(hào)沿降緩慢時(shí)，多次發(fā)射和反射信號(hào)的會(huì)同時(shí)疊加在一起，這樣即使阻抗不匹配，接收端接收到的電壓波形也比較好，但當(dāng)信號(hào)線長一些的時(shí)候，反射的波形不會(huì)在與一次波形同時(shí)疊加在接收端上，而是會(huì)延遲一段時(shí)間到達(dá)接收端，這時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)明顯的信號(hào)異常，表現(xiàn)出來就是超調(diào)、震蕩等問題。為了避免這個(gè)問題，一般會(huì)在信號(hào)的發(fā)射端串接一個(gè)電阻，這個(gè)電阻就起到了匹配阻抗的作用。

原理上，這個(gè)電阻減小了反射回來的信號(hào)的再次發(fā)射，使得接收端的信號(hào)變成了單次的發(fā)射和接收，從而避免了接收端信號(hào)的震蕩。

阻抗匹配應(yīng)用的前提有3個(gè)，1是傳輸線長，2是信號(hào)沿降快，3源端、傳輸線、接收端阻抗都不匹配，那具體是什么呢？

一般而言，芯片的工藝決定了其信號(hào)的沿降速度，TTL工藝的信號(hào)，沿降可能在1us級(jí)別，CMOS工藝的信號(hào)，沿降可能在1-10ns級(jí)別。

假設(shè)某芯片發(fā)射一個(gè)單端信號(hào)，傳輸線長度為10cm，則單程傳輸需要0.1m/光速=0.3ns，假設(shè)芯片的沿降時(shí)間為1ns，也就意味著芯片輸出的信號(hào)在沿降穩(wěn)定前，接收端能接收到1次、2次的波形的疊加，一般而言，能夠接收到2次或3次波形，其疊加已經(jīng)很接近發(fā)射的波形了，因此接收端波形的畸變就較小。因此，當(dāng)傳輸線的長度較短，短到單程耗時(shí)約為沿降時(shí)間的1/6左右，就可以認(rèn)為信號(hào)不存在畸變了。

估算一下傳輸線長度和傳輸時(shí)間，估算一下沿降時(shí)間，傳輸時(shí)間小于沿降時(shí)間的1/6，就可以認(rèn)為不需要阻抗匹配，如果不滿足，就需要根據(jù)發(fā)射端和接收端的阻抗情況，進(jìn)行源端匹配或末端匹配。

可以通過串接電阻的方式進(jìn)行阻抗匹配，還可以通過并聯(lián)、上拉、下拉等其它方式進(jìn)行阻抗匹配，具體的應(yīng)用場(chǎng)景就需要具體分析了。

比如，RS485多從站總線通信，當(dāng)通信距離較遠(yuǎn)的時(shí)候，就需要在差分線物理上的2端各自端接一個(gè)120歐姆的電阻，起到阻抗匹配的作用。如果不加這個(gè)電阻，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)，加了之后，雖然信號(hào)幅值會(huì)下降，但波形會(huì)好很多。

端接的RS485總線

RS485芯片的推薦電路中，還經(jīng)常會(huì)增加1個(gè)上拉和1個(gè)下拉電阻，而且120歐姆的端接電阻也會(huì)變成其他的阻值，這是因?yàn)樯舷吕瓕?shí)際上也改變了匹配阻抗的大小，需要調(diào)整端接電阻才能使得接收端的阻抗匹配起來。增加上下拉電阻的目的是為了總線閑置時(shí)有一個(gè)固定的電平，保證總線不出錯(cuò)。

5、功率消耗

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電路中，一般都會(huì)存在制動(dòng)電阻，這類電阻就是為了消耗功率而存在的。將電機(jī)剎車時(shí)產(chǎn)生的功率，泄放到電阻上，避免了剎車時(shí)回流的電流抬高母線電壓，超出母線的承受能力。

還有一些場(chǎng)合，需要將電容的電壓降低，防止停止工作的設(shè)備發(fā)生意外事故時(shí)，也會(huì)將電阻接到需要泄放的電容上，通過發(fā)熱的方式將電容存儲(chǔ)的能量釋放掉。

6、特殊功能

一般的電阻器只是作為電阻器來使用，而光敏電阻、壓敏電阻、熱敏電阻、PTC電阻、氣敏電阻、0歐電阻等特殊電阻則可以作為傳感器、保險(xiǎn)絲、連接件來使用。這些電阻都有各自的應(yīng)用電路，就不再進(jìn)一步描述了。

電阻的功能寫完了，下一篇文章寫寫電容的分類，再下一篇寫寫電容的功能~