使用苏黎世仪器MFIA在2端和4端阻抗测量之间进行选择
2023年1月31号Dino Klotz
苏黎世仪器的MFIA是一种高精度阻抗分析仪，可以在2端子或4端子模式下进行测量。测量的正确设置是什么？这篇博客文章解决了这个问题，并解释了如何使用MFIA的全部能力。
学说
为了计算阻抗，苏黎世仪器MFIA阻抗分析仪需要确定电流和电压信号。根据该理论，应使用大的输入阻抗来测量电压，使得只有可忽略的电流，并且在测量设备或测量线的任何内部电阻器处都不会发生电压降。对于电流测量，测量具有精确已知电阻的电阻器上的电压降，并且该电阻器应该足够小，不会改变整个电路的特性。为了解决这一矛盾，可以在两个单独的情况下进行电流和电压测量。
现实
基于理想情况，上述方法的主要问题是分别测量电流和电压增加了测量设备的复杂性，并引入了更多的潜在误差源。例如，4端子（4T）测量需要四根独立的电缆，这些电缆更有可能通过互感或外部磁场拾取电感伪像。从这个角度来看，双端（2T）测量提供了明显的优势，应尽可能使用。但什么时候这才是真正可能的呢？让我们仔细看看。
2T还是4T？
关于何时使用2T或4T测量的一般建议取决于被测器件（DUT）的阻抗与测量器件的布线和输入/输出电阻相比的大小。输入/输出电阻是高精度电阻器，其值是精确已知的，因此可以通过工厂内部校准来补偿其影响。然后让我们看看用于连接MFIA和DUT的电线。这些电线具有很高的导电性，但即使如此，也很难设计出布线电路（包括端子和连接器）的串联电阻小于1Ω的设置。如果测量阻抗大于10 kΩ（误差<0.01%），则可以忽略这一贡献。使用相同导线测量电流和电压的双线设置适用于此测量任务（见图1）。通常，保持设置尽可能简单也是有益的，因为在设置中添加更多的导线会增加电感耦合的影响。然而，对于低于1 kΩ的阻抗大小，布线的影响不能忽略：这是应该使用4T模式的地方。通过分离电流和电压分支，只有可忽略的小电流在图1所示的垂直电压线上流动。特别是在电流支路中，由于基尔霍夫定律，电压降不是测量电流的问题。
图1：2端子（2T）和4端子（4T）设置的一般示意图。此处显示的电阻器表示输入和输出电阻以及由电缆和连接器引起的电阻。
其他场景
为什么经常需要4T模式还有其他原因。DUT可能显示出大的、不确定的或再现性差的接触电阻。正如这篇生物阻抗博客文章中所讨论的，放置在皮肤上的电极使用的接触凝胶通常显示出超过100 kΩ的接触电阻：可以通过背靠背粘合两个这样的电极来测试这一点。4T模式在这里是优选的，因为即使对于如此大的电阻，上述概念仍然适用：电压测量支路中可忽略的电流避免了电压降，因此可以准确地测量电压。重要的是，电流支路中的附加电阻不会影响电流测量的准确性。
需要4T模式的其他例子是在混凝土或离子传导DUT上进行测量，其中电极除了确保连接之外还有另一个目的：例如，它们可以用作具有大电荷转移电阻（而不是接触电阻）的电荷转移电极。从导线中的电流转移到DUT中的离子电流；锂离子或氧离子导体是这种DUT的突出实例。
MFIA的输入/输出电阻
MFIA有一个特点需要在这里提及。MFIA的电流输出和电流输入配有50Ω电阻器。尽管该值看起来远大于导线的估计1Ω，但它不会对阻抗测量造成任何问题，因为内部补偿确实考虑了这些情况，而电缆电阻没有考虑在内。因此，MFIA和MFITF测试夹具提供的1 kΩ电阻器可以在2T和4T模式下进行测量：MFIA将在这两种情况下为您提供正确的电阻。然而，当查看LabOne®Scope工具中的实际电流和电压信号时，很明显电流不是Vampl/RDUT，而是Vampl/（RDUT+100Ω）。反过来，这意味着DUT上的电压降不等于所施加的Vampl。这也可以在示波器工具中进行检查，其中Vampl在信号输出中如预期的那样，而对于所考虑的示例，信号输入（在4T模式下在DUT上下降的真实电压）略小。对于1 kΩ电阻器，差异不大（10%）；然而，如果您测量的DUT阻抗明显较低，并且希望在DUT上达到一定的激励电压，则必须考虑这些方面——电压的某一部分将在两个内部50Ω电阻器上下降。需要注意的是，设备架构中的这一特性并没有影响测量精度：它只是将电压降分配到两个内部电阻器和DUT上。
但是，既然恒电位仪和直流测量设备的输入/输出电阻通常要小得多，为什么输入和输出电阻这么大呢？这就是MFIA的起源：该仪器基于锁定放大器技术，电阻器的此类值是标准值。大的输入/输出电阻确实为快速测量提供了优势。事实上，电阻器简化了用于设置测试信号的控制回路，并且能够快速准确地施加所需电压，而在试图控制DUT上的电压时没有可能影响基于自动平衡电桥技术的阻抗分析仪的振荡的危险。
结论
我希望这篇博客文章能解决一些常见的问题，比如如何将DUT连接到MFIA，以及为了获得尽可能好的测量结果应该考虑什么。
