为什么2端口低阻抗测量仍然重要
测量小的电阻值并非微不足道，但自从1861年开尔文勋爵发明开尔文桥以来，1我们至少有一个解决方案来测量非常低的直流电阻:四线开尔文连接(见图1)。我们通过发送已知电流通过电阻器来测量电阻，并使用单独的导线来测量电压降。
图1所示。四线开尔文连接示意图。
为了避免测量仪器和被测设备(DUT)之间连接的电压降造成的测量误差，我们将两个回路分开。我们使用两根导线通过未知的R电阻发送已知的I电流，并且我们使用两根单独的导线来检测V电压。我们将沿着发送测试电流的导线产生电压降。但是，如果我们确保我们用来检测未知R电阻上电压的两根电线连接到我们的电阻上，并且不包括携带测试电流的任何电线，这将无关紧要。沿着连接到电压测量仪器的导线的电压降也可以忽略不计:今天的电压表的输入电阻与导线电阻相比是如此之高(MOhms vs MOhms，至少10)9:1)，衰减可以忽略。
大约在130年后，用于交流阻抗测量的中频等效器件出现了。正如通常发生的那样，AC解决方案的灵感来自纯粹的需求。1997年秋，SUN微系统公司正在设计一款新的中档服务器，我的任务是为CPU模块设计配电网络。CPU核轨电压标称为1.8 V，最大电流50a。允许的电压波动和假定的瞬变电流要求CPU板上的PDN阻抗为5mohm。在那个时候，目标阻抗的概念已经为人所知，2但是，通过测量进行系统的验证过程仍然是一个挑战。
阻抗测量仪器可以可靠测量的最低阻抗被限制在欧姆的几分之一。在尝试了不同的矢量网络分析仪和其他基于通常的1端口反射方法的仪器之后，很明显，主要的限制不仅是仪器本身，还有我们必须使用的连接到未知的阻抗。
模拟四线直流电阻测量设置，2端口并联测量概念3.有没有一种摆脱困境的切实可行的方法图2)。网络分析仪的端口1发出校准的测试信号，我们使用专用的端口2连接来拾取被测件上的小电压。它的工作原理就像直流电阻的四线开尔文连接，但现在我们有了精密交流仪器的支持，使我们能够将频率范围扩展到GHz频率范围。
图2。2端口并联阻抗测量概念。
一个明显的区别是，与直流电压表的高输入电阻相反，矢量网络分析仪(VNA)今天往往具有标准的50Ω阻抗。为了避免电缆损耗造成的误差，我们可以对电缆的末端进行校准。低阻抗设备很少有用于阻抗测量的专用同轴连接器，因此我们必须自己使用定制探头或短导线进行最终连接。然而，这些最后的部分将在校准循环之外。在图2中，它们被称为Zconnection。由于它们与50Ω电缆串联，对于低于1 MHz的所有实际用途，它们不会施加显着限制。
下一个主要障碍是缺少配件。射频和微波测量有很大范围的标准化同轴连接可供选择，然后我们将连接器和夹具分离到我们测量的设备。对于低阻抗功率元件的测量，这种方法会施加太多的限制。在低频率下使用手工焊接连接或在高频率下使用探针更直接。
接下来，我们需要照顾电缆编织环的效果。4它需要放大器或共模变压器定制的应用。在1997年，这些都不容易获得，并且第一个2端口分流测量在今天的标准下是相当初级的。
为了说明其中一个极端的解决方案，图3这是一张我用了多年来消除电缆编织错误的环形变压器的照片。采用2× 50匝awg# 20导线实现1:1隔离。初级和次级的电线以双线的方式缠绕在一起。两个SMA母连接器焊接到绕组端，使其易于与SMA电缆一起使用隔离变压器。它有一个菲利普斯TX51/32/19-3F3铁氧体环形磁芯。线圈彼此绝缘的事实保证了良好的电缆编织误差抑制，但是当任何一侧包括有源时-例如，在测量带电的DC-DC转换器期间-通过绕组的电流实际上受到连接的同轴电缆的限制。有些电缆变热了。
图3。环形变压器断开电缆编织回路。
多年来，幸运的是，仪器与半漂浮地面5探头/附件已经可用。
今天，2端口直通方法仍然非常相关。我们的仪器变得越来越灵敏，但目标阻抗也在不断下降。一些最新的设计需要0.1 mOhm或更小的供电轨阻抗，这开始给仪器的噪声底带来压力。
我们可以用几种方法增强接收到的信号。一种选择是增加驱动强度，目前vna的驱动强度限制在20 dBm左右。单独的喷油器6或者当前的助推器7可用于驱动端，和/或低噪声前置放大器可用于接收端。8对于喜欢摆弄电子产品的人来说，一套不同情况下的放大器在。9
当我们使用两个探头连接到DUT时，在不接触的情况下，我们可以将探头连接的距离有一个实际限制。使用手持式半刚性探头，最小间距约为20密耳，足够小，通过PCB结构的空间衰减应该无关紧要。然而，如果芯片下有较大的电流和穿孔面，即使在很小的平面形状上，我们最终也会产生水平面电阻，与电容器的分流阻抗相比，这是不可忽略的。突然之间，位置很重要，结果取决于我们把探测器放在哪里。这对DC-DC变换器稳定性的实际影响在。10
最后，只是一个简短的提醒。模拟和测量之间的相关性很重要，但在模拟中，我们不会受到困扰我们测量的实际副作用的限制。无论我们是进行电路仿真还是现场求解器仿真，在仿真中，只有当我们研究连接细节的影响时，才需要2端口并联连接。电路模拟器的数值精度足够高，我们不需要变通。
参考文献
1.“四端传感”，维基百科，https://en.wikipedia.org/wiki/Four-terminal_sensing．
2.L. D. Smith, R. E. Anderson, D. W. Forehand, T. J. Pelc和T. Roy，“现代CMOS技术的配电系统设计方法和电容器选择”，《IEEE先进封装学报》，第22卷，第3期，1999年8月，页284-291。
3.I. Novak，“用矢量网络分析仪测量功率平面阻抗的探针和设置”，DesignCon 1999。
4.I. Novak和J.R. Miller，“配电网络的频域特性”，Artech House, 2007。
5.I. Novak，“低频到中频范围内PDN阻抗测量精度的改进”，DesignCon 2010, 2010年2月，www.electrical-integrity.com。
6.《J2101A注入变压器10Hz - 45MHz》，Picotest;www.picotest.com/products_J2101A.html．
7.E. Koether和I. Novak，“时域PDN验证的暂态负载测试仪”，EDI CON USA 2017，www.electrical-integrity.com/Paper_download_files/EDICON2017-PAPER_TLT-TimeDomainValidation.pdf．
8.《J2180A超低噪声前置放大器》www.picotest.com/products_J2180A.html．
9.1 . Novak，“减少电缆编织环路误差的前置放大器选项”，《安静电源专栏》，2018年12月，www.electrical integrity.com/quietpower_files/quietpower - 48. - pdf．
10.A. Miranda, J. Hartman, K.Narayandass, E. Koether, G. Blando, I. Novak，“电压调节器输出阻抗的空间变化与感测点位置的关系”，DesignCon 2018，www.electrical integrity.com/Paper_download_files/DC18_PAPER_Track11_HowSpatialVariationofVoltage_Miranda_updated__.pdf．
