文章摘要
本文选自电工技术学报2021年1月版第36卷第2期《电压探头对宽禁带器件高频暂态电压精确测量的影响》一文，经原作者同意后，借此平台分享给大家学习参考。
随着宽禁带半导体器件的发展，电力电子器件的开关速度越来越快，工作电压逐渐升高，致使电压探头的性能对电力电子器件暂态电压测量结果的影响程度增大。本文分析了几种实验室常用的示波器电压探头的测量原理，根据电压探头的电路分析模型，研究探头的带宽/上升时间、寄生电感和共模抑制比等几个关键因素对高频暂态电压测量结果的影响。最后搭建实验平台，实验结果验证了理论分析的有效性。
第一期先打个基础，为大家介绍示波器电压探头种类及其主要性能指标。
示波器电压探头种类及其主要性能指标
1.1 示波器电压探头的种类
示波器电压探头按照是否需要供电可分为无源探头和有源探头，其中无源探头按照输入阻抗大小又分为低阻探头和高阻探头，为减小探头输入阻抗对信号的负载效应，开关电源信号测量中常用的无源探头为高阻探头;有源探头按照所测信号类型可分为单端探头和差分探头，单端探头用以测量单端对地信号,差分探头用以测量双端互为参考的信号。
此外，根据待测电压大小，电压探头又分为高压探头和低压探头；根据带宽大小，电压探头又分为高带宽探头和低带宽探头。图1为几种典型的示波器电压探头，其中光隔离探头是一种具有高共模抑制比的差分探头。
图1. 典型示波器电压探头
示波器电压探头的种类众多，本质上反映的是测量环境的复杂性和用户需求的多样性，这需要从两方面考虑:一方面，使用者根据不同的测量环境和功能需求选择最为合适的探头，可以提高测量的准确度;另一方面，这种特定探头的通用性不高，将导致使用者的选择成本增加，因为如果用户不深入了解探头的各种性能指标、不明确待测信号的特点，就很难做出有效的甄选。
1.2 示波器电压探头的主要性能指标
理想的示波器电压探头应具有以下主要特点:灵活的连接方式、完美的信号保真度、零信号源负荷、全面抗击噪声等，而在实际应用中这些都无法绝对实现。如连接方便要求探头能应对不同物理测量环境，完美的信号保真度要求探头具有零衰减、无限带宽和线性相位，零信号源负荷要求探头输入电阻无穷大，全面抗击噪声要求探头完全隔离于外部电磁环境等。尽管如此，实际的电压探头可以较大程度地接近上述要求，足以满足绝大多数测量需求。
示波器电压探头的性能主要由以下几个指标衡量:
（1）最大额定电压，即探头能测量的电压范围。
（2）衰减系数，即探头使输入信号降低的倍数。典型的衰减系数有1X、10X、50X、500X等，衰减系数越高，探头的最大额定电压越高。
（3）输入阻抗。探头的输入阻抗可分为输入电阻和输入电容,输入阻抗随频率增高而减小，低频下输入阻抗主要由输入电阻决定，高频下输入阻抗主要由输入电容决定。
（4）补偿范围（无源探头)，即探头可以补偿的示波器输入电容的范围。示波器输入电容过大或过小，都将导致探头和示波器不能完美匹配。
（5）带宽/上升时间。探头的带宽指其输出信号的幅频响应从直流增益下降至-3dB时的频率，探头的上升时间指理想矩形脉冲信号输入时探头输出信号幅度由10%上升至90%的时间。
（6）传播延迟，即输出信号对输入信号的延迟时间。不同探头的传播延迟一般不同，这是造成测得的多通道信号不同步的重要原因。
（7）共模抑制比（差分探头)。共模抑制比( Common-Mode Rejection Ratio, CMRR)( dB）用以衡量差分探头抑制输入信号共模分量的能力，其表达式为
