为了观察快速变化的波形,示波器的带宽至少要达到1GHz。遗憾的是,大多数商用电压和电流探头都无法在这么高的频率下工作。

随着现代电源的工作频率越来越高,工程师们已经开始采用高频功率开关和整流器技术。上升/下降时间为30ns到60ns的传统平面或沟槽MOSFET开关逐渐被超结MOSFET、GaN MOSFET、SiC MOSFET和SiC肖特基整流管等开关时间不到5ns的功率开关所取代。

为观察如此快速的变化,通常需要带宽至少1GHz的示波器。遗憾的是,大多数商用的电压和电流探头无法在这么高的频率下工作。普通示波器探头的带宽不到300MHz,电流探头的带宽可能只有60MHz至100MHz甚至更小。此外,高频电压探头的成本通常在12000美元以上,而稍微好一点的电流探头至少要4000美元。对于在中小规模公司上班的电源工程师来说,只有一条路:自己做探头。设计和制作高频电压和电流探头需要很好地理解射频、寄生效应、传输线理论和场论。

商用探头的缺点

商用示波器的电压和电流探头极具鲁棒性,设计符合人体工程学,而且非常精确,在工作频率远小于1GHz的许多应用中它们都能很好地工作。而新一代开关晶体管的工作频率都超过1GHz,导致上升和下降时间都不到5ns。

商用探头的低带宽极大地限制了测量精度。工程师们习惯了慢的上升和下降时间,因此很容易忽略遗漏的信息。另外,普通探头连接到信号源会产生失真。这些连线(特别是地线)有很长一段没有屏蔽。一段4-6英寸(10-15cm)长的地线可能会拾取来自电路或其它地方的辐射噪声,并将噪声注入同轴电缆形成共模信号。这种容易被忽略的信号会叠加到有用的信号上。

图1显示的是一种典型的商用电压探头,它包含一段未屏蔽的信号或地线,会形成环形天线。这段线拾取到的噪声电平正比于环路面积以及噪声能量和噪声频谱。只需简单地将地线夹到探头上然后靠近目标电路板就能观测到这种噪声。

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图1:普通电压示波器探头用一根地线夹到待测电路。

其实你可以自己做一个50Ω的电压探头,自制50Ω电压探头可以帮助你更好地定义和理解电路中发生的事件。自制50Ω电压探头的总体目标是:

•构建一条从电路到示波器的干净高频信号路径;
•沿着信号路径提供尽可能实用的屏蔽;
•能够控制尽可能多的寄生影响。

1:1屏蔽同轴电压探头

对低于示波器输入端最大额定输入电压的信号,可以用一段剪下来的50Ω BNC同轴电缆作为探头。未屏蔽的中心导体和带屏蔽的尾部长度不能超过1英寸(25mm),以便最大限度减小噪声拾取。要想观察特定节点的信号,可以将中心导体直接焊接到该节点上;地线应该焊接到最近的关联地上,也就是说,不能连接到在探头和目标节点之间有很长PCB走线的地。这种探头只能提供从目标电路到示波器的高频信号屏蔽。示波器的输入终端电阻应该是1MΩ。图2显示了这种1:1屏蔽探头的设计。

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图2:基于同轴电缆的1:1屏蔽式电压探头。探头上的电感(LUS)和地线(LG)会限制带宽,但由于尺寸小,有助于减少噪声拾取。

n:1 50Ω电压探头

n:1探头主要用于信号幅度(包括任何尖峰)超过示波器输入放大器最大额定电压的情况,这种探头制作起来稍微复杂一些。其简化后的原理图如图3所示。

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图3:简化后的n:1电压探头原理图,其中的串联电阻RS需要一定的计算才能确定值的大小。

因此首先也是重要的一步是确定这个检测电阻(RS)的大小。这可不是想像的那么简单,有多个因素需要考虑。

将示波器的输入终端电阻设为50Ω,这样示波器内部的50Ω终端电阻就成为了分压电路的底部电阻。你完全可以放心地认为这个电阻的精度超过0.1%。其功耗不应超过0.25W。这个额定功率决定了能够进入示波器输入端的最大电流值。

其它考虑因素包括:

•50Ω终端电阻上的信号最大幅度
•串联检测电阻(RS)的功耗
•输入电路上的负载

所有这些因素彼此之间必须取得平衡,它们将确定示波器输入放大器的增益设置。如果信号太低,示波器的输入增益必须设置在小于100mV的范围。由于输入信号非常接近输入放大器的本底噪声,因此显示的信号会带很多噪声,从而导致ADC输入分辨率降低。信号可能只能被ADC(假设是8位的ADC)的低四位比特捕获,最终你会看到最低有效位(LSB)的量化步骤。这种情况难以避免,特别是对具有高降压比的探头。图4显示了一个1000:1 50Ω探头的典型波形。

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图4:低电平示波器迹线通常会显示输入信号上的量化噪声。

图5显示了n:1电压探头的基本结构。

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图5:n:1 50Ω探头在靠近探头顶部的位置有一个1/4W的电阻。

设计n:1探头时需要遵循以下步骤。

首先,根据想要的通道增益设置值确定电阻的衰减比值,以达到一个比较合适的示波器信号幅度(包括尖峰)。通常选择十倍的电阻衰减比值,因为显示的v/div设置只在输入电压的小数点位置上有区别。

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典型的输入幅度不应超过内部输入50Ω终端电阻的额定功率。为了产生想要的通道电压,电流必须流过50Ω终端电阻。

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功率必须小于终端电阻的额定功率:

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检测电阻(R1)值的计算公式:

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现在检查一下检测电阻的功耗。

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检查你想看的电路负载,你必须理解和确定对目标电路的影响。如果探头消耗太多的检测电流,就会改变目标电路的工作,有时这种改变还很显著。经验法则是:

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有时候初始考虑条件都满足了,但探头使目标电路发生了过载。在这种情况下,你必须回到步骤1,并选用小于初始电流的检测电流。

《电子技术设计》2017年11月刊版权所有,转载请注明来源及链接。

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