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，一端接到直流電源上，一端接到驅動信號上。

電阻與二極管一起承受壓降，將實際電流限制在二極管的額定電流之內。

發光二極管和限流電阻串聯

如下圖所示，某型號發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電源和控制信號之間，按照二極管的datasheet所展示的曲線，在3.3V時，發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之間串聯一個1k電阻，可以保證通過發光二極管的電流不會超過3mA。

發光二極管的電壓-電流特性是非線性的，無法直接計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果。也可以通過實際更換電阻阻值的方式實驗出最合適的電流值和亮度。

發光二極管的電壓-電流曲線

電阻的限流，除了應用于發光二極管，還包括：光耦的驅動端二極管限流、DAC輸出的短路限流保護、芯片引腳上下拉限流、三極管基級限流、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-數字量轉換器），但ADC的量程一般都很小，在0-3.3V或類似的量級，而常見的電壓采集對象也包括12V、24V、220VAC這種級別的電壓，因此就需要通過電阻分壓網絡將電壓等比例縮小。

-10V~+10V轉換到0~3.3V電壓的轉換電路

上圖的電路就是一個ADC的前級調理電路，實現了-10V~+10V轉換到0~3.3V電壓的轉換。

470歐、6.2k、3.3k的電阻分壓網絡，完成了從-10V~+10V到-3.3V~+3.3V的轉換，分壓網絡后面接了一個電壓跟隨器；

跟隨器的輸出再跟3.3V參考電壓作為運放加法器的輸入，加法器的輸出即完成了整個轉換過程。

使用電阻網絡實現分壓，需要注意后級的輸入阻抗，如果后級的輸入阻抗較小，會跟分壓網絡一起影響實際的分壓效果，因此使用電阻分壓網絡一定要在后級加上運放，利用運放輸入阻抗極大的特性，實現精確的分壓效果。

除了運放前級的分壓，還有一個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過電阻分壓網絡反饋到內部，通過監測反饋電壓調節輸出電壓，從而實現輸出電壓的準確調節，以及輸出電壓在不同負載下的電壓保持。帶有電源反饋引腳的電源芯片，都是設計成由用戶自行配置電阻分壓網絡，這樣用戶就可以通過調整輸出電壓與反饋電壓的比例，實現不同輸出電壓的設置。

3、電流測量

在需要測量電流的場合，比如電機的相電流測量或者4-20mA電流信號的測量，一般不會使用高中物理中所用測量電磁線圈磁場的方法，或者使用霍爾電流傳感器測量電流的方法，而是在需要測量的電流線路中串聯一個極小的電阻，通過測量電阻上的電壓，計算出對應的電流。

應用于電流測量時，電阻的阻值需要很精確，可以選擇千分之一的精度的電阻，對于大電流的場合，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，沒有學習過信號完整性的同學一般都不太了解，但信號完整性對于硬件設計相當重要，可以算是從入門到進階的重要課程。

信號完整性的意思是信號傳遞過程中，如何保證信號能夠正確的傳遞，不會發生畸變，或產生干擾。在高中物理范疇中，所有的電壓、電流，都是隨著開關的開合和瞬間建立起來的，而信號完整性，就是將理想的、穩態的假設，恢復成真實的物理模型。

信號的傳輸并不是理想和瞬態的，當一個信號從發射端產生后，信號電壓的變化從發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，而接收端會反射信號，發送端接收到一次反射信號又會產生二次發射信號。。。在n次發射、反射、再次發射之后，疊加在接收端的信號，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，就直接關系到發射和反射的系數，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生了變化，接收端的疊加波形就會產生超調或震蕩。

阻抗匹配，就意味著將發射端、傳輸線、接收端的阻抗調整成相同的阻抗。如果特性阻抗不一致，就會發生信號畸變，如果特性阻抗一直保持一致，發射端發送的一個上升沿或下降沿，就能夠“完美的”傳輸到接收端。

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于變化的電流的比值，可以理解成電壓和電流的微分。對于PCB的傳輸線而言，線寬、參考地、換層、層間距、線間距、板材介電常數等參數都會影響特性阻抗，對于普通的線纜，線徑、線材、絕緣厚度、絕緣介電常數、線束間距、屏蔽層距離、屏蔽層密度厚度等參數會影響特性阻抗。傳輸線每一處的參數相同，就能做到傳輸線的特性阻抗不變化。特性阻抗經常設置為50歐姆，但不同的應用場合可能會有所變化。至于特性阻抗如何推導出線寬、線距、層間距等參數，就需要另外討論了。

那電阻怎么能用于阻抗匹配呢？

在常見的電路信號模型中，阻抗并不是匹配的，發送端是高驅動能力、低輸出阻抗的，而接收端是驅動負載小、高輸入阻抗的，不管傳輸線怎么設置，都是是阻抗不匹配的信號傳輸。

在信號線短、信號沿降緩慢時，多次發射和反射信號的會同時疊加在一起，這樣即使阻抗不匹配，接收端接收到的電壓波形也比較好，但當信號線長一些的時候，反射的波形不會在與一次波形同時疊加在接收端上，而是會延遲一段時間到達接收端，這時候就會出現明顯的信號異常，表現出來就是超調、震蕩等問題。為了避免這個問題，一般會在信號的發射端串接一個電阻，這個電阻就起到了匹配阻抗的作用。

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

阻抗匹配應用的前提有3個，1是傳輸線長，2是信號沿降快，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的沿降速度，TTL工藝的信號，沿降可能在1us級別，CMOS工藝的信號，沿降可能在1-10ns級別。

假設某芯片發射一個單端信號，傳輸線長度為10cm，則單程傳輸需要0.1m/光速=0.3ns，假設芯片的沿降時間為1ns，也就意味著芯片輸出的信號在沿降穩定前，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，其疊加已經很接近發射的波形了，因此接收端波形的畸變就較小。因此，當傳輸線的長度較短，短到單程耗時約為沿降時間的1/6左右，就可以認為信號不存在畸變了。

估算一下傳輸線長度和傳輸時間，估算一下沿降時間，傳輸時間小于沿降時間的1/6，就可以認為不需要阻抗匹配，如果不滿足，就需要根據發射端和接收端的阻抗情況，進行源端匹配或末端匹配。

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

比如，RS485多從站總線通信，當通信距離較遠的時候，就需要在差分線物理上的2端各自端接一個120歐姆的電阻，起到阻抗匹配的作用。如果不加這個電阻，經常會出現較大的超調，加了之后，雖然信號幅值會下降，但波形會好很多。

端接的RS485總線

RS485芯片的推薦電路中，還經常會增加1個上拉和1個下拉電阻，而且120歐姆的端接電阻也會變成其他的阻值，這是因為上下拉實際上也改變了匹配阻抗的大小，需要調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有一個固定的電平，保證總線不出錯。

5、功率消耗

在電機驅動器的電路中，一般都會存在制動電阻，這類電阻就是為了消耗功率而存在的。將電機剎車時產生的功率，泄放到電阻上，避免了剎車時回流的電流抬高母線電壓，超出母線的承受能力。

還有一些場合，需要將電容的電壓降低，防止停止工作的設備發生意外事故時，也會將電阻接到需要泄放的電容上，通過發熱的方式將電容存儲的能量釋放掉。

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、保險絲、連接件來使用。這些電阻都有各自的應用電路，就不再進一步描述了。

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~