為了觀察快速變化的波形，示波器的帶寬至少要達到1GHz。遺憾的是，大多數(shù)商用電壓和電流探頭都無法在這么高的頻率下工作。

 

隨著現(xiàn)代電源的工作頻率越來越高，工程師們已經(jīng)開始采用高頻功率開關(guān)和整流器技術(shù)。上升/下降時間為30ns到60ns的傳統(tǒng)平面或溝槽MOSFET開關(guān)逐漸被超結(jié)MOSFET、GaN MOSFET、SiC MOSFET和SiC肖特基整流管等開關(guān)時間不到5ns的功率開關(guān)所取代。

 

為觀察如此快速的變化，通常需要帶寬至少1GHz的示波器。遺憾的是，大多數(shù)商用的電壓和電流探頭無法在這么高的頻率下工作。普通示波器探頭的帶寬不到300MHz，電流探頭的帶寬可能只有60MHz至100MHz甚至更小。此外，高頻電壓探頭的成本通常在12000美元以上，而稍微好一點的電流探頭至少要4000美元。對于在中小規(guī)模公司上班的電源工程師來說，只有一條路：自己做探頭。設(shè)計和制作高頻電壓和電流探頭需要很好地理解射頻、寄生效應(yīng)、傳輸線理論和場論。

 

 

商用示波器的電壓和電流探頭極具魯棒性，設(shè)計符合人體工程學(xué)，而且非常精確，在工作頻率遠小于1GHz的許多應(yīng)用中它們都能很好地工作。而新一代開關(guān)晶體管的工作頻率都超過1GHz，導(dǎo)致上升和下降時間都不到5ns。

 

商用探頭的低帶寬極大地限制了測量精度。工程師們習(xí)慣了慢的上升和下降時間，因此很容易忽略遺漏的信息。另外，普通探頭連接到信號源會產(chǎn)生失真。這些連線（特別是地線）有很長一段沒有屏蔽。一段4-6英寸（10-15cm）長的地線可能會拾取來自電路或其它地方的輻射噪聲，并將噪聲注入同軸電纜形成共模信號。這種容易被忽略的信號會疊加到有用的信號上。

 

圖1顯示的是一種典型的商用電壓探頭，它包含一段未屏蔽的信號或地線，會形成環(huán)形天線。這段線拾取到的噪聲電平正比于環(huán)路面積以及噪聲能量和噪聲頻譜。只需簡單地將地線夾到探頭上然后靠近目標電路板就能觀測到這種噪聲。

 

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，自制50Ω電壓探頭可以幫助你更好地定義和理解電路中發(fā)生的事件。自制50Ω電壓探頭的總體目標是：

 

 

 

對低于示波器輸入端最大額定輸入電壓的信號，可以用一段剪下來的50Ω BNC同軸電纜作為探頭。未屏蔽的中心導(dǎo)體和帶屏蔽的尾部長度不能超過1英寸（25cm），以便最大限度減小噪聲拾取。要想觀察特定節(jié)點的信號，可以將中心導(dǎo)體直接焊接到該節(jié)點上；地線應(yīng)該焊接到最近的關(guān)聯(lián)地上，也就是說，不能連接到在探頭和目標節(jié)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信號屏蔽。示波器的輸入終端電阻應(yīng)該是1MΩ。圖2顯示了這種1:1屏蔽探頭的設(shè)計。

 

圖2：基于同軸電纜的1:1屏蔽式電壓探頭。探頭上的電感（LUS）和地線（LG）會限制帶寬，但由于尺寸小，有助于減少噪聲拾取。

 

 

n:1探頭主要用于信號幅度（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，這種探頭制作起來稍微復(fù)雜一些。其簡化后的原理圖如圖3所示。

 

圖3：簡化后的n:1電壓探頭原理圖，其中的串聯(lián)電阻RS需要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（RS）的大小。這可不是想像的那么簡單，有多個因素需要考慮。

 

將示波器的輸入終端電阻設(shè)為50Ω，這樣示波器內(nèi)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度超過0.1%。其功耗不應(yīng)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。

 

其它考慮因素包括：

 

 

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(shè)置。如果信號太低，示波器的輸入增益必須設(shè)置在小于100mV的范圍。由于輸入信號非常接近輸入放大器的本底噪聲，因此顯示的信號會帶很多噪聲，從而導(dǎo)致ADC輸入分辨率降低。信號可能只能被ADC（假設(shè)是8位的ADC）的低四位比特捕獲，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。

 

圖4：低電平示波器跡線通常會顯示輸入信號上的量化噪聲。

 

圖5顯示了n:1電壓探頭的基本結(jié)構(gòu)。

 

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(shè)計n:1探頭時需要遵循以下步驟。

 

首先，根據(jù)想要的通道增益設(shè)置值確定電阻的衰減比值，以達到一個比較合適的示波器信號幅度（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(shè)置只在輸入電壓的小數(shù)點位置上有區(qū)別。

 

 

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

 

 

功率必須小于終端電阻的額定功率：

 

 

檢測電阻（R1）值的計算公式：

 

 

現(xiàn)在檢查一下檢測電阻的功耗。

 

 

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，就會改變目標電路的工作，有時這種改變還很顯著。經(jīng)驗法則是：

 

 

有時候初始考慮條件都滿足了，但探頭使目標電路發(fā)生了過載。在這種情況下，你必須回到步驟1，并選用小于初始電流的檢測電流。

 

本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計。