文章摘要

本文選自電工技術(shù)學(xué)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。

上期為大家介紹了典型示波器電壓探頭電路原理。本期為大家介紹電壓探頭關(guān)鍵因素對高頻暫態(tài)電壓測量精度的影響分析。

電壓探頭關(guān)鍵因素對高頻暫態(tài)電壓測量精度的影響分析

3.1仿真電路

高頻暫態(tài)電壓由圖6a所示的雙脈沖測試電路產(chǎn)生，采用Saber軟件進行電路仿真，仿真波形如圖6b所示。所用開關(guān)器件為有開爾文源的MOSFET，在各目標信號中，VGs1為高共模電壓低壓差分信號，VDs1為高共模電壓高壓差分信號，VGs2為低共模電壓低壓差分信號，VDS2為高壓對地信號。根據(jù)信號類型，VGs1、VDs1和 VGs2需采用差分探頭測量，VDS2既可采用高阻無源探頭測量，也可采用差分探頭測量。當(dāng)開關(guān)器件無開爾文源時，S2驅(qū)動回路源端接地，VGs2也可采用高阻無源探頭或具有寬輸入范圍的有源單端探頭測量。

圖6. 雙脈沖測試電路及其仿真結(jié)果

3.2帶寬與上升時間

對于n個模塊級聯(lián)而成的線性時不變系統(tǒng)，記各級階躍響應(yīng)的上升時間為tr,m，當(dāng)各級的階躍響應(yīng)皆為高斯函數(shù)（高斯響應(yīng)）時，系統(tǒng)的上升時間可表示為

（4）

當(dāng)各級階躍響應(yīng)有過沖現(xiàn)象且過沖幅度大約為階躍幅度的5%或10%時，系統(tǒng)的上升時間將比式(4)給出的上升時間略短，系統(tǒng)的過沖幅度約為各級過沖幅度總和的二次方根。

考慮目標信號、電壓探頭和示波器級聯(lián)形成的系統(tǒng)，各級階躍響應(yīng)的上升時間依次記為 tr,sign、tr,probe、 tr,scope。其中后兩級組成的測量系統(tǒng)通過示波器的前端放大器相互隔離，使得這兩者的上升時間相互獨立，常用的電壓探頭和示波器一般具有高斯響應(yīng)，由式(4)可得測量系統(tǒng)的上升時間為

（5）

進一步地，假設(shè)目標信號和電壓探頭的上升時間也相互獨立，則整個系統(tǒng)的上升時間，即示波器顯示波形的上升時間為

（6）

實際上，電壓探頭對目標信號有負載效應(yīng)，目標信號的上升時間將因探頭的加入而改變。負載效應(yīng)模型如圖7所示。圖中，Vs為單位階躍信號源，Rs為信號源電阻，Cs為負載電容，Vsign為目標信號，Ri與Ci為電壓探頭的輸入阻抗。未施加探頭時，由RC電路的階躍響應(yīng)函數(shù)易得目標信號的上升時間tr,sign為2.2RsCs。同理，施加電壓探頭后，目標信號的上升時間變?yōu)?.2(Rs//Ri)(Cs+Ci)。目標信號上升時間因電壓探頭的負載效應(yīng)而變化的程度可表示為

（7）

圖7. 電壓探頭對目標信號的負載效應(yīng)模型

開關(guān)器件的柵源電壓和漏源電壓對應(yīng)的等效負載電容Cs可分別用器件的輸入電容和輸出電容近似，tr,sign可由數(shù)據(jù)表直接讀出，因此開關(guān)器件等效信號源電阻Rs可表示為tr,sign/(2.2Cs)，取現(xiàn)有商售SiC器件進行估算，可得目標信號的等效負載電阻約在100Ω的數(shù)量級上,而常用的高阻無源探頭和有源高壓差分探頭的輸入電阻數(shù)量級約為MΩ，于是，式(7)可近似為

（8）