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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

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發(fā)表于 2021-9-22 17:23:17 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
關(guān)鍵詞: 電壓探頭 , 電流探頭
       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。所用開關(guān)器件為有開爾文源的MOSFET,在各目標(biāo)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(jù)信號類型,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,S2驅(qū)動回路源端接地,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。
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(jié)果
二、帶寬與上升時間
       對于n個模塊級聯(lián)而成的線性時不變系統(tǒng),記各級階躍響應(yīng)的上升時間為tr,m,當(dāng)各級的階躍響應(yīng)皆為高斯函數(shù)(高斯響應(yīng))時,系統(tǒng)的上升時間可表示為
(1)
       當(dāng)各級階躍響應(yīng)有過沖現(xiàn)象且過沖幅度大約為階躍幅度的5%或10%時,系統(tǒng)的上升時間將比式(4)給出的上升時間略短,系統(tǒng)的過沖幅度約為各級過沖幅度總和的二次方根。
       考慮目標(biāo)信號、電壓探頭和示波器級聯(lián)形成的系統(tǒng),各級階躍響應(yīng)的上升時間依次記為 tr,sign、tr,probe、 tr,scope。其中后兩級組成的測量系統(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間相互獨立,常用的電壓探頭和示波器一般具有高斯響應(yīng),由式(1)可得測量系統(tǒng)的上升時間為
(2)
進(jìn)一步地,假設(shè)目標(biāo)信號和電壓探頭的上升時間也相互獨立,則整個系統(tǒng)的上升時間,即示波器顯示波形的上升時間為
(3)
       實際上,電壓探頭對目標(biāo)信號有負(fù)載效應(yīng),目標(biāo)信號的上升時間將因探頭的加入而改變。負(fù)載效應(yīng)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(fù)載電容,Vsign為目標(biāo)信號,Ri與Ci為電壓探頭的輸入阻抗。未施加探頭時,由RC電路的階躍響應(yīng)函數(shù)易得目標(biāo)信號的上升時間tr,sign為2.2RsCs。同理,施加電壓探頭后,目標(biāo)信號的上升時間變?yōu)?.2(Rs//Ri)(Cs+Ci)。目標(biāo)信號上升時間因電壓探頭的負(fù)載效應(yīng)而變化的程度可表示為
(4)
圖1 電壓探頭對目標(biāo)信號的負(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)信號的等效負(fù)載電阻約在100Ω的數(shù)量級上,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,其對開關(guān)器件的負(fù)載效應(yīng)越明顯。然而,由于開關(guān)器件的輸入電容和輸出電容是變量,不能用式(5)來準(zhǔn)確計算。為
       考慮到電壓探頭的負(fù)載效應(yīng),式(5)可修正為
(6)
       進(jìn)而可定義測量系統(tǒng)產(chǎn)生的上升時間誤差為
(7)
       可知,為減小目標(biāo)信號的上升時間測量誤差,應(yīng)使電壓探頭的輸入電容足夠小,并且使測量系統(tǒng)的上升時間遠(yuǎn)小于目標(biāo)信號的上升時間。
       帶寬和上升時間成反比,對于高斯響應(yīng)型的測量系統(tǒng),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(gòu)暫態(tài)信號,實際上頻率過高的分量對暫態(tài)信號的重構(gòu)影響甚微,為此定義拐點頻率,在暫態(tài)信號重構(gòu)過程,高于拐點頻率的分量將被舍棄。對于目標(biāo)信號,其拐點頻率表示為
(9)
       因此,從頻域的角度看,為減小目標(biāo)信號上升時間的測量誤差,應(yīng)當(dāng)要求測量系統(tǒng)的帶寬遠(yuǎn)大于目標(biāo)信號的拐點頻率。
       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(shù)k的乘積作為目標(biāo)信號的測量結(jié)果。不難看出, 隨著探頭帶寬的降低,目標(biāo)信號測量結(jié)果的上升時間變長,測量誤差也相應(yīng)增大。此外,可以看出探頭的測量結(jié)果滯后于目標(biāo)信號,即出現(xiàn)傳輸延遲現(xiàn)象,這主要是探頭的傳輸線導(dǎo)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
       為定量說明電壓探頭對目標(biāo)信號測量結(jié)果上升時間的作用,取VDs2在50MHz帶寬探頭作用前后的上升時間來分析。由圖2a可知,該探頭的負(fù)載效應(yīng)使VDs2的上升時間由10.424ns變?yōu)?0.875ns,又由式(8)可得該探頭的上升時間約為7ns,將這些數(shù)據(jù)代入到式(6)可解得探頭測量結(jié)果的上升時間為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上升時間的測量誤差達(dá)到23.9%,這表明低帶寬探頭無法滿足高頻暫態(tài)信號上升時間的測量要求。
       電壓探頭帶寬過低,意味著暫態(tài)信號的高頻分量被極大衰減,當(dāng)暫態(tài)信號波形具有高頻振蕩或尖刺時,低帶寬電壓探頭將無法還原其快速變化的細(xì)節(jié),圖2a和圖2b的仿真波形分別顯示出低帶寬探頭對目標(biāo)信號過沖幅度的抑制作用和對目標(biāo)信號尖刺波形的平滑作用。
綜上所述,本節(jié)的分析得到以下主要結(jié)論:
     (1)電壓探頭對目標(biāo)信號的負(fù)載效應(yīng)和測量系統(tǒng)與目標(biāo)信號的級聯(lián)效應(yīng)共同導(dǎo)致上升時間的測量誤差,且誤差隨探頭的輸入電容或上升時間增大而增大。
     (2)電壓探頭的帶寬和上升時間成反比。
     (3)電壓探頭帶寬過低將使測得信號的過沖幅度下降、尖刺波形平滑。

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