硬件電路測(cè)量：電感、電阻與電容

電感、電阻以及電容這三種基本元件，是任何硬件電路都離不開的，可以說(shuō)這些元件不僅關(guān)系到硬件電路整體的穩(wěn)定性，還決定了電子設(shè)備質(zhì)量的優(yōu)劣。因此在一個(gè)硬件電路中，對(duì)于電阻、電容以及電感這些元件的相關(guān)測(cè)量是相當(dāng)重要的。

像對(duì)于差分電容的測(cè)量、電感電流的測(cè)量、電阻浮空的測(cè)量等等，這些測(cè)量都是很常見同時(shí)也很容易出現(xiàn)疏漏的應(yīng)用。我們從光電二極管這類很常見的器件來(lái)看，當(dāng)光電二極管的結(jié)電容較小的時(shí)候，運(yùn)算放大器的輸入電容就是噪聲和帶寬問(wèn)題最大的影響因素。這個(gè)輸入電容和反饋電阻在放大器的響應(yīng)中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)，在高頻率下會(huì)增加噪聲增益，并影響穩(wěn)定性。

如何簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的電容間接測(cè)量？

對(duì)于上述這種情況，以往采用的辦法是依據(jù)高阻抗反向電路、穩(wěn)定性分析以及噪聲分析來(lái)進(jìn)行CDM差模電容測(cè)量。這種傳統(tǒng)的測(cè)量方法是一種間接測(cè)量，十分依賴于相位裕度的降低，而且因?yàn)樾枰c負(fù)輸入共模電容并聯(lián)，測(cè)量顯得繁瑣且復(fù)雜。CDM測(cè)量的難點(diǎn)之一在于運(yùn)算放大器本身固有的特性會(huì)使其兩個(gè)輸入趨于相等從而自舉CDM。當(dāng)輸入電流被強(qiáng)制分開并進(jìn)行測(cè)量，使用各種不同的技術(shù)得到測(cè)量結(jié)果都會(huì)有些不盡如人意。

有一種辦法是通過(guò)分離輸入，并進(jìn)行輸出削波。這種辦法不會(huì)對(duì)輸入進(jìn)行過(guò)度的分離，能夠避免輸入級(jí)的非線性影響。但并不是所有運(yùn)算放大器拓?fù)涠寄苓m用這種辦法，有些情況下這種測(cè)量方式會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部電路失效。

如果能夠有合適的設(shè)備和切合的測(cè)試設(shè)置，直接測(cè)量CDM也是可行的。在增益為1的緩沖電路中使用電流源激勵(lì)輸出和反相輸入。低頻下輸出變動(dòng)不會(huì)很大，這意味著通過(guò)CDM的電流很??；中頻下運(yùn)算放大器的帶寬在可以接受的范圍內(nèi)下降，輸出變動(dòng)仍然能提供足夠大的電壓激勵(lì)，讓通過(guò)CDM的電流可以被檢測(cè)到。唯一的難點(diǎn)就在于測(cè)試設(shè)備的選擇和實(shí)際測(cè)量中的設(shè)置。

任何能夠使用自動(dòng)平衡電橋阻抗測(cè)量方法的四端口設(shè)備都是測(cè)量CDM的合適選擇。內(nèi)部振蕩器以零為中心產(chǎn)生正弦波，具有正負(fù)擺幅，能夠用于雙電源供電。如果說(shuō)運(yùn)算放大器DUT是由單電源供電的，那則需要調(diào)整偏置功能以防止信號(hào)發(fā)生對(duì)地削波。

在設(shè)備選擇確定的情況下，剩下的就是合適的測(cè)試設(shè)置。首先要先確保的是電路板和連線對(duì)CDM的寄生電容貢獻(xiàn)必須極小。PCB板的布局需要更嚴(yán)格些，如果是測(cè)試高速運(yùn)算放大器，低速運(yùn)算放大器則可以適當(dāng)放寬些。這種方法對(duì)于絕大多數(shù)JFET、CMOS輸入性型運(yùn)算放大器都是相對(duì)簡(jiǎn)單且并不繁瑣的測(cè)量輸入差分電容的方法。當(dāng)然，輸入級(jí)的設(shè)計(jì)、器件工藝以及封裝都會(huì)對(duì)測(cè)量有影響，這是不可避免的。

電阻檢測(cè)新思路——無(wú)線

測(cè)量流經(jīng)檢測(cè)電阻的電流是硬件電路檢測(cè)中很容易實(shí)現(xiàn)的事，難點(diǎn)在于如何消除電壓差。最普遍的有兩種思路，一種通過(guò)緊湊的模擬電流檢測(cè)IC檢測(cè)，一種是使用隔離技術(shù)。

前一種方法可承受的電壓差有限（和工藝掛鉤），一旦電壓波動(dòng)，測(cè)量的精準(zhǔn)度就無(wú)從談起。后一種方法精度高，可承受高電壓差，缺點(diǎn)在于對(duì)于空間受限的電路不友好，可能會(huì)增加額外的線纜才能實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。

無(wú)線電流檢測(cè)這種新思路即是讓電路隨檢測(cè)電阻的共模電壓浮空，在空中無(wú)線傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)。這樣既擺脫了可承受的電壓差限制，也無(wú)須顧及空間受限。如果電路的功耗也很低，隔離電源都可以不需要。需要考量的地方在于整個(gè)信號(hào)鏈、電源管理以及無(wú)線組網(wǎng)該如何設(shè)計(jì)如何結(jié)合。

測(cè)量電感電流時(shí)的抉擇

評(píng)估電源時(shí)我們經(jīng)常通過(guò)測(cè)量電感電流來(lái)了解整個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路。接入輔助電纜與電感串聯(lián)，然后將其連接一個(gè)電流探頭在電感具有穩(wěn)定電的那一側(cè)完成測(cè)量。如果不考慮成本，這是很實(shí)用的一種方案。

通過(guò)分流電阻來(lái)測(cè)量電感電流這種辦法在成本上更親民，但是開關(guān)噪聲很容易耦合至測(cè)量中影響測(cè)量結(jié)果。尤其是在峰值電流處，用分流電阻的辦法會(huì)出現(xiàn)極強(qiáng)的耦合噪聲，幾乎無(wú)法檢測(cè)電感飽和。如何選擇就看需要何種水平的評(píng)估了。

小結(jié)

像對(duì)于差分電容的測(cè)量、電感電流的測(cè)量、電阻浮空的測(cè)量等等，這些測(cè)量都是很常見同時(shí)也很容易出現(xiàn)疏漏的應(yīng)用。所以在不同的測(cè)量中找準(zhǔn)那些容易疏漏的地方，完善整個(gè)測(cè)量過(guò)程，對(duì)于完成精準(zhǔn)測(cè)量有著極大的意義，對(duì)整個(gè)器件的可靠性也會(huì)起到舉足輕重的作用。