文章摘要

本文選自電工技術學報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電壓精確測量的影響》一文，經原作者同意后，借此平臺分享給大家學習參考。

隨著寬禁帶半導體器件的發展，電力電子器件的開關速度越來越快，工作電壓逐漸升高，致使電壓探頭的性能對電力電子器件暫態電壓測量結果的影響程度增大。本文分析了幾種實驗室常用的示波器電壓探頭的測量原理，根據電壓探頭的電路分析模型，研究探頭的帶寬/上升時間、寄生電感和共模抑制比等幾個關鍵因素對高頻暫態電壓測量結果的影響。最后搭建實驗平臺，實驗結果驗證了理論分析的有效性。

第一期先打個基礎，為大家介紹示波器電壓探頭種類及其主要性能指標。

示波器電壓探頭種類及其主要性能指標

1.1 示波器電壓探頭的種類

示波器電壓探頭按照是否需要供電可分為無源探頭和有源探頭，其中無源探頭按照輸入阻抗大小又分為低阻探頭和高阻探頭，為減小探頭輸入阻抗對信號的負載效應，開關電源信號測量中常用的無源探頭為高阻探頭;有源探頭按照所測信號類型可分為單端探頭和差分探頭，單端探頭用以測量單端對地信號,差分探頭用以測量雙端互為參考的信號。

此外，根據待測電壓大小，電壓探頭又分為高壓探頭和低壓探頭；根據帶寬大小，電壓探頭又分為高帶寬探頭和低帶寬探頭。圖1為幾種典型的示波器電壓探頭，其中光隔離探頭是一種具有高共模抑制比的差分探頭。

圖1. 典型示波器電壓探頭

示波器電壓探頭的種類眾多，本質上反映的是測量環境的復雜性和用戶需求的多樣性，這需要從兩方面考慮:一方面，使用者根據不同的測量環境和功能需求選擇最為合適的探頭，可以提高測量的準確度;另一方面，這種特定探頭的通用性不高，將導致使用者的選擇成本增加，因為如果用戶不深入了解探頭的各種性能指標、不明確待測信號的特點，就很難做出有效的甄選。

1.2 示波器電壓探頭的主要性能指標

理想的示波器電壓探頭應具有以下主要特點:靈活的連接方式、完美的信號保真度、零信號源負荷、全面抗擊噪聲等，而在實際應用中這些都無法絕對實現。如連接方便要求探頭能應對不同物理測量環境，完美的信號保真度要求探頭具有零衰減、無限帶寬和線性相位，零信號源負荷要求探頭輸入電阻無窮大，全面抗擊噪聲要求探頭完全隔離于外部電磁環境等。盡管如此，實際的電壓探頭可以較大程度地接近上述要求，足以滿足絕大多數測量需求。

示波器電壓探頭的性能主要由以下幾個指標衡量:

（1）最大額定電壓，即探頭能測量的電壓范圍。

（2）衰減系數，即探頭使輸入信號降低的倍數。典型的衰減系數有1X、10X、50X、500X等，衰減系數越高，探頭的最大額定電壓越高。

（3）輸入阻抗。探頭的輸入阻抗可分為輸入電阻和輸入電容,輸入阻抗隨頻率增高而減小，低頻下輸入阻抗主要由輸入電阻決定，高頻下輸入阻抗主要由輸入電容決定。

（4）補償范圍（無源探頭)，即探頭可以補償的示波器輸入電容的范圍。示波器輸入電容過大或過小，都將導致探頭和示波器不能完美匹配。

（5）帶寬/上升時間。探頭的帶寬指其輸出信號的幅頻響應從直流增益下降至-3dB時的頻率，探頭的上升時間指理想矩形脈沖信號輸入時探頭輸出信號幅度由10%上升至90%的時間。

（6）傳播延遲，即輸出信號對輸入信號的延遲時間。不同探頭的傳播延遲一般不同，這是造成測得的多通道信號不同步的重要原因。

（7）共模抑制比（差分探頭)。共模抑制比( Common-Mode Rejection Ratio, CMRR)( dB）用以衡量差分探頭抑制輸入信號共模分量的能力，其表達式為

不同類型電壓探頭的性能指標一般具有較為明顯的差異性，表1總結了典型示波器電壓探頭的基本特點和主要性能指標。

表1. 常用示波器電壓探頭的典型特性

注：數據來源于主流探頭廠商。