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電壓探頭干貨:典型示波器電壓探頭電路原理


  來源: 泰克科技 時間:2021-08-12 編輯:清風(fēng)
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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。


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(jī)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(yīng)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(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(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(dāng)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(shè)計為有損類型的,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)來表示。根據(jù)補(bǔ)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(luò)和輸出網(wǎng)絡(luò)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(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效應(yīng)晶體管,這使其具有非常小的輸入電容,但同時導(dǎo)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(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(jìn)行5倍衰減,再通過緩沖器進(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(fù)載端進(jìn)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(biāo),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


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