探秘高频测量：分流电阻串联电感补偿的原理与实践

　

　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。

　　而电流分流器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传感器不同，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，现成的表面贴装电阻器（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，包括端子长度和端子间距，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。