為了觀察快速變化的波形,示波器的頻寬至少要達到1GHz。遺憾的是,大多數商用的電壓和電流探頭都無法在這麼高的頻率下工作。

隨著現代電源的工作頻率越來越高,工程師們已經開始採用高頻功率開關和整流器技術。上升/下降時間為30ns~60ns的傳統平面或溝槽式MOSFET開關正在讓位於逐漸被超結MOSFET、氮化鎵(GaN)MOSFET、碳化矽(SiC)MOSFET和SiC蕭特基二極體等開關時間不到5ns的功率開關所取代。

為觀察如此快速的變化,通常需要一台頻寬至少1GHz的示波器。遺憾的是,大多數商用的電壓和電流探頭無法在這麼高的頻率下工作。普通示波器探頭的頻寬不到300MHz,電流探頭的頻寬可能只有60MHz~100MHz甚至更小。此外,高頻電壓探頭的成本通常在12,000美元以上,而稍微好一點的電流探頭至少要4,000美元。對於在中小規模公司上班的電源工程師來說,只有一條路:自己做探頭。設計和製作高頻電壓和電流探頭需要很好地理解射頻、寄生效應、傳輸線理論和場論。

商用探頭的缺點

商用示波器的電壓和電流探頭極具強健性,設計符合人體工程學,而且非常精確,在工作頻率遠小於1GHz的許多應用中它們都能很好地工作。而新一代開關電晶體的工作頻率都超過1GHz,導致上升和下降時間都不到5ns。

商用探頭的低頻寬極大地限制了測量精度。工程師們習慣了慢的上升和下降時間,因此很容易忽略遺漏的資訊。另外,普通探頭連接到訊號源會產生失真。這些連線(特別是地線)有很長一段沒有遮罩。一段4~6英吋(10~15cm)長的地線可能會拾取來自電路或其他地方的輻射雜訊,並將雜訊注入同軸電纜形成共模訊號,這種容易被忽略的訊號會 疊加到有用的訊號上。

圖1顯示的是一種典型的商用電壓探頭,它包含一段未遮罩的訊號或地線,會形成環形天線。這段線拾取到的雜訊電平正比於環路面積,以及雜訊能量和雜訊頻譜。只需簡單地將地線夾到探頭上,然後靠近目標電路板就能觀測到這種雜訊。

20171120TA01P1 圖1 普通電壓示波器探頭用一根地線夾到待測電路。

其實你可以自己做一個50Ω的電壓探頭。自製50Ω電壓探頭可以說明你更好地定義和理解電路中發生的事件。自製50Ω電壓探頭的總體目標是:

˙構建一條從電路到示波器的乾淨的高頻訊號路徑; ˙沿著訊號路徑提供盡可能實用的遮罩; ˙能夠控制盡可能多的寄生影響。

1:1遮罩同軸電壓探頭

對低於示波器輸入端最大額定輸入電壓的訊號,可以用一段剪下來的50Ω BNC同軸電纜作為探頭。未遮罩的中心導體和帶遮罩的尾部長度不能超過1英吋(25cm),以便最大限度減少雜訊拾取。要想觀察特定節點的訊號,可以將中心導體直接焊接到該節點上;地線應該焊接到最近的關聯地上,也就是說,不能連接到在探頭和目標節點之間有很長PCB走線的地。這種探頭只能提供從目標電路到示波器的高頻訊號遮罩。示波器的輸入終端電阻應該是1MΩ。圖2顯示了這種1:1遮罩探頭的設計。

20171120TA01P2 圖2 基於同軸電纜的1:1遮罩式電壓探頭。探頭上的電感(LUS)和地線(LG)會限制頻寬,但 由於尺寸小,有助於減少雜訊拾取。

n:1 50Ω電壓探頭

n:1探頭主要用於訊號幅度(包括任何尖峰)超過示波器輸入放大器最大額定電壓的情況,這種探頭製作起來稍微有些複雜。其簡化後的原理圖如圖3所示。

20171120TA01P3 圖3 簡化後的n:1電壓探頭原理圖,其中的串聯電阻(RS)要求一定的計算才能確定值的大小。

因此首先也是重要的一步是確定這個檢測電阻的大小。這可不是想像的那麼簡單,有多個因素需要考慮。

將示波器的輸入終端電阻設為50Ω,這樣示波器內部的50Ω終端電阻就成為了分壓電路的底部電阻。你完全可以放心地認為這個電阻的精準度超過0.1%,其功耗不應超過0.25W。這個額定功率決定了能夠進入示波器輸入端的最大電流值。

其他考慮因素包括: ˙50Ω終端電阻上的訊號最大幅度; ˙串聯檢測電阻的功耗; ˙輸入電路上的負載。

所有這些因素彼此之間必須取得平衡,它們將確定示波器輸入放大器的增益設置。如果訊號太低,示波器的輸入增益必須設置在< 100mV的範圍。由於輸入訊號非常接近輸入放大器的本底雜訊,因此顯示的訊號會帶很多雜訊,從而導致ADC輸入解析度降低。訊號可能只能被ADC(假設是8位元ADC)的低4位元bit捕獲。最終你會看到最低有效位(LSB)的量化步驟。這種情況難以避免,特別是對具有高降壓比的探頭。圖4顯示了一個1000:1 50Ω探頭的典型波形。

20171120TA01P4 圖4 低電平示波器跡線通常會顯示輸入訊號上的量化雜訊。

圖5顯示了n:1電壓探頭的基本結構。

20171120TA01P5 圖5 n:1 50Ω探頭在靠近探頭頂部的位置有一個1/4W的電阻。

設計n:1探頭時需要遵循以下步驟:

首先,根據想要的通道增益設置值確定電阻的衰減比值,以達到一個比較合適的示波器訊號幅度(包括尖峰)。通常選擇十倍的電阻衰減比值,因為顯示的v/div設置只在輸入電壓的小數點位置上有區別。

20171120TA01P5-1

典型的輸入幅度不應超過內部輸入50Ω終端電阻的額定功率。為了產生想要的通道電壓,電流必須流過50Ω終端電阻。

20171120TA01P5-2

功率必須小於終端電阻的額定功率:

20171120TA01P5-3

檢測電阻(R1)值的計算公式:

20171120TA01P5-4

現在檢查檢測電阻的功耗。

20171120TA01P5-5

檢查你想看的電路負載,你必須理解和確定對目標電路的影響。如果探頭消耗太多的檢測電流,那麼探頭會改變目標電路的工作,有時這種改變還很顯著。經驗法則是:

20171120TA01P5-6

有時候初始考慮條件都滿足了,但探頭使目標電路發生了超載。在這種情況下,你必須回到步驟1,並選用小於初始電流的檢測電流。