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。Z_DUT 是未知阻抗（受测器件或 DUT），R_F 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 V_IN 。对于 Z_DUT 两端的电压 V_DUT 和流经它的电流 I_DUT，

Equation1.

放大器 A1 用作反相放大器，其输出电压为：

Equation2.

Equation3.

根据 (1) 和 (3)，由以下公式得出未知阻抗 Z_DUT：

Equation4.

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：

1. 单个 R_F 值不足以测量广泛的 Z_DUT 值。为了增加 LCR 表的测量范围和灵敏度，多个反馈电阻器（R_F1、2、3）通过串联开关（SW_F1、2、3）切入到电路中，如图 1-2 所示。
2. 较大的 R_F 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 R_F 并联的电容器 C_F（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 C_F 值来保证所有容性 Z_DUT 值的稳定性。该问题可以使用带有 Z_DUT 的串联电阻器 R_G1、2、3 来解决，如图 1-2 所示。使用 R_G 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 R_G 值（等于对应的 R_F1、2、3）和对应的串联开关（SW_G1、2、3）。相同的 R_F 和 R_G 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。
3. 对于高值 DUT 的高精度测量，V_DUT 和 I_DUT 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 V_DUT 和 I_DUT 进行两点测量，以高精度计算 Z_DUT，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：