9．电流测量的探头

在很多场合下，需要对系统、电路或者芯片的工作电流进行测试，以了解系统功耗和工作状态。如果只是做静态电流测量，使用万用表就可以了；如果要观察电流的变化情况，可以使用低速的数据采集设备，工业上常用的数据采集设备能够以比较高的精度对电流的波形做连续采集和记录，但通常采样率有限（约为1 Hz～100kHz）；而如果希望观察更快速的电流动态变化，例如测量设备上电瞬间的冲击电流、开关电源的开关损耗、存储芯片在不同读写状态的电流消耗等，可能就需要用到示波器了。

示波器本身只能显示电压随时间的变化波形，也就是只能进行电压量的测量。要进行电流的测量，需要把电流量转换成电压量才能测量，常用的把电流转换成电压量进行测量的方法有取样电阻法、霍尔元件法及电磁感应法等。

|取样电阻法：取样电阻的方法是在被测的电流路径上串接一个小的电阻（例如0.1Ω或1Ω），这样电流流过时就会产生压降。通过差分探头测量取样电阻上的压降，再根据欧姆定律就可以计算出电阻上的流过电流。这种方法的优点是成本低、易于实现，但缺点是需要断开被测电路（或者在设计时就在电流路径上串接取样电阻）并会产生额外压降。取样电阻的测量方法不太适合有大电流动态变化的场合。例如有些消费电子的电路中，工作状态和待机状态的电流会有比较大的差异。假设被测电路的电流会在10mA～1A间变化，工作电压为1.5V。如果选择采样电阻为0.1Ω，则在流过1A电流时已经会产生0.1V的压降，使得工作电压降为1.4V，大电流流过时有些器件可能无法正常工作；而此时当流过10mA电流时，采样电阻上的压降只有1mV，很多示波器已经分辨不出来了。如果增大采样电阻阻值，则大电流时压降会更大；而如果减小采样电阻阻值，则小电流时更不容易分辨出来。因此当被测电路的电流有大的变化范围时，取样电阻法很难兼顾测量精度和压降的影响。为了解决这个问题，有些示波器厂商提供了专门做小电流测量的探头，如图5.45所示，这种探头采用了几个特殊的设计：首先其提供了1路300倍增益的通道，可以把示波器的小信号测量能力从mV级扩展到μV级；其次其提供了双量程的测量通道，可以用两个通道同时测量大电流和小电流的变化；另外其还提供了可以灵活更换的前端，可以根据实际测量电流大小以及能容忍的分压大小选择不同阻值的取样电阻。但是要注意的是，这种高增益的放大器只有几MHz的带宽，所以对于测量带宽有高要求的场合并不适用。

图5.45 取样电阻测电流的方法

|霍尔元件法：霍尔元件法是利用霍尔器件的磁电效应，把被测电流路径感生出的磁场转换成电压进行测量。很多示波器厂商都提供基于霍尔效应的电流探头。电流探头的前端有一个磁环，使用时这个磁环套在被测的供电线上。电流流过电线所产生的磁场被这个磁环收集到，磁环里的磁通量与电线上流过的电流呈正比；同时磁环内部有一个霍尔传感器，可以检测磁通量，其输出电压与磁通量呈正比。因此，电流探头的输出电压就与被测电线上流过的电流呈正比，示波器通过测量探头的输出电压值就可以知道被测供电线上电流的大小。典型电流探头的转换系数是0.1V/A或0.01V/A，即供电线上有1A的电流流过，电流探头的输出电压是0.1V或0.01V。图5.46是基于霍尔效应的电流探头的工作原理，其典型应用场合是系统功率测量、功率因子测量、开关机冲击电流波形测量等。这种电流探头的主要优点是不用断开供电线就可以进行电流测量，并同时可以进行直流和交流电流的测量。电流探头的主要缺点是受限于示波器的底噪声，其小电流测量能力有限，一般小于10mA的电流就很难测量到了。如果需要进行更小的或者更精确的小电流测量，有一个方法是把被测的供电线在电流探头上多绕几圈。由于霍尔器件感应到的磁通量与磁环路里电流呈正比，把供电线在电流探头上绕10圈就相当于把电流放大了10倍。

图5.46 基于霍尔效应的电流探头

|电磁感应法：还有一种电流测试的探头是基于电磁感应的，这种探头的工作原理类似于电工使用的钳形表，是利用线圈感应产生电流，并使感生电流流过负载产生电压进行测量。示波器里使用的这种感应探头灵敏度和带宽都可以做得比较高（带宽可以到2GHz或以上），但是由于采用电感线圈感应的原理，所以无法用于直流及低频电流的测试（很多高频电磁感应探头的低频起始点在100kHz左右）。这种探头主要用于磁头驱动电流、ESD放电电流等对带宽要求比较高的场合。例如一般的石英晶体振荡器都有驱动功率（Drive Level）的要求（指作用在石英晶体振荡器上用于起振并维持振荡的功率，这个功率过小可能会停振，过大则会造成振荡不稳定以及晶体的寿命衰减），这就可以通过测量流过振荡器的电流，再根据晶体的等效内阻换算得到驱动功率。图5.47是用这种电磁感应探头测量流过晶体振荡器的电流。

图5.47 用电磁感应探头测量晶体驱动电流