9．電流測量的探頭

在很多場合下，需要對系統、電路或者芯片的工作電流進行測試，以了解系統功耗和工作狀態。如果只是做靜態電流測量，使用萬用表就可以了；如果要觀察電流的變化情況，可以使用低速的數據采集設備，工業上常用的數據采集設備能夠以比較高的精度對電流的波形做連續采集和記錄，但通常采樣率有限（約為1 Hz～100kHz）；而如果希望觀察更快速的電流動態變化，例如測量設備上電瞬間的沖擊電流、開關電源的開關損耗、存儲芯片在不同讀寫狀態的電流消耗等，可能就需要用到示波器了。

示波器本身只能顯示電壓隨時間的變化波形，也就是只能進行電壓量的測量。要進行電流的測量，需要把電流量轉換成電壓量才能測量，常用的把電流轉換成電壓量進行測量的方法有取樣電阻法、霍爾元件法及電磁感應法等。

|取樣電阻法：取樣電阻的方法是在被測的電流路徑上串接一個小的電阻（例如0.1Ω或1Ω），這樣電流流過時就會產生壓降。通過差分探頭測量取樣電阻上的壓降，再根據歐姆定律就可以計算出電阻上的流過電流。這種方法的優點是成本低、易于實現，但缺點是需要斷開被測電路（或者在設計時就在電流路徑上串接取樣電阻）并會產生額外壓降。取樣電阻的測量方法不太適合有大電流動態變化的場合。例如有些消費電子的電路中，工作狀態和待機狀態的電流會有比較大的差異。假設被測電路的電流會在10mA～1A間變化，工作電壓為1.5V。如果選擇采樣電阻為0.1Ω，則在流過1A電流時已經會產生0.1V的壓降，使得工作電壓降為1.4V，大電流流過時有些器件可能無法正常工作；而此時當流過10mA電流時，采樣電阻上的壓降只有1mV，很多示波器已經分辨不出來了。如果增大采樣電阻阻值，則大電流時壓降會更大；而如果減小采樣電阻阻值，則小電流時更不容易分辨出來。因此當被測電路的電流有大的變化范圍時，取樣電阻法很難兼顧測量精度和壓降的影響。為了解決這個問題，有些示波器廠商提供了專門做小電流測量的探頭，如圖5.45所示，這種探頭采用了幾個特殊的設計：首先其提供了1路300倍增益的通道，可以把示波器的小信號測量能力從mV級擴展到μV級；其次其提供了雙量程的測量通道，可以用兩個通道同時測量大電流和小電流的變化；另外其還提供了可以靈活更換的前端，可以根據實際測量電流大小以及能容忍的分壓大小選擇不同阻值的取樣電阻。但是要注意的是，這種高增益的放大器只有幾MHz的帶寬，所以對于測量帶寬有高要求的場合并不適用。

圖5.45 取樣電阻測電流的方法

|霍爾元件法：霍爾元件法是利用霍爾器件的磁電效應，把被測電流路徑感生出的磁場轉換成電壓進行測量。很多示波器廠商都提供基于霍爾效應的電流探頭。電流探頭的前端有一個磁環，使用時這個磁環套在被測的供電線上。電流流過電線所產生的磁場被這個磁環收集到，磁環里的磁通量與電線上流過的電流呈正比；同時磁環內部有一個霍爾傳感器，可以檢測磁通量，其輸出電壓與磁通量呈正比。因此，電流探頭的輸出電壓就與被測電線上流過的電流呈正比，示波器通過測量探頭的輸出電壓值就可以知道被測供電線上電流的大小。典型電流探頭的轉換系數是0.1V/A或0.01V/A，即供電線上有1A的電流流過，電流探頭的輸出電壓是0.1V或0.01V。圖5.46是基于霍爾效應的電流探頭的工作原理，其典型應用場合是系統功率測量、功率因子測量、開關機沖擊電流波形測量等。這種電流探頭的主要優點是不用斷開供電線就可以進行電流測量，并同時可以進行直流和交流電流的測量。電流探頭的主要缺點是受限于示波器的底噪聲，其小電流測量能力有限，一般小于10mA的電流就很難測量到了。如果需要進行更小的或者更精確的小電流測量，有一個方法是把被測的供電線在電流探頭上多繞幾圈。由于霍爾器件感應到的磁通量與磁環路里電流呈正比，把供電線在電流探頭上繞10圈就相當于把電流放大了10倍。

圖5.46 基于霍爾效應的電流探頭

|電磁感應法：還有一種電流測試的探頭是基于電磁感應的，這種探頭的工作原理類似于電工使用的鉗形表，是利用線圈感應產生電流，并使感生電流流過負載產生電壓進行測量。示波器里使用的這種感應探頭靈敏度和帶寬都可以做得比較高（帶寬可以到2GHz或以上），但是由于采用電感線圈感應的原理，所以無法用于直流及低頻電流的測試（很多高頻電磁感應探頭的低頻起始點在100kHz左右）。這種探頭主要用于磁頭驅動電流、ESD放電電流等對帶寬要求比較高的場合。例如一般的石英晶體振蕩器都有驅動功率（Drive Level）的要求（指作用在石英晶體振蕩器上用于起振并維持振蕩的功率，這個功率過小可能會停振，過大則會造成振蕩不穩定以及晶體的壽命衰減），這就可以通過測量流過振蕩器的電流，再根據晶體的等效內阻換算得到驅動功率。圖5.47是用這種電磁感應探頭測量流過晶體振蕩器的電流。

圖5.47 用電磁感應探頭測量晶體驅動電流