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探秘高频测量:分流电阻串联电感补偿的原理与实践

出处:网络整理 发布于:2025-07-02 16:42:03

 

 在电子测量领域,的电流测量至关重要。传统的电流测量方法,如电流互感器(CT)和电流钳探头,在面对高频信号或快速瞬变时,存在诸多局限性。电流互感器和电流钳往往会引入相位偏移、信号衰减和带宽限制等误差,难以满足 MHz 范围内测量的需求。

  而电流通过使用低阻值元件将电流转换为电压,提供了一种直接的测量方法。与电流互感器和霍尔效应不同,分流器不受磁干扰或外部场的影响,在高电磁噪声环境中具有很高的可靠性。此外,与可能遭受饱和效应和低频性能限制的电流互感器相比,分流器具有更宽的频率响应、紧凑的设计、更低的成本,并且通常引入的相位误差极小,因此在需要、高带宽电流感测的应用中特别适用。
  然而,现成的表面贴装(SMD)和商用电流检测电阻器(CVR)存在寄生电感的问题。这种电感会引入振铃、过冲峰值失真和不准确的结果,尤其是在超过 1 MHz 时,对测量结果的影响更为显著。

  表面贴装电阻器中的寄生串联电感源于电阻器的物理布局和结构,使其在较高频率下表现得像电感器。这种电感受多种因素影响,例如电阻材料,薄膜或金属箔设计通常比厚膜或线绕设计具有更低的电感;电阻器的几何形状和尺寸也起着重要作用,较大的封装和较长的电流路径会增加电感;内部布局,包括长度和端子间距,进一步影响电感值,这可能显著影响高频电路中的性能。

  对于低阻值的分流电阻,寄生电感在频率超过 1 MHz 时开始影响整体分流阻抗。转折频率出现在 -3 dB 点,此时传递函数 H (ω) 的幅度等于 1/ √2。从该点开始,寄生电感的阻抗主导了分流阻抗,分流器的标称电阻变得无关紧要。研究相关方程可知,有用的频带随着 RS 值的减小而变低,也随着寄生电感值的增加而下降。因此,为了获得平坦的频率响应,从电路能承受的分流电阻值开始,并尽一切可能化分流电感。可以通过仔细选择电阻材料、选择 “宽而短” 的封装尺寸(如 0612 封装分流器)来降低电感。此外,将多个分流器并联放置,并测量并联组合两端的电压,也可以降低组合的总电感。

  为了验证寄生电感对测量的影响,我们进行了实际测试。将一个 50 mΩ、1 W 的 0612 封装电阻器(Susumu PRL1632 - R050 - F - T1)安装在夹具上,并使用矢量网络分析仪(VNA)测量其频率性能。VNA 的 S21 图显示转折频率(-3 dB 点)在 15.1 MHz。仅使用此分流器时,任何超过 15.1 MHz 的测量都将被错误地放大和失真,这将影响每个边沿的峰值电流测量,并使得在快速边沿上进行的功率计算变得不可能。

  为了克服寄生电感带来的问题,我们可以利用在 VNA 上获得的转折频率,创建分流器的等效电感和匹配的单极点 RC 滤波器,以抵消寄生电感引起的零点。使用电路仿真工具,调整等效串联电感(ESL)值,直到转折频率与 VNA 结果匹配。然后,仿真一个合适的 RC 滤波器来平坦化组合响应。通过改变 Ccomp 值,直到产生的频率性能平坦,找到合适的电容值。

  根据仿真结果构建的 RC 滤波器,在实际测试中取得了显著的效果。在 VNA 测试中,转折频率从 15 MHz 提高到超过 130 MHz,实现了超过 8 倍的带宽提升。时域测试也显示,高频边沿与无源探头阶跃响应的匹配度大大提高。

  然而,通过多极点设计和更的分流器行为建模,可以进一步改进测量效果。需要注意的是,滤波器板本身也存在寄生元件,这些元件也必须被补偿,但这是一个收益递减的无限循环。在 VNA 数据中高于 280 MHz 处可以看到这些寄生元件的影响,此时分流器加滤波器的响应再次呈现强烈的感性。

  综上所述,如果不进行补偿,分流电阻器会失真放大高频信号,导致错误的峰值电流读数和过度的过冲。20 MHz 带宽的滤波器可以抑制这种响应的差部分,但要获得高达 100 MHz 及以上的电流读数,必须使用补偿滤波器。电流分流器在高电磁噪声环境和需要、高带宽电流感测的应用中具有独特的优势,通过合理的补偿技术,可以充分发挥其性能。
关键词:高频测量

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