文章摘要

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

典型示波器電壓探頭電路原理

2.1高阻無源探頭

無源探頭具有價格便宜、機械結(jié)構(gòu)堅固、動態(tài)范圍寬、輸入電阻高等優(yōu)勢，因此廣泛應用于通用測試場合。常用的無源探頭為10倍衰減的高阻無源探頭，主要包括探頭前端、有損傳輸線和補償器，其典型電路模型如圖2所示。

圖2. 10倍衰減的高阻無源探頭典型電路模型

探頭前端用以連接探測點，其中信號端提供高阻值電阻Rt 以減小負載效應，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。

傳輸線用以提供測量距離，長度一般為1～2m。傳輸線可等效為RLGC等分布參數(shù)的集總元件模型，當其終端阻抗不匹配時，將使高頻信號產(chǎn)生諧振，為較好地抑制該諧振問題，可將傳輸線設計為有損類型的，即含有一定的分布電阻。

補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)絡來表示。根據(jù)補償衰減器理論，為維持信號在較大頻域內(nèi)線性衰減，可調(diào)節(jié)可變電容Cc，使輸入網(wǎng)絡和輸出網(wǎng)絡的時間常數(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效應晶體管，這使其具有非常小的輸入電容，但同時導致其線性動態(tài)輸入范圍很小。此外，有源單端探頭價格昂貴、機械結(jié)構(gòu)脆弱，這些因素限制了其應用范圍。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、緩沖器和無損傳輸線。

圖3. 10倍衰減的有源單端探頭電路模型

信號先通過衰減器進行5倍衰減，再通過緩沖器進行電壓跟隨,最后由無損傳輸線傳輸?shù)绞静ㄆ?。其中，緩沖器具有高輸入阻抗和強輸出驅(qū)動能力，隔離了衰減器和無損傳輸線，這一方面便于其輸入端和輸出端進行阻抗匹配，提高信號傳輸能力;另一方面可以使衰減器盡可能地靠近測試點，以減小不可控的寄生參數(shù)。無損傳輸線的特征阻抗一般為50Ω，R3與Rs分別對其源端和負載端進行阻抗匹配，以提升信號傳輸?shù)谋Ｕ娑?，同時對緩沖器輸出端信號產(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量差分信號，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測量開關(guān)電源信號。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、差分放大器和無損傳輸線，圖中，Lp+與Lp-分別為兩信號端的寄生電感。

圖4. 有源高壓差分探頭電路模型

首先差分信號依次通過兩個理論上相同的衰減器和緩沖器實現(xiàn)高倍衰減和電壓跟隨;然后通過差分放大器轉(zhuǎn)換為單端對地信號；最后由無損傳輸線傳輸?shù)绞静ㄆ?。共模抑制比是差分探頭的一個重要指標，有源差分探頭的共模增益主要有兩種來源；①兩差分信號傳輸途徑的電阻、電容、緩沖器和寄生參數(shù)的不完全對稱；②差分放大器固有的共模增益。

2.4光隔離探頭

光隔離探頭同樣用于測量差分信號，其原理框圖如圖5所示，該探頭主要包括衰減器、電-光-電轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡、無損傳輸線和示波器接頭。電-光-電轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡作為光隔離探頭的核心，通過電-光轉(zhuǎn)換器、光纖、光-電轉(zhuǎn)換器和控制器實現(xiàn)了被測設備與示波器的電氣隔離，縮短了差分信號的傳輸路徑，這很大程度上提高了探頭的共模抑制比，使得光隔離探頭能測量具有高帶寬和高共模電壓的差分信號。

圖5. 光隔離探頭的原理框圖