【个人经验分享】四端子采样电阻相较于普通电阻+开尔文连接的优势

前段时间看一个介绍四端子采样电阻的视频,评论区有人说这样的四端子采样电阻不是跟直接普通采样电阻+开尔文连接一个效果吗?我们来看看。

如上图是四端子采样电阻,特征是比常规采样电阻多了两个引脚,使用时大的两个引脚走电流,小的引脚接信号采集输入端。

首先是最随意的走线

上图这样的走线方式是误差最大的,电流流过了焊盘再经过采样电阻,而采样点随便接在了焊盘上,这样电流感应放大器采集到的电压是电流经过了焊锡和两个焊盘+采样电阻Rs后的压降,也就是等效阻抗包含了焊盘电阻和焊锡电阻 * 2+采样电阻Rs

由于焊盘上的焊锡厚度误差以及焊锡阻值的温漂,所以这种条件下会引入不小的不确定误差,另外采样电阻越小,则误差越大,例如焊盘上的电阻是0.1mR,那么当采样电阻是0.1mR时,误差达到100%!

普通采样电阻+开尔文走线

上图这样的走线称为开尔文走线,采样点取采样电阻内侧,这样的走线等效阻抗只包含了采样电阻正下方的部分焊盘电阻和焊锡电阻 * 2+采样电阻Rs,精度相较于随意接要高得多。

但这种条件下电流仍会流过焊盘上靠近电阻体的那一小段铜箔 + 焊锡,因此误差还是受到铜箔和焊锡的误差及温漂的影响

四端子采样电阻+开尔文走线

上图的四端子采样电阻+开尔文走线,由于两个采样接线端是直接从采样电阻本体引出,不经过任何焊盘,所以能保证放大器采集的是采样电阻本体两端的电压,和焊盘没有任何关系了(这里认为电流感应放大器输入电流为0)。 同时也采用开尔文走线能依靠电流感应放大器的CMRR抑制共模噪声。

另外除了能减小走线内阻导致的误差外还有以下优势:

  • 电阻体设计:电流端子和采样端子物理分离,减小了接触电阻与温升对采样的干扰;

  • 热电势补偿:高端四端子电阻采用对称结构,减小由于温差引起的塞贝克效应(不同金属连接处的热电偶效应);

什么时候要采用四端子?

大部分场景下普通采样电阻+开尔文走线已经足够了,但是以下场景还是建议用四端子:

  • 温度变化大,如汽车的-40~125℃

  • 电流大的场景,也就意味着采样电阻值小的场景,例如0.1mR

用四端子也不是万事大吉

前面说的四端子能完全避免焊盘和焊锡的影响,但是有一些问题它是无能为力的:

  • 附近其它高dv/dt信号和待测的高di/dt电流的磁场噪声干扰

  • 四端子电阻本身的温漂

放大器引入的误差

电流感应放大器的输入失调电流虽然较小,但是在高精度场景下该电流流过采样信号走线(路径中包括两个采样端子的焊盘以及焊锡的电阻)也会产生压降,造成差分输入存在额外的压差。另外微弱的输入偏置电流本身也会被计入待测电流中。除此以外还有输入失调电压的影响