|
Изготавливаемые промышленностью резисторы бывают обычно двух типов: металлические пленочные (металлизированные) резисторы
и проволочные. Вопреки все еще распространенным случаев применения углеродных пленочных резисторов, они являются полным анахронизмом
и в дальнейшем изложении просто не рассматриваются, так как шумовые характеристики и значения допусков на точность изготовления
для них просто удовлетворяют требованиям, предъявляемым к аудиоаппаратуре повышенного качества. Следует, правда, заметить,
что очень низкое значение индуктивности этих резисторов в ряде случаев делает их использование в качестве сеточных ограничительных
резисторов оправданным.
Постоянный контроль за качеством применяемых материалов и технологическим процессом производства металлизированных пленочных
резисторов определяют их хорошие характеристики, поэтому следует более детально рассмотреть их конструкцию.
Процесс начинается с изготовления индивидуальных керамических прутков (стержней или трубочек), на которые затем должна
наноситься пленка резистивного материала. Прутки должны иметь гладкую поверхность, так как излишняя шероховатость поверхности
приводит к изменениям в толщине наносимого резистивного слоя и вызывает разрывы в металлической пленке, которые затем вызывают
повышенный шум. Хотя керамический материал является мало активным с химической точки зрения, на его поверхности могут иметься
посторонние загрязнения, например, следы органических смазочных масел или упаковочных материалов. Для их удаления используется
термический обжиг в специальных печах при температуре, превышающей 1000 °С.
Не остывшие после обжига прутки поступают в барабан в количестве до 50 тыс. штук одновременно. Барабан помещается в рабочую
камеру высоковакуумной распылительной установки, которую упрощенно можно представить в виде большой электронной лампы. Электронная
пушка установки эмитирует пучок электронов, обладающих высокой энергией, которые магнитной отклоняющей системой установки
фокусируются и направляются на анод, изготовленный из хром-никелевого сплава (и который часто называется мишенью). Электроны,
обладающие высокой энергией, выбивают поверхностные атомы мишени, образуя хром-никелевые пары. Вращение каждого прутка в
барабане вокруг своей оси, совместно с вращением самого барабана, позволяет парам резистивного сплава равномерно осаждаться
на всей поверхности прутка. Время процесса напыления определяет толщину пленки на прутке и является первым параметром технологического
процесса, который определяет сопротивление будущего резистора.
Толщина напыляемой пленки влияет на уровень собственных шумов резистора: более тонкая пленка резистивного покрытия приводит
к более высокому уровню шумов по сравнению с более толстой. Если хром-никелевый сплав содержит примеси других элементов,
то он может образовывать при осаждении гранулированную структуру,
что также приведет к увеличению уровня шумов резистора. Если адгезия (сила сцепления пленки и прутка) будет малой,
то пленка может начать отслаиваться от подложки, опять вызывая увеличение шума, нестабильность сопротивления и даже обрыв
резистивного слоя.
Простая хром-никелевая пленка, не содержащая специально вводимых посторонних примесей, не в состоянии обеспечить значение
температурного коэффициента сопротивления, ТКС, порядка необходимых 5 частей на миллион, или 5 * 10-6, но в случае
необходимости, используя приемы химической модификации состава пленки можно добиться требуемого значения ТКС.
После напыления пленки устанавливаются торцевые колпачки, обеспечивающие электрический контакт внешних выводов резистора
с резистивной пленкой. При установке колпачков на прутки используется тугая посадка с натягом, поэтому точно выполненная
подгонка размеров является ответственной операцией. Если посадка будет очень тугой, то при надевании колпачка он может повредить
пленку, однако при слишком слабой посадке не будет обеспечиваться хороший электрический контакт. Оба этих дефекта также вызывают
повышение уровня собственных шумов в готовом резисторе. Так как материал колпачка отличается от материала резистивной пленки,
в месте контакта образуется термопара, которая также может явиться источником дополнительных шумов (действуя в качестве термо-ЭДС),
поэтому, выбору материала для колпачков должно уделяться повышенное внимание.
Как правило, в качестве материала колпачков используются сплавы на основе железа, но часть производителей, такие, например,
как МЕК Холсворти (МЕС Hols-worthy) используют для серии своих резисторов Holco колпачки из немагнитных материалов, что,
вполне вероятно, может являться немаловажным фактором, определяющим высокое качество звучания аппаратуры, в которой они
используются. Если необходимо, материал колпачка может быть проверен с использованием небольшого магнита. К сожалению, во
многих компонентах используются стальные выводы, имеющие покрытия из других металлов, которые из-за более низкой теплопроводности
(по сравнению с медью) ухудшают условия для теплового отвода.
Метод электронно-лучевого напыления не относится к процессам, обеспечивающих высокую точность толщины наносимого покрытия,
поэтому величина сопротивления пленок имеет, как правило, разброс от ±10 до ±20%. После того, как были установлены концевые
колпачки, можно измерить сопротивления резисторов и рассортировать их по партиям. Цель этой операции заключается в том,
чтобы обеспечить унифицированность операции по нарезке винтовой спирали (см. ниже) и, следовательно, эксплуатационные качества
продукции.
Хотя прутки с нанесенной на них пленкой и представляют резистивные элементы, величина их сопротивления очень мала. Поэтому
стоит задача увеличить сопротивление. Эта операция выполняется путем нарезания по сплошной пленке винтообразной канавки,
проходящей от одного концевого колпачка до другого. Этим значительно увеличивается длина токопроводящей дорожки, хотя при
этом она становится намного уже. Если шаг винтовой нарезки очень мал, то дорожка становится чрезвычайно узкой и длинной,
а сопротивление резистора при этом становится пропорционально больше. Многие производители называют эту операцию умножением
сопротивления. Некоторые детали этой операции будут обсуждены чуть позже.
Традиционно, для винтовой нарезки используется дисковая пила с алмазной кромкой, при этом глубина прорези канавки имеет
большое значение. Если прорез очень неглубокий, то существует опасность, что пленка будет прорезана не полностью, образуя
короткое замыкание между соседними витками винтовой нарезки. Если же прорез окажется очень глубоким, то алмазная кромка
пилы будет быстро выходить из строя при контакте с керамикой прутка и соответствующий резистор будет нарезан с изъянами.
Дефекты обоих типов вызовут увеличенные шумы в резисторах.
В современных технологических методах для нарезки винтовой канавки используется серебряно-натриевый, Y-Ag, лазер, с помощью
которого прорезается очень узкая и точная канавка. Однако и этот точный метод не лишен подводных камней. Если энергия лазера
оказывается недостаточной, канавка прорезается не полностью, что приводит к коротким замыканиям между соседними витками.
Если же энергия лазерного луча оказывается слишком большой, то края резистивной пленки на образующейся канавке становятся
неровными и рваными. Оба эффекта приводят к увеличению собственных шумов резистора.
По мере роста коэффициента умножения сопротивления резистора, токопроводящая дорожка должна становится все уже, при этом
относительное влияние ее краев сравнительно с основной массой токопроводящей дорожки будет становиться все более значительным.
Это отражается и в технической документации производителей резисторов, отражающих шумовые характеристики. Они подтверждают,
что уровень избыточных шумов, генерируемых в пленочных резисторах, возрастает от значений сопротивления свыше 100 кОм. Этот
эффект особенно заметно проявляется в резисторах, имеющих невысокую мощность рассеяния, потому что их меньшие размеры требуют
более высокого коэффициента умножения для получения точно такого же значения сопротивления.
Пленочные резисторы также характеризуются максимальным значением рабочего напряжения, которое не зависит от рассеиваемой
мощности, а определяется максимальной напряженностью поля, возникающей в канавке между краями соседних токопроводящих дорожек.
По мере увеличения приложенного (или падающего) напряжения возрастает вероятность, что чрезмерно возрастут токи утечки (определяемые
неустойчивой, зависящей от напряжения проводимостью), возникшие в канавке из-за погрешностей при удалении резистивного материала
при прорезании канавки спирали. В предельном случае, при достаточно больших приложенных постоянных напряжениях не исключается
возникновение дугового разряда между соседними витками винтовой нарезки и последующее разрушение пленочного резистора. Если
пленочный резистор используется в качестве анодной нагрузки, то оказывается недостаточным убедиться только в том, что рассеиваемая
им мощность будет достаточна, необходимо также выбирать резистор по величине допустимого рабочего напряжения. Существует
эмпирическое правило, что компоненты, рассчитанные на более высокую мощность рассеяния, имеют не только более высокие рабочие
напряжения, но и меньшие значения избыточных шумов.
В области малых значений напряжений, причиной появления избыточных шумов обычно являются токи утечки. В паспортных данных
резисторов параметры избыточных шумов обычно приводятся в значениях напряжения шума, выраженного в микровольтах,
относительно приложенного постоянного
напряжения. Для максимального снижения шумов в пленочных резисторах необходимо стараться максимально снизить падение постоянного
напряжения на этом резисторе. Типичным значением величины избыточных шумов являются значения порядка 0,1 мкВ/В, что составляет
уровень шумов, равный —140 дБ. Однако, избыточный шум может возрасти до значения 1 мкВ/В, либо еще более высокого значения
для высокоомных резисторов, что может составить уровень уже до -100 дБ.
Вышесказанное означает, что при приложении напряжения сигнала к пленочному резистору в нем генерируется зависящий от
уровня сигнала шум, так называемый модулированный шум. Так как в усилителе используется большое количество резисторов, то
модулированный шум может значительно превысить уровень теплового шума и стать заметным явлением в усилителе с малым уровнем
шума, однако, оставаться незаметным в усилителе худшего качества.
Лазерная нарезка пленочных резисторов обеспечивает высокую точность номинальных значений их сопротивлений. Затем к торцевым
колпачкам привариваются луженые медные выводы, после чего резистор закрывается защитной эпоксидной пленкой. Последней операцией
является нанесение на резистор маркировки.
Далее будет показано, что любые отклонения или нарушения при выполнении операций технологического процесса могут привести
к увеличению шумов, поэтому производители резисторов часто используют контроль искажений по уровню 3-ей гармоники или уровню
шумов в качестве показателя качества продукции. К большому сожалению разработчиков аудиоаппаратуры, при таких измерениях,
как правило, используется фильтр с шириной полосы пропускания 1 кГц, центр которой расположен на частоте 1 кГц, а не фильтр,
рассчитанный на ширину полосы пропускания звукового диапазона от 20 Гц до 20 кГц. Тем ни менее, использование данного показателя
приносит несомненную пользу для оценки продукции конкретного производителя.
Не обязательно все резисторы должны иметь торцевые колпачки и гибкие медные выводы. У резисторов, предназначенных для
поверхностного монтажа, концы покрыты серебряно-палладиевым припоем. Поэтому при пайке резисторов, предназначенных для поверхностного
монтажа, необходимо использовать серебросодержащие припои, которые предотвратят диффузию атомов серебра во время пайки из
покрытия на торцах резистора и не приведут к ухудшению ее качества.
Диапазон сопротивлений пленочных металлизированных резисторов простирается от 1 Ом до 10 МОм, хотя в настоящее время
можно найти резисторы с сопротивлением до 50 ГОм.
|
