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。

典型示波器電壓探頭電路原理

2.1高阻無源探頭

無源探頭具有價格便宜、機械結構堅固、動態范圍寬、輸入電阻高等優勢，因此廣泛應用于通用測試場合。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、有損傳輸線和補償器，其典型電路模型如圖2所示。

圖2. 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點，其中信號端提供高阻值電阻Rt 以減小負載效應，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。

傳輸線用以提供測量距離，長度一般為1～2m。傳輸線可等效為RLGC等分布參數的集總元件模型，當其終端阻抗不匹配時，將使高頻信號產生諧振，為較好地抑制該諧振問題，可將傳輸線設計為有損類型的，即含有一定的分布電阻。

補償器用以匹配探頭和示波器的阻抗，圖2中以RC串聯網絡來表示。根據補償衰減器理論，為維持信號在較大頻域內線性衰減，可調節可變電容Cc，使輸入網絡和輸出網絡的時間常數相等，即

RtCt=Rs(Clt+Cc+Cs)

式中，Clt為有損傳輸線的總電容。根據傳輸線工作原理，為改善探頭的高頻增益，可調節可變電阻Rc，使負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。

2.2有源單端探頭

有源單端探頭前端配有場效應晶體管，這使其具有非常小的輸入電容，但同時導致其線性動態輸入范圍很小。此外，有源單端探頭價格昂貴、機械結構脆弱，這些因素限制了其應用范圍。圖3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3. 10倍衰減的有源單端探頭電路模型

信號先通過衰減器進行5倍衰減，再通過緩沖器進行電壓跟隨,最后由無損傳輸線傳輸到示波器。其中，緩沖器具有高輸入阻抗和強輸出驅動能力，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行阻抗匹配，提高信號傳輸能力;另一方面可以使衰減器盡可能地靠近測試點，以減小不可控的寄生參數。無損傳輸線的特征阻抗一般為50Ω，R3與Rs分別對其源端和負載端進行阻抗匹配，以提升信號傳輸的保真度，同時對緩沖器輸出端信號產生2倍衰減。

2.3有源高壓差分探頭

有源差分探頭主要用于測量差分信號，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量開關電源信號。圖4為一種經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-分別為兩信號端的寄生電感。

圖4. 有源高壓差分探頭電路模型

首先差分信號依次通過兩個理論上相同的衰減器和緩沖器實現高倍衰減和電壓跟隨;然后通過差分放大器轉換為單端對地信號；最后由無損傳輸線傳輸到示波器。共模抑制比是差分探頭的一個重要指標，有源差分探頭的共模增益主要有兩種來源；①兩差分信號傳輸途徑的電阻、電容、緩沖器和寄生參數的不完全對稱；②差分放大器固有的共模增益。

2.4光隔離探頭

光隔離探頭同樣用于測量差分信號，其原理框圖如圖5所示，該探頭主要包括衰減器、電-光-電轉換網絡、無損傳輸線和示波器接頭。電-光-電轉換網絡作為光隔離探頭的核心，通過電-光轉換器、光纖、光-電轉換器和控制器實現了被測設備與示波器的電氣隔離，縮短了差分信號的傳輸路徑，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量具有高帶寬和高共模電壓的差分信號。

圖5. 光隔離探頭的原理框圖