硬件电路测量：电感、电阻与电容

电感、电阻以及电容这三种基本元件，是任何硬件电路都离不开的，可以说这些元件不仅关系到硬件电路整体的稳定性，还决定了电子设备质量的优劣。因此在一个硬件电路中，对于电阻、电容以及电感这些元件的相关测量是相当重要的。
 

 
 

像对于差分电容的测量、电感电流的测量、电阻浮空的测量等等，这些测量都是很常见同时也很容易出现疏漏的应用。我们从光电二极管这类很常见的器件来看，当光电二极管的结电容较小的时候，运算放大器的输入电容就是噪声和带宽问题最大的影响因素。这个输入电容和反馈电阻在放大器的响应中会产生一个极点，在高频率下会增加噪声增益，并影响稳定性。
 
如何简化传统的电容间接测量？
 
对于上述这种情况，以往采用的办法是依据高阻抗反向电路、稳定性分析以及噪声分析来进行CDM差模电容测量。这种传统的测量方法是一种间接测量，十分依赖于相位裕度的降低，而且因为需要与负输入共模电容并联，测量显得繁琐且复杂。CDM测量的难点之一在于运算放大器本身固有的特性会使其两个输入趋于相等从而自举CDM。当输入电流被强制分开并进行测量，使用各种不同的技术得到测量结果都会有些不尽如人意。
 
有一种办法是通过分离输入，并进行输出削波。这种办法不会对输入进行过度的分离，能够避免输入级的非线性影响。但并不是所有运算放大器拓扑都能适用这种办法，有些情况下这种测量方式会导致内部电路失效。
 
如果能够有合适的设备和切合的测试设置，直接测量CDM也是可行的。在增益为1的缓冲电路中使用电流源激励输出和反相输入。低频下输出变动不会很大，这意味着通过CDM的电流很小；中频下运算放大器的带宽在可以接受的范围内下降，输出变动仍然能提供足够大的电压激励，让通过CDM的电流可以被检测到。唯一的难点就在于测试设备的选择和实际测量中的设置。
 
任何能够使用自动平衡电桥阻抗测量方法的四端口设备都是测量CDM的合适选择。内部振荡器以零为中心产生正弦波，具有正负摆幅，能够用于双电源供电。如果说运算放大器DUT是由单电源供电的，那则需要调整偏置功能以防止信号发生对地削波。
 
在设备选择确定的情况下，剩下的就是合适的测试设置。首先要先确保的是电路板和连线对CDM的寄生电容贡献必须极小。PCB板的布局需要更严格些，如果是测试高速运算放大器，低速运算放大器则可以适当放宽些。这种方法对于绝大多数JFET、CMOS输入性型运算放大器都是相对简单且并不繁琐的测量输入差分电容的方法。当然，输入级的设计、器件工艺以及封装都会对测量有影响，这是不可避免的。
 
电阻检测新思路——无线
 
测量流经检测电阻的电流是硬件电路检测中很容易实现的事，难点在于如何消除电压差。最普遍的有两种思路，一种通过紧凑的模拟电流检测IC检测，一种是使用隔离技术。
 
前一种方法可承受的电压差有限（和工艺挂钩），一旦电压波动，测量的精准度就无从谈起。后一种方法精度高，可承受高电压差，缺点在于对于空间受限的电路不友好，可能会增加额外的线缆才能实现高精度测量。
 
无线电流检测这种新思路即是让电路随检测电阻的共模电压浮空，在空中无线传输测量数据。这样既摆脱了可承受的电压差限制，也无须顾及空间受限。如果电路的功耗也很低，隔离电源都可以不需要。需要考量的地方在于整个信号链、电源管理以及无线组网该如何设计如何结合。
 
测量电感电流时的抉择
 
评估电源时我们经常通过测量电感电流来了解整个电压转换电路。接入辅助电缆与电感串联，然后将其连接一个电流探头在电感具有稳定电的那一侧完成测量。如果不考虑成本，这是很实用的一种方案。
 
通过分流电阻来测量电感电流这种办法在成本上更亲民，但是开关噪声很容易耦合至测量中影响测量结果。尤其是在峰值电流处，用分流电阻的办法会出现极强的耦合噪声，几乎无法检测电感饱和。如何选择就看需要何种水平的评估了。
 
小结
 
像对于差分电容的测量、电感电流的测量、电阻浮空的测量等等，这些测量都是很常见同时也很容易出现疏漏的应用。所以在不同的测量中找准那些容易疏漏的地方，完善整个测量过程，对于完成精准测量有着极大的意义，对整个器件的可靠性也会起到举足轻重的作用。