减少电缆编织环路误差的前置放大器选项

它已经知道了相当一段时间[1]，当我们测量低阻抗与双端口分流配置，我们潜在地创建一个错误，由于电缆编织的电阻。这个错误，说明在图1(摘自[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]连接器参考或带有适当前置放大器的测量仪器。

图1所示。测量半浮动连接2.5 mOhm电阻时的电缆编织误差示意图。红色痕迹:所有连接器接地。蓝色痕迹:连接器外壳为半浮动。

但是这种误差的真实性质是什么，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要讨论的内容。

图2显示了双端口并联测量连接的等效电路。可以很容易地看到是什么导致了中所示的错误图1如果你跟踪简化等效电路中的电流。电源实际上是短路的，驱动其分流电流通过端口1电缆。该电流通过DUT并且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。如果沿着红线突出显示的路径，还可以看到从DUT_return点到Port 2输入的直接连接。

图2。采用双端口矢量网络分析仪的双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_return点上的共模误差电压上接收到这个电压，而我们典型的VNA输入没有共模抑制。这告诉我们，为了减少或消除这个误差，我们必须通过限制电缆编织中的电流来减少共模误差电压，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，有些在端口2电缆上工作得很好，而另一些在两根电缆上同样工作得很好。图3显示了这两个选项:前置放大器串联端口1或端口2电缆。

图3。前置放大器连接选项:将其放在端口1电缆(在左边)或端口2电缆(在右边)上。

我们当然可以将前置放大器串联到两根电缆上，但这将是多余的，而且，正如我们将在下面看到的，如果我们不小心选择前置放大器的功能，两个不正确选择的前置放大器实际上可能比一个具有正确功能的前置放大器帮助更少。

在图3前置放大器用一个非常简化的等效电路表示。现在，我们忽略它的电源需求，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模输入电阻，一个电压源，一个串联电阻代表输出。为了本讨论的目的，电压增益或输出电阻无关紧要。输出阻抗为50欧姆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。正如我们下面解释的那样，无论我们是想在端口1还是端口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Port 1电缆上时，我们可以消除高输入阻抗的电缆编织误差。高输入阻抗将显著减少电缆编织上的返回电流，即使放大器中没有共模抑制，也可以消除误差。另一方面，当我们选择将前置放大器放在Port 2电缆上时，输入阻抗无关紧要，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:随着源的全部分流电流返回到电缆编织上，只有当前置放大器忽略DUT_return节点上的共模电压并且仅响应DUT上的差分电压时，我们才能抑制误差。如果我们想要前置放大器在端口1或端口2电缆上有效，我们需要一个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事项。电缆编织误差通常在几百千赫兹以上减小，因此幸运的是，放大器的共模抑制性能不需要很宽的频带。然而，当我们测量带有来自VNA的直流偏置电压的被测件时，或者当被测件本身处于活动状态时，具有自己的直流源电压时，共模输入和输出电压范围可能成为限制:如果我们测量功率转换器，则可能发生这种情况。

此外，当我们在端口1电缆上有前置放大器时，高共模抑制(在这种情况下我们不需要减少电缆编织误差)将消除测量具有来自VNA端口的直流偏置电压的电容器的可能性。在这种情况下，当我们测量一个带电的直流电源: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重要，以便我们可以测量有源被测器和具有直流偏置的组件。前置放大器的电源也同样重要。如果我们想要终极隔离，电池供电的前置放大器是最好的选择。

建立自己的前置放大器?

市场上有专业的前置放大器[4]，它们在减少电缆编织误差方面做得很好。如果您想尝试自己的电路，本文的其余部分将对您有所帮助。对于这里所示的示例，我们使用稳健的AD815双运算放大器。它具有保证输出电流为0.4A, 120 MHz闭环带宽和5 uA最坏情况输入偏置电流。使用此运算放大器，我们可以构建具有非常好的性能的前置放大器，最高可达10 MHz。

高输入阻抗的前置放大器

采用AD815封装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欧姆终端之间具有- 6db的正向增益，并且可以在其输入上处理高达+- 2V的直流偏置。请注意，如果使用较高的电源电压，则输入共模电压范围将增加。示意图如图所示图4。

前置放大器建立在穿孔的原型板上，两侧没有铜。电源是两组AAA电池，提供+-6V标称电压。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挡。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。高输入阻抗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的构造。

结构如图所示图5。在输入和输出端有直角SMA连接器。为方便起见，两侧有平行向上的公母连接器;这将允许我们用没有适配器的SMA连接器连接电缆。连接器、运算放大器、散装电容器和电源连接器位于顶部。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伤，并提供一些绝缘，背面覆盖了环氧树脂。

在几种不同的配置下测量了前置放大器。一个典型的测试结果显示在图6，用Keysight E5061B VNA在1 kHz - 100 MHz频率范围内拍摄。

图6。前置放大器S参数如图4和图5所示。

注意S₁₁由于输入阻抗高，幅值实际上是1。输出阻抗匹配得相当好，可达10 MHz。同样，正向和反向传递参数S₂₁和S₁₂，在至少10mhz的频率下表现良好。

图7。用于测量前置放大器的设置。

测量设置见图7。对网络分析仪和同轴电缆进行了全双端口校准。改变端口1上的射频功率和直流偏置电压以找到压缩点。

具有高共模抑制的前置放大器

同样的双运算放大器可以用来产生高共模抑制。事实上，如果我们同时不需要高输入阻抗，只使用双运放的一侧就足够了。示意图如图所示图8。

图8。具有高共模抑制的前置放大器。

高共模抑制的关键是平衡正负输入路径的阻抗。精密499欧姆电阻提供良好的平衡。在50欧姆负载上的正向增益近似为单位，输入可以处理高达+- 3V DC的共模电压。另一方面，共模输入电阻仅为499欧姆，因此该前置放大器最好用于端口2电缆。测量得到的S参数见图9。注意，正向传输参数S₂₁在低频时为-0.38 dB。这是由于50欧姆源阻抗和1欧姆单侧输入阻抗之间的衰减。结构类似于前面的前置放大器，它将在下一节中显示。

图9。前置放大器的S参数如图7所示。

具有高输入阻抗和高共模抑制的前置放大器

如果我们想要一个通用的前置放大器，可以在端口1或端口2电缆上使用，我们可以级联上面显示的两个前置放大器。示意图如图所示图10。该放大器在50欧姆终端之间具有6 dB正向增益，因此，其共模输入电压范围限制为+- 1.2 V DC。测量得到的S参数见图11。

图10。具有高共模抑制和高输入阻抗的前置放大器。

图11。测量到的前置放大器S参数如图10所示。

第二和第三前置放大器总共需要四个运算放大器，因此要利用所示前置放大器中第二个双运算放大器的未使用的一半图10，前置放大器如图图8都建立在同一个原型板上。结构如图所示图12。

图12。前置放大器的结构如图8和图10所示。

结论

在双端口并联阻抗测量装置中，共模输入阻抗和共模抑制比是前置放大器的两个主要参数，有助于减少电缆编织误差。当前置放大器用于端口1电缆时，高共模输入阻抗很重要。Port 1电缆上的共模抑制无关紧要。事实上，不需要共模抑制，这样当我们需要测量直流偏置依赖性时，来自源的直流偏置电压就可以传播到被测设备。当前置放大器在Port 2电缆上时，共模抑制是重要参数，输入阻抗无关紧要。

参考文献

[1]“配电网络的毫欧姆和皮亨利测量”，设计与工程，2000，可在http://www.electrical-integrity.com/Paper_download_files/DC00_MeasuringMiliohms.pdf

[2]“仪器电缆编织阻抗对PI和SI测量的影响”，DesignCon 2019, 2019年1月，Santa Clara, CA

[3]中低频范围内PDN阻抗测量精度的改进，DesignCon 2010, 2月1-4日，2010,Santa Clara, CAwww.electrical-integrity.com

[4] Picotest J2113A半浮式差分放大器接地回路断路器，https://www.picotest.com/products_J2113A.html