2端口并联测量是测量高达非常高频率的毫欧阻抗的标准方法

测量超低阻抗（20微欧）对任何配电网络（PDN）设计工程师来说都是一个挑战。 2端口并联测量是测量高达非常高频率（GHz）的毫欧阻抗的标准方法。不幸的是，这种测量包括与仪器接地和测试设置电缆相关的不良接地回路。如果不采取适当的措施，接地回路会引入重大错误。本应用笔记介绍了如何使用Picotest J2102A作为接地回路断路器测量低至20μΩ的电压。

图1显示了测量设置使用Keysight E5061B矢量网络分析仪（VNA）和Picotest接地隔离器（J2102A或J2113A）测量2端口并联配置中的阻抗。 Picotest解决方案适用于任何商用VNA，示波器或频谱分析仪。 J2102A（共模变压器）用于测量20μΩ及以上的阻抗。 J2113A（半浮动差分放大器）可用于测量1mΩ或以上的阻抗。 J2113A在低至DC时有效，而J2102A在100 Hz甚至低于100 Hz时有效。本应用笔记描述了20μΩ或以上的测量，测量使用J2102A，有效等于或高于100 Hz。

图1：使用Keysight E5061B VNA和Picotest接地隔离器J2102A/J2113A进行双端口并联阻抗测量设置。

2端口分流测量的基本理论

图2：用于测量R的2端口并联测量电路图。

图2显示了在2端口并联测量中测量小值电阻的电路配置。根据 S的定义 21 ［ 1 ，第2页-3］ ，

解决R得到，

假设 R 0 =50Ω且 S 21 《《 1（非常小的真）阻抗大小/电阻 - R 《 0 ）。在2端口并联测量中，等式1不太直观。另一种 S 21 定义的表示形式在 ［ 1 ，pp.2］ ，

简化后，公式3得出S 21 的相同值。这里的不同之处在于，与公式1相比，公式3给出了S 21 所发生情况的直观感觉。如果VNA存在，则分母（=接收器在R不存在时吸收的功率）是恒定的，如果源和接收器阻抗是固定的。史蒂夫桑德勒在他的论文“扩展2端口并联阻抗测量的可用范围”［2］中提出了一个例外。这里增加源R 0 以移动测量窗口。通过添加外部电阻450Ω，源和接收器R 0 增加到更高的值。假设我们感兴趣的频率范围使得外部电阻器电气非常小并且在该频率下是集总元件，则对于50ΩVNA，Rs现在变为500Ω。该方法有效地降低了可以从VNA获得的最大功率，这增加了可以测量的阻抗范围。应该注意的是，灵敏度是VNA的固有属性，在此不做改变。

这意味着最小可测量值和最大可测量值都会增加。

在等式3中，S 21 2 是Rx中的接收功率，其由在不存在DUT时可能已经接收的功率缩放。让我们看一下这在2端口阻抗测量中的效果。当接收功率增加时，R = 25·S 21 ，S 21 增加。

接收功率的任何增加都将被VNA测量系统反射或感知为DUT电阻R的增加。这对于理解接地回路问题非常重要。

非理想性和固有接地回路

与所有其他测量一样，2端口并联测量也会受到非理想性的影响。图3显示了两个非理想情况，

电缆损耗

接地回路

《图id =“attachment_11109”aria-describedby =“caption-attachment-11109”style =“width：590px”class =“wp-caption aligncenter”》

图3： 2端口并联测量中添加的非理想情况。

每根电缆都会有电缆损耗在图3中标记为电缆电阻。由于国家电气规范（NEC）对公共安全的要求，VNA中的所有接地必须连接在一起。这在2端口并联测量中形成接地回路，如图3所示。

图4显示了信号电流返回的备用路径，称为共模电流。添加接地连接创建了此路径。如果这条路从未存在过，那么所有的电流都会通过电缆返回。新路径为电流创建了另一条路径，该路径取决于Zg的值。在几乎所有的VNA中，Zg 《 21 ，并且反过来估计的R为25·S 21 。这是测量中的错误，与R的实际值无关。

图4：共用模式当前路径由于地面循环。

图5： Keysight ADS示例用于估计接地回路误差，有无共模变压器描述公共模式电流路径。

接地回路问题解决方案

应尽量减小共模电流，以最大限度地减少测量误差。 Picotest提供两种最小化共模电流的解决方案：

共模变压器 - J2102A

半浮动差分放大器 - J2113A

J2113A可用于直流频率及以上，电压为-1.9V至+ 1.9V，而J2102A则在100Hz及以上有效。在几kHz以上的频率下，J2102A的共模抑制比（CMRR）明显高于J2113A。在大多数情况下，J2102A是测量超低阻抗（20μΩ）的更好选择。 J2113A可用于测量1mΩ及以上的阻抗以及低至DC的频率。图5显示了针对四种情况的Keysight ADS仿真，

接地电压，Zg = 1 nH +0.1mΩ，共模变压器，T = 0

接地电压，Zg = 1 nH + 60 Ω，共模变压器，T = 0

接地电压，Zg = 1 nH +0.1mΩ，共模变压器，T = 0.9999

接地电压，Zg = 1 nH + 60 Ω，共模变压器，T = 0.9999

仿真结果如图6所示.E5061B内置接地隔离放大器，模拟60Ω（每端口30Ω）［3，图21］改善VNA的CMRR。图6显示，当我们测量超低阻抗（20μΩ）时，这还不够好。情况3和4表明，当存在高质量的共模变压器时，对于低至20μΩ的测量，可以获得良好的结果。

图6 ：Keysight ADS仿真图4的四种情况 - 1）接地阻抗，Zg = 1 nH +0.1mΩ，共模变压器，T = 0; 2）Zg = 1nH +50Ω，T = 0; 3）Zg = 1nH +0.1mΩ，T = 1; 2）Zg = 1 nH +50Ω，T = 1表示在测量超低阻抗时，即使在隔离放大器E5061B ［3，图21］内部提供60Ω（每端口30Ω的Zg）时也需要共模变压器（20μΩ）。

连接

高保真度测量需要高质量的电缆和探头，屏蔽效果好。有时，交流耦合测量也很重要，以便最小化DC负载或由于测量的工作电压超过VNA的限制。 Picotest PCK01是一种高性能电缆和连接器套件，而Picotest P21B01则包含高质量探头和DC模块。测量体电容和去耦电容时的最高精度是通过将元件安装在特征化的印刷电路板上实现的。 Picotest DTBK01套件包括大多数标准尺寸，并包括去嵌入数据以消除测量中PCB的寄生效应。

表1显示了各种电缆特性的比较。 Picotest电缆在损耗，灵活性和屏蔽特性方面为超低阻抗测量提供了最佳折衷。 Picotest电缆专为精确的2端口阻抗测量而设计。

表1：用于超低阻抗测量的各种电缆的比较。 Picotest电缆是基于灵活性，损耗和屏蔽特性的低阻抗测量的最佳选择。

测量示例

图7：比较Picotest解决方案，了解2端口并联阻抗测量中的接地回路问题，同时测量带有和不带接地回路隔离器的88μΩ电阻。注意：不执行夹具移除校准以显示隔离器性能。 J2102A在100 Hz以下无效。在这个例子中，起始频率为5 Hz，显示出这种实际困难，而图6是理想的共模变压器模拟，未显示出这种实际限制。

图8：测量前在灯具上安装了20μΩ电阻。

图9：设置为使用4线开尔文方法验证直流电阻值。这里测试了33μΩ样品。

图10：测得的20μΩ电阻。注意：不执行夹具移除校准以显示隔离器性能。 J2102A在100 Hz以下无效。在这个例子中，起始频率为5 Hz，显示出这个实际困难。

图7显示了在测量88μΩ电阻时，使用和不使用Picotest接地环路隔离器J2102A时测得的阻抗的比较。图8显示了安装在夹具上的20μΩ样品，用于测量。本文中的所有测量都使用类似的定制样品安装在类似的夹具上。图9显示了对33μΩ样品采用4线开尔文测量的DC样品验证。

图10显示了测得的20μΩ样品的实验结果。接地回路断路器的电缆损耗和CMRR是这种超低阻抗测量中的重要误差源［5］。在这些测量中使用高质量电缆和具有非常高CMRR的Picotest J2102A来克服这些错误。

结论

本应用笔记研究在2端口并联阻抗测量系统中存在固有接地回路背后的根本原因。流过测量系统的共模电流在VNA中引入接收信号中的误差，并且被错误地感测为DUT的电阻的增加。 Picotest J2102A或J2113A产品消除了用于测量2端口并联配置中阻抗的任何商用VNA中的接地环路。当我们测量1mΩ及以上的阻抗时，J2113A可有效隔离接地。 J2113A可用于隔离DC及其以上的接地，而J2102A可用于隔离100 Hz及以上的接地。 J2102A可用于测量20μΩ及以上的阻抗。在本文中，测量结果显示为20μΩ。

测量超低阻抗需要高质量的电缆，Picotest电缆专为这些应用而设计。重要的是在任何测量中以已知的电阻值开始以验证设置。在本应用指南中，使用4线开尔文测量来验证DC处的测量样本。

其他仪器和测试设置中也存在类似的接地环路，Picotest接地隔离器也在那里有效。

参考文献

［1］ RW Anderson，“更快，更准确的网络设计的S参数技术”，HP Appl。注释1967年2月95-1。

［2］ S. M. Sandler，“通过阻抗测量扩展2端口分流器的可用范围”，IEEE MTT-S Lat。上午。 Microw。 CONF。 （LAMC），第1-3页，2016年12月。

［3］“使用Keysight E5061B LF-RF网络分析仪测量频率响应”，是德科技Technol。申请注意。

［4］ P. Carrier，“高速设计中的信号完整性和电源完整性”，EDN，2014年。

［5］ S. M. Sandler，“如何测量超低阻抗（100uOhm及更低）的PDN”，EDICON，2018年10月。