2.1 电子元器件的主要参数

电子元器件的主要参数有三种：特性参数、规格参数和质量参数。这些参数从不同的角度反映了电子元器件的电气性能。三个参数之间相互联系又相互制约，共同决定了电子元器件的质量优劣。

2.1.1 特性参数

电子元器件的特性参数用于描述电子元器件在电路中的电气性能，通常可用该元器件的名称来表示。例如电阻特性、二极管伏安特性或晶体三极管的输出特性等。如果用在元器件两端所施加的电压与通过其中的电流的关系来表达该元器件的特性参数，即为元器件的伏安特性。电子元器件的伏安特性大多是一条直线或曲线，不同的元器件在不同的测试条件下，其伏安特性也可以是一条折线或一簇曲线。

图2-1所示为三种常用电子元器件的伏安特性曲线。

在图2-1中，图（a）是线性电阻的伏安特性，在一般情况下，线性电阻的阻值是一个常数，其值不随外加电压的大小而变化，符合欧姆定律R=U/I，常用的电阻大多数属于这一类。图（b）是晶体二极管的伏安特性曲线，从图中可以描绘出晶体二极管的正向导电性能和它在某一特定电压值的反向击穿特性。图（c）是晶体三极管的伏安特性曲线，又称为输出特性曲线，这是一簇以基极电流Ib为参数的曲线簇，对应于不同的Ib电流值则有相对应的不同的Ic电流值，有一个Ib就有一个Ic，对应一条Uce-Ic曲线，多条Uce-Ic曲线构成了晶体三极管的输出特性曲线。从这簇曲线中可以得出晶体三极管的电流放大系数为

不同种类的电子元器件具有不同的伏安特性，伏安特性可能是线性的也可能是非线性的，如电阻为线性元件，晶体三极管为非线性器件。在实际应用中应根据具体电路的要求选择不同的电子元器件种类。

2.1.2 规格参数

电子元器件的规格参数用于描述电子元器件参数的数值，它包括标称值，额定值和允许偏差值等。电子元器件在整机中要占有一定的体积空间，其外形尺寸也是一种规格参数。

1. 标称值和标称值系列

电子元器件在生产过程中受材料、工艺、技术、设备和环境等条件的影响和限制，其数值不可避免地具有离散性的特点。在具体电路中对于元器件数值的要求也是多种多样的，为了使电子元器件的技术指标达到设计要求，其数值必须规定在一定的范围内有效，即规定出电子元器件一系列的数值作为产品的标准值，也称标称值。

电子元器件的标称值分为特性标称值和尺寸标称值两种，分别用于描述电子元器件的电气特性和机械结构。例如，一只电阻的特性标称值包括阻值、额定功率、允许偏差（精度）等，其尺寸标称值包括电阻体及引线的直径、长度等。又如一只晶体三极管的特性标称值包括直流参数、交流参数、开关参数和极限参数等，尺寸标称值包括直径、长度等。

一组有序排列的标称值叫做标称值系列。电阻、电容、电感等元件的标称值系列（E系列）是一样的，这里以E24为例加以说明，见表2.1，详细内容请参阅第3章相关部分。

元件的标称值系列大多为两位有效数字。精密元件的特性数值一般是三位或四位有效数字。标称值应该符合系列规定的数值，并用系列数值乘以倍率数10（n为整数）来具体表示一个元件的参数。例如，符合标称值系列的电阻有1.0Ω、10Ω、100Ω、1.0kΩ、10kΩ、100kΩ、1.0MΩ、10MΩ等，可以表示为

1.0×10nΩ（n=0，1，2，3，4，…）

又如，符合标称值系列的电容量有1.5pF、15pF、150pF、1500pF（1.5nF）、0.015μF（15nF）、0.15μF（150nF）、1.5μF、15μF、150μF、1500μF（1.5 mF）等，可以表示为

1.5×10nF（n= -12，-11，-10，…）

在机械设计中规定了长度尺寸标称系列，并且分为首选系列（也叫第一系列、第二系列）。同样，对电子元器件的外型尺寸也规定了标准系列。例如，元器件的封装外壳可分为圆形、扁平型、双列直插式等几个系列；元器件的引线有轴向和径向两个系列等。

又如，大多数小功率元器件的引线直径标称值为0.5mm或0.6mm（英制20 mil=0.02 in或24 mil=0.024 in），双列和单列直插式集成电路的引脚间距一般是2.54mm或5.08mm等。因此在生产和制造电子整机产品的时候，不仅要考虑电子元器件的电气特性是否符合要求，其外型尺寸是否规范、是否符合标准也是重要的选择依据。特别是近年来迅速发展的SMT（表面安装技术）元器件，就是根据它们的封装方式和外形尺寸进行分类的。

规定数值的标称值、标称值系列使生产企业进入了标准化的生产和管理，为电子电路设计工作带来了方便。标准化的元器件具有良好的可更换性，为电子电路、整机产品设计工作提供了优越条件，节省了时间，提高了工作效率。

2. 允许偏差和精度等级

实际生产出来的元器件，其数值不可能和标称值完全一样，总会有一定的偏差。用百分数表示的实际数值和标称数值的相对偏差，反映了元器件数值的精密程度。对于一定标称值的元器件，大量生产出来的实际数值呈现正态分布，为这些实际数值规定了一个可以接受的范围，即为相对偏差规定了允许的最大范围，叫做数值的允许偏差（简称允差）。不同的允许偏差也叫做数值的精度等级（简称精度），并为精度等级规定了标准系列，用不同的字母表示。例如，常用电阻器的允许偏差有±5%、±10%、±20%三种，分别用字母J、K、M标志它们的精度等级（以前曾用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示）。精密电阻器的允许偏差有±2%、±1%、±0.5%，分别用G、F、D标志精度。常用元件数值的允许偏差符号见表2.2。

根据电路对元器件的参数要求，允许偏差又分为双向偏差和单向偏差两种，如图2-2所示。

一般情况下，元器件的标称值可以采用单向偏差或双向偏差，至于采用哪种形式的偏差要根据实际电路的具体要求，对电子元器件的精度等级进行合理的选用。精度等级越高，其数值允许的偏差范围越小，元器件就越精密。

3. 额定值与极限值

（1）额定值

电子元器件在工作时，要受到电压、电流的作用，要消耗功率。电压过高，会使元器件的绝缘材料被击穿；电流过大，会引起消耗功率过大而发热，导致元器件被烧毁。电子元器件所能承受的电压、电流，以及消耗的功率还要受到环境条件的影响。为了确保电子元器件在正常工作时其特性和参数保持不变，规定了电子元器件的额定值，一般包括额定工作电压、额定工作电流、额定功率消耗及额定工作温度等。电子元器件的额定值也有系列标称值，其系列数值因元器件不同而有所区别。

（2）极限值

电子元器件的工作极限值就是最大值，分别表示元器件能够保证正常工作时的最大极限。例如，最大工作电压、最大工作电流、最高功耗和最优良的工作环境。需要说明的是，元器件的同类额定值与极限值不相等，元器件的各个额定值或极限值之间没有固定的关系，等功率消耗规律在特定条件下并不成立，当电子元器件的工作条件超过某一额定值时，其他参数指标就要相应地降低，一般情况下，要考虑降额使用元器件的参数。对于某种电子元器件，通常都是根据自身的特点及工作需要而定义几种额定值和极限值作为它的规格参数。除标称值、允许偏差值和额定值、极限值以外，各种电子元器件还有其自身特定的规格参数，例如，晶体三极管的特征频率fT，截止频率fa，线性集成电路的开环放大倍数Ko，数字集成电路的扇出系数No等。在选用电子元器件时，应根据具体电路的实际要求选用这些参数。

2.1.3 质量参数

电子元器件的质量参数包括温度系数、噪声电动势、高频特性、机械强度、可焊性及可靠性等。

1. 温度系数

电子元器件的特性及规格参数会随使用环境温度的变化而变化，温度每变化1℃，其数值变化的百分数叫做温度系数，单位为1/℃。温度系数描述了元器件的数值稳定性，温度系数越小，它的数值越稳定，反之则数值稳定性越差。温度系数还有正负之分，正温度系数表示当环境温度升高时元器件的数值增加；负温度系数表示当环境温度升高时元器件的数值减小。电子元器件的温度系数主要取决于元器件的制作材料，例如碳膜电阻器的温度系数较大，为1500×10-6/℃，而精密线绕电阻器的温度系数却很小，仅为10×10-6/ ℃。除了制作材料外，元器件的结构及制作工艺等因素也会对温度系数产生影响。

任何电子元器件都存在温度系数，而温度系数又会影响整机工作的稳定性和可靠性，因而它对整机工作的环境温度范围形成了约束。当整机工作环境温度范围较大时，应当选用温度系数较小的元器件，只有这样才能保证整机工作的稳定性和可靠性。

在电子元器件中还有一些热敏元件，它是利用某些材料对温度特别敏感的特性而制成的，如各种类型的热敏电阻等。这些元件的温度系数比较大，且温度在很大范围内变化时温度系数是一个常数。

2. 噪声电动势和噪声系统

电子设备的内部及外部都存在着各种电磁干扰，在电子设备中希望输出端输出的信号都是有用的信号，不存在有害的干扰信号，但是，客观上输出端不但含有有用的信号，还掺杂着无用的电磁干扰信号。这种电磁干扰分为外部干扰和内部干扰，外部干扰信号由电子设备或系统以外因素产生的，如雷电、宇宙噪声等都会通过电磁波辐射经电子设备或系统接收，放大后形成干扰信号；内部干扰信号是由电子设备或系统内部产生的，如电子元器件内部的热噪声、散粒噪声、元器件安装不合理，以及元器件与印刷电路版接触不良等因素都会产生干扰信号。内部干扰信号也称为内部噪声。在一般情况下，有用信号比电路内部产生的噪声信号大得多，内部噪声对电路的有害影响很小，可以忽略不计。但在有用信号非常微弱时，噪声信号有可能将有用信号“淹没”，噪声信号的干扰会造成电子设备无法正常工作，因此，必须采取行之有效的措施加以消除。

内部噪声主要是由各种电子元器件产生的，由于导体内部的自由电子在一定的温度范围内总是处于无规则的热运动状态之中，从而在导体内部形成了方向及大小都随时间不断变化的“无规则”的电流，并在导体的等效电阻两端产生噪声电动势。噪声电动势是随机变化的，它在很宽的频率范围内都起作用，由于这种噪声是自由电子的热运动产生的，通常把它叫做热噪声。

除了热噪声之外，各种电子元器件由于制造材料、产品结构及生产工艺的不同，还会产生其他类型的噪声。例如，碳膜电阻因碳粒之间的放电而产生的噪声，半导体管内部载流子产生的散粒噪声等。

通常用信噪比来描述电阻、电容、电感等无源元件的噪声程度，即

式中，S为元件两端所加信号电压；N为元件内部产生的噪声电动势。

对于半导体管或集成电路等有源器件的噪声，则用噪声系数来衡量，即

式中，Si/Ni为输入端信噪比；So/No为输出端信噪比。

3. 高频特性

在不同的工作频率条件下，电子元器件会出现不同的频率响应，这种现象主要是由制造元器件时所使用的材料及元器件结构所造成的。通常条件下，在分析电路时将电子元器件做为理想元器件来考虑，但当它处于高频状态时，原来不突出的特性就会表现出来。例如，线绕电阻在直流或低频电路中工作时，可以被看成是理想的电阻；而当它工作在高频时，线饶电阻绕组形成的电感及分布电容便被突出出来，当频率足够高时，其电抗值就会远大于电阻值。除了线绕电阻外，任何电子元器件在高频工作状态下，都会表现出电抗特性，甚至一段很短的导线，其电感、电容都会对电路的频率响应产生不可忽视的影响。元器件的这种特性，称为元器件的高频特性。在设计和制作高频电路时，必须要考虑元器件的高频特性，应选择分布电感和分布电容小的元器件。除此之外，元器件的排列结构也应该合理，否则也会产生不同的频率响应。

例如：在电子电路中存在分布电容C0，其分布电容的容抗为Xc，它的数学表达式为

当C0为某一数值时，工作频率f越高，容抗Xc越小，从而将高频信号衰减或旁路掉，最后使电子电路的高频特性变坏。

4. 机械强度

电子元器件安装在电子电路、设备及系统中要承受使用环境的考验，如温度、湿度、大气压力、辐射、冲击和震动等因素均影响电子元器件的性能。若设备内电子元器件的机械强度不高，就会在设备使用过程中受震动或冲击的作用时发生断裂，使电子设备无法正常工作。因此，在设计整机电子产品时，应根据设备使用的环境条件来选择元器件。在恶劣条件下使用的电子设备，应选用机械强度高的元器件。

5. 可焊性

可焊性体现在电子元器件焊接在印刷电路板上的强度，强度高可焊性就高，强度低容易形成虚焊（即假焊）。电子元器件的虚焊容易使电子电路、设备和系统产生故障。产生虚焊的原因有两种：一种是元器件的可焊性差容易形成虚焊；另一种是焊接元器件的工艺水平低，焊料质量差也容易形成虚焊。为了减少电子设备的故障率，避免元器件的虚焊是一个非常必要的技术措施。除了提高焊接工艺水平外，还应选用可焊性好的元器件。

6. 可靠性

可靠性是电子元器件的一项重要质量指标，可靠性是指它的有效工作寿命，即能够正常完成某一特定电气功能的时间。电子设备的可靠性主要依赖于电子元器件的可靠性，只有选用高可靠的元器件，才会生产出高可靠性的电子设备。

电子元器件的高可靠性体现在一些性能指标上，如寿命、功率、高频特性、抗机械应力特性、抗静电性、抗辐射性、低功耗、耐高低温性能、耐压性及适应环境的能力等。

电子元器件的可靠性概括地说，就是元器件在规定条件下和规定的时间内完成规定性能作用的能力。

7. 失效率

失效是指产品在规定的条件下和规定的时间内，不能完成其规定的功能，其性能特性超出产品标准规定的极限，也是指结束电子元器件的工作寿命。其失效过程是随着时间的推移或工作环境的变化，元器件的主要参数发生的改变。例如，电阻器的阻值或电容器的电容值增大或减小。当元器件的主要参数变化到一定程度时，尽管施加的外部工作条件没有发生改变，由于元器件不能承受电路性能指标的要求而彻底损坏，最后使主要参数消失。例如，晶体三极管的基极电流过大使发射结过热而烧毁。

衡量电子产品可靠性的基本参数是时间，评价电子元器件的可靠性是用失效率λ（t）来表示的，其数学表达式为

失效率的常用单位是“菲特（Fit）”，1菲特=10-9/h，h为小时。即一百万个元器件运用1000 h，每发生1个失效，就叫做1 Fit。失效率越低，说明元器件的可靠性越高。

各类电子元器件的失效可经历三个阶段，即早期失效期、正常失效期和老化期，如图2-3所示。

电子元器件的失效率是时间的函数，统计数字表明，新制造出来的电子元器件，在早期投入使用的一段时间内，失效率比较高，这种失效称为早期失效，相应的这段时间叫做早期失效期。电子元器件的早期失效，是由于在设计和生产制造时选用原材料或工艺措施方面的缺陷而引起的。它是隐藏在元器件内部的一种潜在故障，在开始使用后会迅速恶化而暴露出来。元器件的早期失效是十分有害的，但又是不可避免的。在经过早期失效期以后，电子元器件将进入正常使用阶段，其失效率会显著地迅速降低，这个阶段叫做正常失效期。在正常失效期内，电子元器件的失效率很低，而且在极长的时间内几乎没有变化，可以认为它是一个小常数。在经过长时间的使用之后，元器件可能会逐渐老化，失效率又开始增高，直至寿命结束，这个阶段叫做老化失效期。电子元器件典型的失效率函数曲线如图2-3所示，从图中可以清楚地看出，在早期失效期、正常失效期、老化失效期内，电子元器件的失效率是大不一样的，其变化的规律就像一个浴盆的剖面，所以这条曲线常被称为浴盆曲线。需要说明的是电子元器件的电气规格参数与其可靠性的含义不同，两者之间没有任何相关的联系。规格参数良好的元器件可靠性不一定高；规格参数差一些的元器件可靠性不一定低。电子元器件的规格参数可以通过测试仪器进行测量，其可靠性则必须通过各种复杂的可靠性试验或经过长期、大量的使用之后才能够暴露出来并进行判断。

对电子元器件失效原因的诊断过程称为失效分析，失效必然造成整机产品的故障。为了提高电子产品的质量和可靠性，有必要对失效的因素进行分析，得出正确的科学依据，采取有效措施加以纠正和改进。产生失效的主要因素如下。

（1）设计不完善。设计不完善可分为电路设计、结构设计和工艺设计不完善等，不论哪种设计不完善都会使元器件在应用时损坏而失效。

（2）元器件选型不合理。元器件选型不合理也是电子设备经常发生失效的原因之一，主要是在设计过程中对元器件的性能和参数了解不全或考虑不周，致使在设计中所选用的元器件的性能和参数无法满足电路的要求。元器件选型不合理在使用过程中容易造成元器件的大量失效。

（3）电过应力（EOS）损伤。电过应力引起的元器件失效占总失效数的比率很大，它发生在元器件的测试、筛选、装配、调试及工作运行的各个阶段，其原因是多种多样的。例如，CMOS电子器件对静电非常敏感，当使用环境产生的静电超电过子元器件的静电阈值时，元器件就会出现电过应力（EOS）损伤而失效。

（4）装配工艺及装配环境的影响。

① 在电子设备的装配过程中，电子元器件安装与焊接的质量以及装配环境的好坏，不但直接关系到电子设备的技术性能，而且还会对元器件的应用可靠性带来影响。

② 元器件位置的排列对电子设备的性能影响很大，排列不合理还会引起元器件的失效。例如，若把电解电容器安装在功率较大的电阻旁边，电阻产生的热量就会使电容器的电解质熔化，使电解电容器过早失效。

③ 元器件的固定方式也直接影响装配工艺的质量，若体积大的元器件只采用焊接工艺来固定而不采取其他固定措施，元器件就经不起使用中的冲击和震动，不可能长时间可靠地工作。

④ 电子元器件的焊接质量直接关系到电子设备能否可靠地工作，甚至会导致元器件失效。元器件在焊接时，如果焊点内部没有完全熔合，这样的焊点被称为虚焊点，极易造成电路断路。产生虚焊点的主要原因除了元器件本身的可焊性差以外，元器件引线、导线和焊片表面不清洁，以及焊料质量不好是主要原因。

（5）操作失误。在装配电子元器件时，操作失误也经常造成元器件失效。例如，在装配元器件过程中机械应力过大产生开裂变形，电解电容器的正、负极性接反引起爆裂，晶体三极管的三个管脚接错引起烧毁失效，电源电压正、负极性接反，瞬间电流过大烧毁元器件等。