设计人员需要了解 VCR 的原理和影响以及如何减轻其影响

许多设计人员不知道电阻器有电阻电压系数 (VCR) 和电阻温度系数 (TCR)。这是可以理解的，因为在低电压和低电阻应用中，电压效应很小，而且会被温度效应很好地掩盖。然而，在使用高电阻和/或高电压 (HV) 的电路中，电阻随电压的变化可能是一个大问题。这些电路用在高压电源、跨阻抗放大器 (TIA)、高压 LED 照明和脉冲通信系统等应用中。此类电路的设计人员需要了解 VCR 的原理和影响，以及如何减轻其影响。

本文首先概要性介绍了什么是 VCR 及其对电路设计的影响，然后以 Stackpole 的低 VCR 电阻器为例，说明如何选择和应用此类器件，以最大限度地减少 VCR 的影响，从而确保关键电路准确、可靠地工作。

什么是 VCR？

电阻器的 VCR 可以定义为电阻值与外加电压成比例变化的关系。其测量单位通常为百万分之一/伏（ppm/V，并可通过以下公式进行计算：

其中：

R₁ 是基准电压 (V₁) 下的电阻值，单位为欧姆 (Ω)

R₂ 是测试电压 (V₂) 下的电阻值（单位 Ω）。

V₁ 为基准电压

V₂ 是测试电压

VCR 可以为正或为负。正 VCR 表示电阻器上的电压升高，电阻会增大；负 VCR 表示电阻会减小。

VCR 为 200 ppm/V 至 300 ppm/V 的典型高压片式电阻器在外加电压发生 1,000 V 变化的情况下，其电阻会发生 20% 至 30% 的变化。如果选择 VCR 为 25 ppm/V 至 50 ppm/V 的电阻器，在相同的 1,000 V 变化下，电阻变化将减小到 2.5 至 5%。

测量 VCR 的标准测试方法要遵循 MIL-STD-202G 309 方法。该标准规定了测试电子元件的统一方法，规定了标准测试电压等于规定的最大工作电压，参考电压水平为最大工作电压的 10%。

如何最大限度降低 VCR

通过选择合适的设计和材料，可以最大限度地减少 VCR。由于低 VCR 电阻材料可以提高 VCR，但也会增加 TCR，从而降低温度稳定性，因此在选择电阻材料时需要进行工程折衷。选择低阻油墨也会提高 VCR，但会限制可达到的最大电阻。仔细选择电阻油墨的类型和使用方法可以优化 VCR。

激光修整也会对 VCR 产生影响。未经修整的电阻器产生的电阻值通常与预期值相差 5 到 20%。激光修整用于将电阻值调整到较小的公差范围内，例如 1%。激光修整过程会产生微裂缝，导致局部意外阻抗变化，从而增加 VCR，从而造成 VCR 降级（图 1）。

图 1：激光修整厚膜片式电阻器的物理效应会使 VCR 降级。（图片来源：Stackpole Electronics Inc.）

尽量少用激光修整可以减少这些影响，选择激光修整几何形状和封装尺寸也是如此。一般来说，封装较大可减少 VCR。

低 VCR 电阻器的应用

低 VCR 片式电阻器可应用于需要高压和/或高阻值的 LED 照明、医疗设备、视听设备和通信系统。TIA 就是一个很好的电路示例（图 2）。该放大器接收电流输入，输出成比例变化的电压。

图 2：TIA 将电流输入转换为与反馈电阻值成比例的电压输出。（图片来源：Art Pini）

TIA 的输出电压等于输入电流与反馈电阻 R_f 的乘积。

TIA 的常见使用方式是将其与光电二极管、加速度计、光电倍增管和类似传感器连接，在这些传感器中，传感器的电流响应比电压响应更线性。一般来说，这些应用需要高增益，而高增益又意味着高反馈电阻。由于电阻器输入端保持接地，电阻器两端将承受完整的输出信号摆幅。在很多情况下，输入信号可能是脉冲信号，如在电磁干扰 (EMI) 或机械冲击测试中，会导致电阻器上出现较大的电压摆幅。

与电阻器两端的电压有关的电阻值变化将导致放大器增益被调制。这种调制为电压输出增加了一个平方项。平方项会增加输出中的二次谐波和其他偶次谐波项，导致线性和谐波失真问题。电阻变化无须很大，就能产生明显的失真。

低 VCR 电阻器的另一种应用是分压器（图 3），用于降低电压水平。

图 3：低 VCR 电阻器用于分压器电路；这些电阻器可降低信号的电压水平，通常用于将高电压反馈给额定输入电压较低的设备。（图片来源：Art Pini）

分压器用于感应高压电源的输出并将其反馈给电源控制器等应用。它还可用作衰减器，将电磁干扰脉冲或雷击等高压信号降低到测量仪器所需的安全电平。

几乎在所有应用中，上电阻 R₁ 的值都远高于下电阻 R₂，其两端的电压也更高。在测量 EMI 脉冲等输入信号变化的应用中，需要使用低 VCR 电阻器。VCR 会导致分压器输出衰减随输入电压电平而变化，从而造成衰减误差。

假设输入是峰值为 1,000 V 的阻尼正弦 EMI 脉冲，如果 R2 为 1000 Ω，R1 为 1 兆欧 (MΩ)，并且它们都是理想电阻器，则输出是峰值振幅为 0.999 V 的阻尼正弦。然而，若 R1 的 VCR 为 -200 ppm/V，则当输入电压为 1,000 V 时，其电阻值将降低 200 千欧 (kΩ)。分压器的衰减将减小，输出的峰值振幅将为 1.25 V。随着输入电压的变化，不同的衰减将使输出波形失真。

因此在处理高电阻值和高电压时，必须考虑到 VCR。

高压、低 VCR 电阻器实例

Stackpole RVCU 系列高压、低 VCR 片式电阻器可在 800 V 至 3,000 V 的电压范围内提供出色的电压稳定性，具体取决于封装尺寸。该系列电阻器的阻值公差为 0.5% 至 5%，阻值范围为 75 kΩ 至 30 MΩ。电阻值低于 3 MΩ 时，它们的 VCR 均为 ±25 ppm/V；电阻值大于 3 MΩ 至 30 MΩ 时，它们的 VCR 均为 ±50 ppm/V。所有封装的 TCR 均为 100 ppm/°C。它们符合 AEC-Q200 汽车应用标准，并通过了 ASTM-B-809 抗硫测试。

RVCU 系列电阻器采用 1206（3216 公制）、2010（5025 公制）和 2512（6332 公制）表面贴装封装（图 4）。

图 4：所示为 RVCU 系列表面贴装片式电阻器的机械尺寸标注。（图片来源：Stackpole Electronics Inc.）

封装型号中编码了长度和宽度尺寸。前两个数字代表封装长度，后两个数字代表宽度。美国尺寸以百分之一英寸 (in.) 为单位，精确到整数值。公制尺寸为十分之一毫米 (mm)。这三种封装的标准高度均为 0.022 英寸(0.55 mm)。最大工作电压规格因封装尺寸而异。

例如，Stackpole RVCU1206FT1M00 是一款 0.33 瓦、1 MΩ、1% 厚膜电阻器，采用 1206 表面贴装封装。其最大额定工作电压为 800 V，最大过载电压限制为 1000 V。

RVCU2010FT1M00 针对稍高的功率水平，是一个 0.5 W、1 MΩ 厚膜电阻器，采用 2010 表面贴装封装。该电阻器的公差为 1%，最大工作电压为 2,000 V，最大过载额定电压为 3,000 V。

Stackpole RVCU2512FT1M00 则是额定功率为 1 W 的 1 MΩ、±1% 厚膜贴片电阻器。

它采用 2512 表面贴装封装。该器件的工作电压高于 RVCU2010FT1M00 的 3,000 V，过载电压额定值为 4,000 V。

结语

高压和高阻电路需要低 VCR 电阻器，以保证精度和稳定性。Stackpole RVCU 系列片式电阻器的 VCR 低至 25 ppm/V 至 50 ppm/V，可在 800 V 至 3000 V 的电压下提供出色的稳定性。