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。
上期为大家介绍了典型示波器电压探头电路原理。本期为大家介绍电压探头关键因素对高频暂态电压测量精度的影响分析。
电压探头关键因素对高频暂态电压测量精度的影响分析
3.1仿真电路
高频暂态电压由图6a所示的双脉冲测试电路产生，采用Saber软件进行电路仿真，仿真波形如图6b所示。所用开关器件为有开尔文源的MOSFET，在各目标信号中，VGs1为高共模电压低压差分信号，VDs1为高共模电压高压差分信号，VGs2为低共模电压低压差分信号，VDS2为高压对地信号。根据信号类型，VGs1、VDs1和 VGs2需采用差分探头测量，VDS2既可采用高阻无源探头测量，也可采用差分探头测量。当开关器件无开尔文源时，S2驱动回路源端接地，VGs2也可采用高阻无源探头或具有宽输入范围的有源单端探头测量。
图6. 双脉冲测试电路及其仿真结果
3.2带宽与上升时间
对于n个模块级联而成的线性时不变系统，记各级阶跃响应的上升时间为tr,m，当各级的阶跃响应皆为高斯函数（高斯响应）时，系统的上升时间可表示为
（4）
当各级阶跃响应有过冲现象且过冲幅度大约为阶跃幅度的5%或10%时，系统的上升时间将比式(4)给出的上升时间略短，系统的过冲幅度约为各级过冲幅度总和的二次方根。
考虑目标信号、电压探头和示波器级联形成的系统，各级阶跃响应的上升时间依次记为 tr,sign、tr,probe、 tr,scope。其中后两级组成的测量系统通过示波器的前端放大器相互隔离，使得这两者的上升时间相互独立，常用的电压探头和示波器一般具有高斯响应，由式(4)可得测量系统的上升时间为
（5）
进一步地，假设目标信号和电压探头的上升时间也相互独立，则整个系统的上升时间，即示波器显示波形的上升时间为
（6）
实际上，电压探头对目标信号有负载效应，目标信号的上升时间将因探头的加入而改变。负载效应模型如图7所示。图中，Vs为单位阶跃信号源，Rs为信号源电阻，Cs为负载电容，Vsign为目标信号，Ri与Ci为电压探头的输入阻抗。未施加探头时，由RC电路的阶跃响应函数易得目标信号的上升时间tr,sign为2.2RsCs。同理，施加电压探头后，目标信号的上升时间变为2.2(Rs//Ri)(Cs+Ci)。目标信号上升时间因电压探头的负载效应而变化的程度可表示为
（7）
图7. 电压探头对目标信号的负载效应模型
开关器件的栅源电压和漏源电压对应的等效负载电容Cs可分别用器件的输入电容和输出电容近似，tr,sign可由数据表直接读出，因此开关器件等效信号源电阻Rs可表示为tr,sign/(2.2Cs)，取现有商售SiC器件进行估算，可得目标信号的等效负载电阻约在100Ω的数量级上,而常用的高阻无源探头和有源高压差分探头的输入电阻数量级约为MΩ，于是，式(7)可近似为
（8）
