众所周知，当我们使用双端口分流通配置测量低阻抗时，由于电缆编织的电阻，我们可能会产生误差。此错误说明在图1(复制自[2])，可以通过多种方式减少或消除，其中包括使用带有浮动或半浮动[3]连接器参考或适当的前置放大器的测量仪器。
图1。用半浮动连接测量2.5 mOhm电阻时电缆编织误差的说明。红色迹线:所有连接器接地。蓝色痕迹:连接器外壳呈半漂浮状态。
但是这种误差的真正本质是什么，前置放大器的哪些特性可以帮助我们消除它?这就是我们在本文中看到的内容。
图2显示了一个两端口并联测量连接的等效电路。中所示的错误是由什么造成的，您可以很容易地看到图1如果你在简化等效电路中跟随电流。电源实际上是短路的，通过端口1电缆驱动其分流电流。该电流通过DUT，必须返回到电缆编织上的矢量网络分析仪(VNA)，这将提高dut_返回点的电位。如果遵循红线突出显示的路径，还可以看到从DUT_return点到端口2输入的直接连接。
图2。采用两端口矢量网络分析仪的两端口并联阻抗测量方案。左边和右边分别是完整和简化的等效电路。
我们的问题是，当我们想要测量未知Zdut阻抗上的差分电压时，Port2在dut_返回点上的共模错误电压上接收该电压，而我们典型的VNA输入没有共模抑制。这告诉我们，为了减少或消除这种误差，我们必须通过限制电缆编织中的电流来降低共模误差电压，或者我们必须以差分方式感知Zdut上的电压，或者这两者的某种组合。解决这个问题的所有方法都是这些选项的各种实现。使用前置放大器是一种可能，但前置放大器的实际特性仍然很重要。一些前置放大器在端口1电缆上工作得很好，其他一些前置放大器在端口2电缆上工作得很好，还有一些前置放大器在两种电缆上工作得同样好。图3显示了这两个选项:前置放大器在端口1或端口2电缆系列。
图3。前置放大器连接选项:将其置于端口1线缆(左侧)或端口2线缆(右侧)上。
我们当然可以将前置放大器串联到两根电缆上，但这将是一个过度的操作，并且，正如我们将在下面看到的，如果我们不小心如何选择前置放大器的特性，两个选择错误的前置放大器实际上可能比一个具有正确特性的前置放大器更有用。
在图3前置放大器用一个非常简化的等效电路表示。目前，我们忽略了它的电源要求，也不考虑任何频率依赖性。等效电路中有五个元件:三个电阻代表共模和差分模输入电阻，一个电压源和一个串联电阻代表输出电阻。出于讨论的目的，电压增益或输出电阻不太重要。一个50欧姆输出阻抗的单位增益放大器是一个很好的开始，但不同的值也可以同样工作。真正重要的两个参数是前置放大器的输入阻抗和共模抑制。正如我们下面所解释的，无论我们想在端口1或端口2电缆上使用前置放大器，都将适用不同的要求。
当前置放大器在端口1电缆上时，我们可以用高输入阻抗消除电缆编织误差。高输入阻抗将显著降低电缆编织上的返回电流，即使放大器中没有共模抑制，误差也会被消除。另一方面，当我们选择将前置放大器放在Port 2电缆上时，输入阻抗并不重要，因为放大器输入是由低阻抗DUT驱动的。然而，在这种情况下，共模抑制变得很重要:当源的全分流电流返回到电缆辫上时，只有当前置放大器忽略DUT_return节点上的共模电压，只响应DUT上的差压时，我们才能抑制误差。如果我们想要一个前置放大器在端口1或端口2电缆上有效，我们需要一个具有高输入阻抗的放大器和高共模抑制。
根据应用程序的不同，还有一长串进一步的实际考虑因素。电缆编织误差通常在几百千赫兹以上减小，所以幸运的是放大器的共模抑制性能不需要很宽的频带。然而，当我们用来自VNA的直流偏置电压测量DUT时，或者当DUT本身有自己的直流源电压时，共模输入和输出电压范围可能会成为限制:如果我们测量一个功率转换器，就会发生这种情况。
此外，当我们在端口1电缆上安装前置放大器时，高共模抑制(在这种情况下，我们不需要减少电缆编织误差)将消除测量来自VNA端口的直流偏置电压的电容的可能性。在这种情况下，当我们测量带电直流电源(电池或稳压器)时，输出可能会受到压力。当我们将前置放大器放在端口2电缆上时，良好的共模抑制和高共模输入电压范围变得非常重要，这样我们就可以测量有源dut和带有直流偏置的组件。前置放大器的电源也同样重要。如果我们想要最终的隔离，电池供电的前置放大器是最好的选择。
自己建造前置放大器?
市场上有专业的前置放大器[4]，它能很好地减少电缆编织误差。如果您想用自己的电路进行试验，本文的其余部分将对您有所帮助。对于这里展示的例子，我们使用稳健的AD815双运算放大器。它具有0.4A的保证输出电流，120 MHz闭环带宽和5 uA的最差情况输入偏置电流。有了这个运算放大器，我们可以构建性能非常好的前置放大器，最高可达10 MHz。
具有高输入阻抗的前置放大器
单封装AD815的前置放大器如图所示图4．放大器有200欧姆的差分输入电阻，但实际上没有共模抑制。它在50欧姆终端之间的正向增益为- 6db，它可以处理其输入上的+- 2V DC偏置。请注意，如果使用更高的电源电压，输入共模电压范围将增加。原理图如图所示图4．
前置放大器建立在穿孔原型板上，两侧没有铜。电源为两组AAA电池，标称电压为+-6V。这个前置放大器是端口1应用的一个很好的选择，这样编织电流可以被它的高输入阻抗阻塞。因为它没有共模抑制，这个放大器不是端口2电缆的好选择。
图4。具有高输入阻抗和无共模抑制的前置放大器原理图。
图5。具有高输入阻抗和无共模抑制的前置放大器结构。
结构如图所示图5．在输入和输出上有直角SMA连接器。为方便起见，在两侧有平行向上的公母连接器;这将允许我们用SMA连接器连接电缆，而不需要适配器。连接器、运算放大器、散装电容器和电源连接器在顶部。所有其他组件都在板的底部。为了保护背面的小部件免受机械损坏，并提供一些绝缘，背面覆盖了环氧树脂。
前置放大器测量了几种不同的配置。一个典型的测试结果显示在图6，使用Keysight E5061B VNA在1 kHz - 100 MHz频率范围内拍摄。
图6。前置放大器的S参数如图4、5所示。
注意S11由于输入阻抗高，幅度实际上是1。输出阻抗是相当好的匹配到10兆赫。同样，正向和反向传递参数S21和S12，在至少10 MHz时表现良好。
图7。前置放大器测量装置。
测量设置显示在图7．与同轴电缆一起在网络分析仪上完成全双端口校准。通过改变端口1上的射频功率和直流偏置电压来找到压缩点。
