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(duì)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(duì)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(jìn)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(biāo)信號(hào)中，VGs1為高共模電壓低壓差分信號(hào)，VDs1為高共模電壓高壓差分信號(hào)，VGs2為低共模電壓低壓差分信號(hào)，VDS2為高壓對(duì)地信號(hào)。根據(jù)信號(hào)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(shí)，S2驅(qū)動(dòng)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(shí)間

對(duì)于n個(gè)模塊級(jí)聯(lián)而成的線性時(shí)不變系統(tǒng)，記各級(jí)階躍響應(yīng)的上升時(shí)間為tr,m，當(dāng)各級(jí)的階躍響應(yīng)皆為高斯函數(shù)（高斯響應(yīng)）時(shí)，系統(tǒng)的上升時(shí)間可表示為

（4）

當(dāng)各級(jí)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(shí)，系統(tǒng)的上升時(shí)間將比式(4)給出的上升時(shí)間略短，系統(tǒng)的過沖幅度約為各級(jí)過沖幅度總和的二次方根。

考慮目標(biāo)信號(hào)、電壓探頭和示波器級(jí)聯(lián)形成的系統(tǒng)，各級(jí)階躍響應(yīng)的上升時(shí)間依次記為 tr,sign、tr,probe、 tr,scope。其中后兩級(jí)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(shí)間相互獨(dú)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(shí)間為

（5）

進(jìn)一步地，假設(shè)目標(biāo)信號(hào)和電壓探頭的上升時(shí)間也相互獨(dú)立，則整個(gè)系統(tǒng)的上升時(shí)間，即示波器顯示波形的上升時(shí)間為

（6）

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

（7）

圖7. 電壓探頭對(duì)目標(biāo)信號(hào)的負(fù)載效應(yīng)模型

開關(guān)器件的柵源電壓和漏源電壓對(duì)應(yīng)的等效負(fù)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(hào)源電阻Rs可表示為tr,sign/(2.2Cs)，取現(xiàn)有商售SiC器件進(jìn)行估算，可得目標(biāo)信號(hào)的等效負(fù)載電阻約在100Ω的數(shù)量級(jí)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(jí)約為MΩ，于是，式(7)可近似為

（8）