文章摘要

本文選自電工技術(shù)學(xué)報(bào)2021年1月版第36卷第2期《電壓探頭對(duì)寬禁帶器件高頻暫態(tài)電壓精確測(cè)量的影響》一文。

典型示波器電壓探頭電路原理

2.1高阻無(wú)源探頭

無(wú)源探頭具有價(jià)格便宜、機(jī)械結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、動(dòng)態(tài)范圍寬、輸入電阻高等優(yōu)勢(shì)，因此廣泛應(yīng)用于通用測(cè)試場(chǎng)合。常用的無(wú)源探頭為10倍衰減的高阻無(wú)源探頭，主要包括探頭前端、有損傳輸線和補(bǔ)償器，其典型電路模型如圖2所示。

圖2. 10倍衰減的高阻無(wú)源探頭典型電路模型

探頭前端用以連接探測(cè)點(diǎn)，其中信號(hào)端提供高阻值電阻Rt 以減小負(fù)載效應(yīng)，并存在寄生電容Ct中；地線端一般為拖尾的鱷魚夾，具有寄生電感Lg。

傳輸線用以提供測(cè)量距離，長(zhǎng)度一般為1～2m。傳輸線可等效為RLGC等分布參數(shù)的集總元件模型，當(dāng)其終端阻抗不匹配時(shí)，將使高頻信號(hào)產(chǎn)生諧振，為較好地抑制該諧振問(wèn)題，可將傳輸線設(shè)計(jì)為有損類型的，即含有一定的分布電阻。

補(bǔ)償器用以匹配探頭和示波器的阻抗，圖2中以RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來(lái)表示。根據(jù)補(bǔ)償衰減器理論，為維持信號(hào)在較大頻域內(nèi)線性衰減，可調(diào)節(jié)可變電容Cc，使輸入網(wǎng)絡(luò)和輸出網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)相等，即

RtCt=Rs(Clt+Cc+Cs)

式中，Clt為有損傳輸線的總電容。根據(jù)傳輸線工作原理，為改善探頭的高頻增益，可調(diào)節(jié)可變電阻Rc，使負(fù)載阻抗逼近于傳輸線特征阻抗，即

式中，Z0為傳輸線特征阻抗；fb為探頭帶寬。

2.2有源單端探頭

有源單端探頭前端配有場(chǎng)效應(yīng)晶體管，這使其具有非常小的輸入電容，但同時(shí)導(dǎo)致其線性動(dòng)態(tài)輸入范圍很小。此外，有源單端探頭價(jià)格昂貴、機(jī)械結(jié)構(gòu)脆弱，這些因素限制了其應(yīng)用范圍。圖3給出一種10倍衰減的有源單端探頭電路模型，該模型主要包括衰減器、緩沖器和無(wú)損傳輸線。

圖3. 10倍衰減的有源單端探頭電路模型

信號(hào)先通過(guò)衰減器進(jìn)行5倍衰減，再通過(guò)緩沖器進(jìn)行電壓跟隨,最后由無(wú)損傳輸線傳輸?shù)绞静ㄆ鳌Ｆ渲?，緩沖器具有高輸入阻抗和強(qiáng)輸出驅(qū)動(dòng)能力，隔離了衰減器和無(wú)損傳輸線，這一方面便于其輸入端和輸出端進(jìn)行阻抗匹配，提高信號(hào)傳輸能力;另一方面可以使衰減器盡可能地靠近測(cè)試點(diǎn)，以減小不可控的寄生參數(shù)。無(wú)損傳輸線的特征阻抗一般為50Ω，R3與Rs分別對(duì)其源端和負(fù)載端進(jìn)行阻抗匹配，以提升信號(hào)傳輸?shù)谋Ｕ娑龋瑫r(shí)對(duì)緩沖器輸出端信號(hào)產(chǎn)生2倍衰減。

2.3有源高壓差分探頭

有源差分探頭主要用于測(cè)量差分信號(hào)，可分為低壓型和高壓型，通常選擇通用性更好的高壓差分探頭來(lái)測(cè)量開關(guān)電源信號(hào)。圖4為一種經(jīng)典的有源高壓差分探頭電路模型，該模型主要包括衰減器、緩沖器、差分放大器和無(wú)損傳輸線，圖中，Lp+與Lp-分別為兩信號(hào)端的寄生電感。

圖4. 有源高壓差分探頭電路模型

首先差分信號(hào)依次通過(guò)兩個(gè)理論上相同的衰減器和緩沖器實(shí)現(xiàn)高倍衰減和電壓跟隨;然后通過(guò)差分放大器轉(zhuǎn)換為單端對(duì)地信號(hào)；最后由無(wú)損傳輸線傳輸?shù)绞静ㄆ?。共模抑制比是差分探頭的一個(gè)重要指標(biāo)，有源差分探頭的共模增益主要有兩種來(lái)源；①兩差分信號(hào)傳輸途徑的電阻、電容、緩沖器和寄生參數(shù)的不完全對(duì)稱；②差分放大器固有的共模增益。

2.4光隔離探頭