ZHCABC5 January 2021 BUF634 , BUF634A , OPA2810 , OPA656 , OPA810 , THS4551
1 应用简报
引言
LCR 表和阻抗分析仪用于测量无源器件，如电阻器、电容器、电感器或这些元件的组合的未知值。这些实验室器件是相似的，只是阻抗分析仪允许在不同的测试频率下进行测量。与其他架构相比，自动平衡 (ABB) 方法可在广泛的阻抗值范围内提供较高的测量精度，本技术报告对此进行了讨论。
自动平衡方法
图 1-1 展示了使用 ABB 方法的模拟前端的代表性示意图。ZDUT 是未知阻抗（受测器件或 DUT），RF 是该电路中的已知反馈电阻。在信号链的输入端强制施加已知电压 VIN 。对于 ZDUT 两端的电压 VDUT 和流经它的电流 IDUT，
放大器 A1 用作反相放大器，其输出电压为：
根据 (1) 和 (3)，由以下公式得出未知阻抗 ZDUT：
图 1-1 使用 ABB 方法的 LCR 表模拟前端的代表性示意图
设计挑战
使用 ABB 方法设计 LCR 表模拟前端电路时，需要仔细考虑以下几点：
- 单个 RF 值不足以测量广泛的 ZDUT 值。为了增加 LCR 表的测量范围和灵敏度，多个反馈电阻器（RF1、2、3）通过串联开关（SWF1、2、3）切入到电路中，如图 1-2 所示。
- 较大的 RF 值会在噪声增益传递函数中形成零点，导致 40dB/十倍频程的接近速率和潜在的不稳定性。使用与较大 RF 并联的电容器 CF（如图 1-1 所示）可引入一个极点来抵消该零点并恢复相位裕度，但很难找到一个单一的 CF 值来保证所有容性 ZDUT 值的稳定性。该问题可以使用带有 ZDUT 的串联电阻器 RG1、2、3 来解决，如图 1-2 所示。使用 RG 会在噪声增益中引入一个极点，从而消除零点并恢复稳定电路的相位。需要使用多个 RG 值（等于对应的 RF1、2、3）和对应的串联开关（SWG1、2、3）。相同的 RF 和 RG 对（在图 1-2 中以相同颜色标记）每次都切换到所需的测量范围，以确保稳定运行。
- 对于高值 DUT 的高精度测量，VDUT 和 IDUT 应使用高 Z 输入放大器（此处为 A2 和 A3，具有 ≈pA 范围偏置电流的 CMOS 或 FET 输入放大器）进行缓冲。
图 1-2 用于需要更多放大器和差分 ADC 的高频测量的改进电路放大器 A3 可以取消，以简化模拟前端设计；但是，为保持测量精度，放大器 A1 应具有足够大的开环增益 (AOL)，从而得到所测最高测量频率处的增益带宽积。在测试频率下 AOL 较大时，A1 的反相输入端会保持虚拟接地。
取消 A3 后可以进行单点接地参考测量，而且只需较少数量的放大器通道和单端 ADC。一般经验法则是，确保 A1 在所测最高频率处具有 >60dB 的 AOL，以进行高精度测量。对于更高的测试频率，需要对 VDUT 和 IDUT 进行两点测量，以高精度计算 ZDUT，这需要更多放大器（图 1-2 中为 A3）和差分输入 ADC。
结论
TIDA-060029 参考设计详细描述了此 LCR 表模拟前端和相关困难。此参考设计中实现了阻抗测量精度为 0.1% 的模拟前端。在 100Hz 到 100kHz 的频率下，可以测量 1Ω 到 10MΩ 范围内的阻抗值。表 1-1 列出了适用于 LCR 表设计的德州仪器 (TI) 放大器：