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

PRBTEK

一、仿真電路

       高頻暫態(tài)電壓由圖a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b所示。所用開(kāi)關(guān)器件為有開(kāi)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。根據信號類(lèi)型，VGs1、VDs1和 VGs2需采用差分探頭測量，VDS2既可采用高阻無(wú)源探頭測量，也可采用差分探頭測量。當開(kāi)關(guān)器件無(wú)開(kāi)爾文源時(shí)，S2驅動(dòng)回路源端接地，VGs2也可采用高阻無(wú)源探頭或具有寬輸入范圍的有源單端探頭測量。

a 電路原理

b 主要電壓信號暫態(tài)波形

雙脈沖測試電路及其仿真結果

二、帶寬與上升時(shí)間

       對于n個(gè)模塊級聯(lián)而成的線(xiàn)性時(shí)不變系統，記各級階躍響應的上升時(shí)間為tr,m，當各級的階躍響應皆為高斯函數（高斯響應）時(shí)，系統的上升時(shí)間可表示為

（1）

       當各級階躍響應有過(guò)沖現象且過(guò)沖幅度大約為階躍幅度的5%或10%時(shí)，系統的上升時(shí)間將比式(4)給出的上升時(shí)間略短，系統的過(guò)沖幅度約為各級過(guò)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，各級階躍響應的上升時(shí)間依次記為 tr,sign、tr,probe、 tr,scope。其中后兩級組成的測量系統通過(guò)示波器的前端放大器相互隔離，使得這兩者的上升時(shí)間相互獨立，常用的電壓探頭和示波器一般具有高斯響應，由式(1)可得測量系統的上升時(shí)間為

（2）

進(jìn)一步地，假設目標信號和電壓探頭的上升時(shí)間也相互獨立，則整個(gè)系統的上升時(shí)間，即示波器顯示波形的上升時(shí)間為

（3）

       實(shí)際上，電壓探頭對目標信號有負載效應，目標信號的上升時(shí)間將因探頭的加入而改變。負載效應模型如圖1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(shí)，由RC電路的階躍響應函數易得目標信號的上升時(shí)間tr,sign為2.2RsCs。同理，施加電壓探頭后，目標信號的上升時(shí)間變?yōu)?.2(Rs//Ri)(Cs+Ci)。目標信號上升時(shí)間因電壓探頭的負載效應而變化的程度可表示為

（4）

圖1 電壓探頭對目標信號的負載效應模型

       開(kāi)關(guān)器件的柵源電壓和漏源電壓對應的等效負載電容Cs可分別用器件的輸入電容和輸出電容近似，tr,sign可由數據表直接讀出，因此開(kāi)關(guān)器件等效信號源電阻Rs可表示為tr,sign/(2.2Cs)，取現有商售SiC器件進(jìn)行估算，可得目標信號的等效負載電阻約在100Ω的數量級上,而常用的高阻無(wú)源探頭和有源高壓差分探頭的輸入電阻數量級約為MΩ，于是，式(4)可近似為

(5)

       高阻電壓探頭的輸入電容越大，其對開(kāi)關(guān)器件的負載效應越明顯。然而，由于開(kāi)關(guān)器件的輸入電容和輸出電容是變量，不能用式(5)來(lái)準確計算。為

       考慮到電壓探頭的負載效應，式(5)可修正為

（6）

       進(jìn)而可定義測量系統產(chǎn)生的上升時(shí)間誤差為

（7）

       可知，為減小目標信號的上升時(shí)間測量誤差，應使電壓探頭的輸入電容足夠小，并且使測量系統的上升時(shí)間遠小于目標信號的上升時(shí)間。

       帶寬和上升時(shí)間成反比，對于高斯響應型的測量系統，兩者間關(guān)系可近似表示為

（8）

       暫態(tài)信號含有豐富的頻率分量，理論上需要用全部的頻率分量才能重構暫態(tài)信號，實(shí)際上頻率過(guò)高的分量對暫態(tài)信號的重構影響甚微，為此定義拐點(diǎn)頻率，在暫態(tài)信號重構過(guò)程，高于拐點(diǎn)頻率的分量將被舍棄。對于目標信號，其拐點(diǎn)頻率表示為

（9）

       因此，從頻域的角度看，為減小目標信號上升時(shí)間的測量誤差，應當要求測量系統的帶寬遠大于目標信號的拐點(diǎn)頻率。

       圖2比較了在不同的探頭帶寬下VDs2和VGs2的仿真波形，為簡(jiǎn)化分析，不考慮示波器的作用，以探頭輸出電壓Vp和衰減系數k的乘積作為目標信號的測量結果。不難看出， 隨著(zhù)探頭帶寬的降低，目標信號測量結果的上升時(shí)間變長(cháng)，測量誤差也相應增大。此外，可以看出探頭的測量結果滯后于目標信號，即出現傳輸延遲現象，這主要是探頭的傳輸線(xiàn)導致的，本文對此不作深入討論。

圖2. 不同的探頭帶寬下VDs2和VGs2的仿真波形比較

       為定量說(shuō)明電壓探頭對目標信號測量結果上升時(shí)間的作用，取VDs2在50MHz帶寬探頭作用前后的上升時(shí)間來(lái)分析。由圖2a可知，該探頭的負載效應使VDs2的上升時(shí)間由10.424ns變?yōu)?0.875ns，又由式(8)可得該探頭的上升時(shí)間約為7ns，將這些數據代入到式(6)可解得探頭測量結果的上升時(shí)間為12.933ns，這與仿真得到的12.915ns一致。由式(7)可得，50MHz帶寬探頭對VDs2上升時(shí)間的測量誤差達到23.9%，這表明低帶寬探頭無(wú)法滿(mǎn)足高頻暫態(tài)信號上升時(shí)間的測量要求。

       電壓探頭帶寬過(guò)低，意味著(zhù)暫態(tài)信號的高頻分量被極大衰減，當暫態(tài)信號波形具有高頻振蕩或尖刺時(shí)，低帶寬電壓探頭將無(wú)法還原其快速變化的細節，圖2a和圖2b的仿真波形分別顯示出低帶寬探頭對目標信號過(guò)沖幅度的抑制作用和對目標信號尖刺波形的平滑作用。

綜上所述，本節的分析得到以下主要結論:

     （1）電壓探頭對目標信號的負載效應和測量系統與目標信號的級聯(lián)效應共同導致上升時(shí)間的測量誤差，且誤差隨探頭的輸入電容或上升時(shí)間增大而增大。

     （2）電壓探頭的帶寬和上升時(shí)間成反比。

     （3）電壓探頭帶寬過(guò)低將使測得信號的過(guò)沖幅度下降、尖刺波形平滑。