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，經(jīng)原作者同意后，借此平臺(tái)分享給大家學(xué)習(xí)參考。

隨著寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展，電力電子器件的開(kāi)關(guān)速度越來(lái)越快，工作電壓逐漸升高，致使電壓探頭的性能對(duì)電力電子器件暫態(tài)電壓測(cè)量結(jié)果的影響程度增大。本文分析了幾種實(shí)驗(yàn)室常用的示波器電壓探頭的測(cè)量原理，根據(jù)電壓探頭的電路分析模型，研究探頭的帶寬/上升時(shí)間、寄生電感和共模抑制比等幾個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)高頻暫態(tài)電壓測(cè)量結(jié)果的影響。最后搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的有效性。

第一期先打個(gè)基礎(chǔ)，為大家介紹示波器電壓探頭種類(lèi)及其主要性能指標(biāo)。

示波器電壓探頭種類(lèi)及其主要性能指標(biāo)

1.1 示波器電壓探頭的種類(lèi)

示波器電壓探頭按照是否需要供電可分為無(wú)源探頭和有源探頭，其中無(wú)源探頭按照輸入阻抗大小又分為低阻探頭和高阻探頭，為減小探頭輸入阻抗對(duì)信號(hào)的負(fù)載效應(yīng)，開(kāi)關(guān)電源信號(hào)測(cè)量中常用的無(wú)源探頭為高阻探頭;有源探頭按照所測(cè)信號(hào)類(lèi)型可分為單端探頭和差分探頭，單端探頭用以測(cè)量單端對(duì)地信號(hào),差分探頭用以測(cè)量雙端互為參考的信號(hào)。

此外，根據(jù)待測(cè)電壓大小，電壓探頭又分為高壓探頭和低壓探頭；根據(jù)帶寬大小，電壓探頭又分為高帶寬探頭和低帶寬探頭。圖1為幾種典型的示波器電壓探頭，其中光隔離探頭是一種具有高共模抑制比的差分探頭。

圖1. 典型示波器電壓探頭

示波器電壓探頭的種類(lèi)眾多，本質(zhì)上反映的是測(cè)量環(huán)境的復(fù)雜性和用戶(hù)需求的多樣性，這需要從兩方面考慮:一方面，使用者根據(jù)不同的測(cè)量環(huán)境和功能需求選擇最為合適的探頭，可以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度;另一方面，這種特定探頭的通用性不高，將導(dǎo)致使用者的選擇成本增加，因?yàn)槿绻脩?hù)不深入了解探頭的各種性能指標(biāo)、不明確待測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，就很難做出有效的甄選。

1.2 示波器電壓探頭的主要性能指標(biāo)

理想的示波器電壓探頭應(yīng)具有以下主要特點(diǎn):靈活的連接方式、完美的信號(hào)保真度、零信號(hào)源負(fù)荷、全面抗擊噪聲等，而在實(shí)際應(yīng)用中這些都無(wú)法絕對(duì)實(shí)現(xiàn)。如連接方便要求探頭能應(yīng)對(duì)不同物理測(cè)量環(huán)境，完美的信號(hào)保真度要求探頭具有零衰減、無(wú)限帶寬和線性相位，零信號(hào)源負(fù)荷要求探頭輸入電阻無(wú)窮大，全面抗擊噪聲要求探頭完全隔離于外部電磁環(huán)境等。盡管如此，實(shí)際的電壓探頭可以較大程度地接近上述要求，足以滿足絕大多數(shù)測(cè)量需求。

示波器電壓探頭的性能主要由以下幾個(gè)指標(biāo)衡量:

（1）最大額定電壓，即探頭能測(cè)量的電壓范圍。

（2）衰減系數(shù)，即探頭使輸入信號(hào)降低的倍數(shù)。典型的衰減系數(shù)有1X、10X、50X、500X等，衰減系數(shù)越高，探頭的最大額定電壓越高。

（3）輸入阻抗。探頭的輸入阻抗可分為輸入電阻和輸入電容,輸入阻抗隨頻率增高而減小，低頻下輸入阻抗主要由輸入電阻決定，高頻下輸入阻抗主要由輸入電容決定。

（4）補(bǔ)償范圍（無(wú)源探頭)，即探頭可以補(bǔ)償?shù)氖静ㄆ鬏斎腚娙莸姆秶?。示波器輸入電容過(guò)大或過(guò)小，都將導(dǎo)致探頭和示波器不能完美匹配。

（5）帶寬/上升時(shí)間。探頭的帶寬指其輸出信號(hào)的幅頻響應(yīng)從直流增益下降至-3dB時(shí)的頻率，探頭的上升時(shí)間指理想矩形脈沖信號(hào)輸入時(shí)探頭輸出信號(hào)幅度由10%上升至90%的時(shí)間。

（6）傳播延遲，即輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的延遲時(shí)間。不同探頭的傳播延遲一般不同，這是造成測(cè)得的多通道信號(hào)不同步的重要原因。

（7）共模抑制比（差分探頭)。共模抑制比( Common-Mode Rejection Ratio, CMRR)( dB）用以衡量差分探頭抑制輸入信號(hào)共模分量的能力，其表達(dá)式為

不同類(lèi)型電壓探頭的性能指標(biāo)一般具有較為明顯的差異性，表1總結(jié)了典型示波器電壓探頭的基本特點(diǎn)和主要性能指標(biāo)。

表1. 常用示波器電壓探頭的典型特性

注：數(shù)據(jù)來(lái)源于主流探頭廠商。