您可能熟悉鉗形電流探頭，但您可能不太了解 Rogowski 電流探頭。Rogowski 線圈產生的電壓與線圈回路所包含的電流的變化率（導數）成正比。必須對線圈電壓進行積分，探頭才能提供與電流信號成比例的輸出電壓。這也意味著 Rogowski 不能在直流下工作，但可以在低于大多數交流鉗式電流探頭的頻率下工作。
表 1 突出顯示了三種不同鉗形電流探頭的關鍵性能屬性。比較結果基于 PEM CWT015、Tektronix P6022 和 Teledyne Lecroy CP031 電流探頭。三個探頭如圖 1所示。
表 1. 電流探頭的比較。
圖 1 CP031（上）、P6022（中）和 Rogowski（下）。
AC 電流探頭和 Rogowski 電流探頭都可以與任何制造商的測試設備一起使用。這包括示波器、VNA（矢量網絡分析儀）和頻譜分析儀。另一方面，霍爾效應探頭通常與特定設備制造商密切相關。比較 AC 和 Rogowski 探頭，Rogowski 電流探頭在除噪聲和測量 DC 的能力之外的所有性能特征方面都表現出色。不過，您可以管理噪音并使 Rogowski 探頭成為您的首選探頭之一。
考慮噪聲
Rogowski 電流探頭的低頻噪聲是探頭所需的高增益積分放大器的結果。CWT015 噪聲主要低于 1.5kHz，如圖2中的噪聲密度測量所示。
圖 2. 噪聲密度在 100Hz 時為 200μV/√Hz，在 1kHz 時為 20μV/√Hz，在 10kHz 時為 2.4μV/√Hz。當與頻譜分析儀或 VNA 一起使用時，分辨率帶寬可以設置為 30Hz 甚至更低。在 1kHz 和 10Hz 分辨率帶寬下，噪聲約為 100μV，而在 10kHz 及以上僅為 10μV。
頻域
當使用帶有 VNA 或頻譜分析儀的 Rogowski 電流探頭時，分辨率帶寬可以設置為 30Hz 甚至更低。這種窄帶寬最大限度地減少了測量噪聲。CWT-015 探頭的靈敏度為 100mV/A。在 1kHz 時，噪聲密度表示 20μV/√Hz 噪聲。通過靈敏度換算，這相當于 200μA/√Hz 的噪聲電流密度。
峰峰值噪聲可以根據噪聲密度和分辨率帶寬計算為：
使用這種關系，30Hz 分辨率帶寬會導致峰峰值噪聲 在 1kHz 時為 2mA P-P ，在 10kHz 時為 260μA P-P 。如果被測電流 在 1kHz 時保持在 20mA P-P以上或在 10kHz 時保持在 2mA P-P以上 ，則信噪比將導致測量具有可接受的保真度。
測量阻抗
VNA 可與 Rogowski 探頭一起使用來測量阻抗，例如電源或無源設備的輸入和輸出阻抗。 在進行任何測量之前，應使用圖 3中所示的設置校準探頭。
圖 3. 測量阻抗的校準設置。使用此設置的 THRU 校準可校準幅度和相位測量，并校正刻度以讀取歐姆值。
圖 3 中的 1Ω 電阻器將導線中的電流轉換為 VNA 的 CH2 處的等效電壓。將探頭夾在校準線周圍并將其連接到 VNA CH1。在此測量中執行 THRU 校準會將電流探頭幅度和相位測量縮放到 1V/A。它還可以補償響應與頻率的任何偏差。圖 4 是此校準設置的照片。校準器使用五個并聯的 5.1Ω 電阻器以最小化電感。與端口阻抗并聯的五個電阻器導致電阻精確為 1Ω。
圖 4. 電流探頭校準設置的圖片。請注意，此校準器使用五個并聯的 5.1Ω 電阻器來最小化電感。當連接到 50Ω 端口時，結果正好為 1Ω。
校準后，將 1Ω 電阻替換為待測設備 (DUT)，并將 VNA 設置為測量增益為 CH1/CH2。這是 DUT 上的電壓除以 DUT 中的電流，即 DUT 阻抗。
圖 5中的測量 顯示了 THRU 校準之前的響應，反映了 100mV/A 的靈敏度和大約 30MHz 的 3dB 帶寬。執行 THRU 校準后，測量會自動重新調整，頻率響應幅度和相位會補償到全測量帶寬或 40MHz。校準后測量正確地報告電阻為 1Ω。通過用 1mΩ 和 10mΩ 替換 1Ω 電阻器來確認測量方法的動態范圍和精度。
圖 5. 紅色曲線是 THRU 校準前的響應，反映 100mV/A 靈敏度，而藍色曲線是 THRU 校準后的響應。THRU 校準會自動校正比例。黑色跡線是 10mΩ 電阻器的結果，綠色跡線是 1mΩ 電阻器的結果（在直流測量中實際測量為 1.3mΩ）。
低于大約 1kHz 的信號有輕微的噪聲，并且可以看出噪聲與被測阻抗的值無關。噪聲幅度僅與來自 VNA 的信號源幅度有關，與 DUT 阻抗的幅度無關 。1mΩ 和 10mΩ 電阻器的測量值分別在 400pH 和 300pH 時具有非常輕微的電感性。輕微的電感很可能是由于電阻器焊接到 PCB 上。正如預期的那樣，Rogowski 電流探頭非常適合測量 1kHz 以上和高達 30MHz 或更高的無源阻抗。
時域
幾乎所有示波器都包含帶寬限制濾波器，但正如我們之前所展示的，大部分噪聲都位于 1kHz 以下的頻率。因此，帶寬限制不會顯著降低噪聲。
有三種方法可以在時域中最小化來自 Rogowski 探頭的噪聲。可以使用這三者的任意組合，從而實現對噪音的出色控制。
最高的噪聲將出現在較高的時基設置，因為噪聲主要是低頻。當您減少時間設置時，噪聲自然會受到測量時間跨度的限制。
如果示波器輸入終端設置為 50Ω，則可以使用串聯電容設置高通轉角頻率。總串聯電阻為 100Ω，因為 Rogowski 探頭輸出也是 50Ω。使用 1μF 陶瓷電容器可產生 1.5kHz 的截止頻率。
50Ω Rogowski 輸出連接到無源雙向分離器以進行演示。兩個示波器通道均設置為 50Ω，并進行了增益校正，以解決 6dB 分路器插入損耗。一個分離器輸出通過一個 1μF 串聯電容器連接到示波器，而另一個分離器輸出直接連接到另一個 50Ω 示波器輸入（圖 6）。
圖 6. Rogowski 探頭輸出連接到無源 2 路 (6dB) 分配器。一個分離器輸出直接連接到 CH1，而第二個分離器輸出通過一個 1μF 串聯電容器連接到 CH2。電容器安裝在帶有 SMA 連接器的 PI 網絡板上。
使用不同時基設置的兩個示波器通道同時測量噪聲。測量結果如圖 7所示。
圖 7. 使用串聯電容器（紅色跡線）和不使用電容器（藍色跡線）時不同時基的噪聲測量。
圖 7 說明了在沒有高通濾波器的情況下由于更快的時基設置而自然降低的噪聲。也可以看到高通濾波器的顯著改進，盡管噪聲的改進是以降低低頻截止頻率為代價的。
跡
線平均 對多條跡線進行平均可以降低噪聲，因為噪聲是隨機的。要使用平均，您必須對信號進行完全一致的逐周期測量，否則會降低測量精度。圖 8中的測量 顯示了采樣噪聲測量、噪聲包絡以及 10 條跡線的平均噪聲。有趣的是，包絡大于峰峰值信號測量值。通過對跡線進行平均，噪聲降低了大約 8dB。
圖 8. 頂部軌跡（黃色）顯示采樣噪聲，而中間軌跡（藍色）顯示相同測量的噪聲包絡。下面的跡線（綠色）顯示了相同的測量結果，十跡線平均。
這些降噪技術可以結合使用以實現更大的降噪效果。使用相同的分路器設置，測量一個 5μs 寬、40mA P-P 電流脈沖，無論有無求均值。使用顏色持久性來顯示信號的可重復性的測量結果如圖 9所示。
圖 9. 頂部窗口顯示沒有串聯電容器的 40mApp 電流脈沖。下面的窗口顯示了使用串聯電容器的測量結果。在這兩種情況下，粉紅色沒有平均，橙色有跡線平均。
測量顯示了平均和高通濾波的綜合優勢。沒有平均的測量值以粉紅色顯示。平均測量值顯示為橙色。上面的窗口沒有高通濾波器，而下面的窗口有高通濾波器。
Picotest J2112A 電流注入器由 Picotest G5100A AWG 調制，在下一次測量中產生 900mA <><> 1μs 電流脈沖，上升和下降時間約為 25ns。電流由 J2112A 的精密電流監測端口以及 P6022 和 CWT15 探頭監測。測量結果如圖 10所示。
圖 10. PEM CWT015 Rogowski（黃色，頂部） Tektronix P6022（綠色，中間）和 J2112A 電流監視器（橙色，底部）都可以很好地測量 25ns 上升時間，并且 Rogowski 線圈最靠近電流注入器監視器端口。1μF 串聯電容用于 Rogowski 探頭，所有走線都使用走線平均。
Rogowski 電流探頭已被證明在時域和頻域中都能很好地工作。使用本文介紹的噪聲管理技術，Rogowski 探頭甚至可用于使用 VNA 進行小信號阻抗測量。