示波器電壓探頭電路原理

PRBTEK

       隨著寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展，電力電子器件的開關(guān)速度越來越快，工作電壓逐漸升高，也使電壓探頭的性能對(duì)電力電子器件暫態(tài)電壓測(cè)量結(jié)果的影響程度增大。下面PRBTEK為您分享典型示波器電壓探頭電路原理：

高阻無源探頭

       無源探頭具有價(jià)格便宜、機(jī)械結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、動(dòng)態(tài)范圍寬、輸入電阻高等優(yōu)勢(shì)，因此廣泛應(yīng)用于通用測(cè)試場(chǎng)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1所示。

圖1 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(cè)點(diǎn)，其中信號(hào)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(cè)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(shí)，將使高頻信號(hào)產(chǎn)生諧振，為較好地抑制該諧振問題，可將傳輸線設(shè)計(jì)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1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(hào)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(shí)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。

有源單端探頭

       有源單端探頭前端配有場(chǎng)效應(yīng)晶體管，這使其具有非常小的輸入電容，但同時(shí)導(dǎo)致其線性動(dòng)態(tài)輸入范圍很小。此外，有源單端探頭價(jià)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2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2. 10倍衰減的有源單端探頭電路模型

       信號(hào)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鳌Ｆ渲校�緩沖器具有高輸入阻抗和強(qiáng)輸出驅(qū)動(dòng)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(hào)傳輸能力;另一方面可以使衰減器盡可能地靠近測(cè)試點(diǎn)，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(duì)其源端和負(fù)載端進(jìn)行阻抗匹配，以提升信號(hào)傳輸?shù)谋Ｕ娑龋�同時(shí)對(duì)緩沖器輸出端信號(hào)產(chǎn)生2倍衰減。

有源高壓差分探頭

       有源差分探頭主要用于測(cè)量差分信號(hào)，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(cè)量開關(guān)電源信號(hào)。圖3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(hào)端的寄生電感。

圖3. 有源高壓差分探頭電路模型

       首先差分信號(hào)依次通過兩個(gè)理論上相同的衰減器和緩沖器實(shí)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(duì)地信號(hào)；最后由無損傳輸線傳輸?shù)绞静ㄆ鳌９材Ｒ种票仁遣罘痔筋^的一個(gè)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(hào)傳輸途徑的電阻、電容、緩沖器和寄生參數(shù)的不完全對(duì)稱；②差分放大器固有的共模增益。

光隔離探頭

       光隔離探頭同樣用于測(cè)量差分信號(hào)，其原理框圖如圖4所示，該探頭主要包括衰減器、電-光-電轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)、無損傳輸線和示波器接頭。電-光-電轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)作為光隔離探頭的核心，通過電-光轉(zhuǎn)換器、光纖、光-電轉(zhuǎn)換器和控制器實(shí)現(xiàn)了被測(cè)設(shè)備與示波器的電氣隔離，縮短了差分信號(hào)的傳輸路徑，這很大程度上提高了探頭的共模抑制比，使得光隔離探頭能測(cè)量具有高帶寬和高共模電壓的差分信號(hào)。

圖4. 光隔離探頭的原理框圖