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，大多數商用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

，工程師們已經開始采用高頻功率開關和整流器技術。上升/下降時間為30ns到60ns的傳統平麵或溝槽MOSFET開關逐漸被超結MOSFET、GaN MOSFET

、SiC MOSFET和SiC肖特基整流管等開關時間不到5ns的功率開關所取代。

 

為觀察如此快速的變化
，通常需要帶寬至少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。普通示波器探頭的帶寬不到300MHz，電流探頭的帶寬可能隻有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。對於在中小規模公司上班的電源工程師來說，隻有一條路：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。

 

 

商用示波器的電壓和電流探頭極具魯棒性
，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。而新一代開關晶體管的工作頻率都超過1GHz，導致上升和下降時間都不到5ns。

 

shangyongtantoudedidaikuanjidadixianzhileceliangjingdu。gongchengshimenxiguanlemandeshangshenghexiajiangshijian，yincihenrongyihulveyiloudexinxi。lingwai
，putongtantoulianjiedaoxinhaoyuanhuichanshengshizhen。zhexielianxian（特別是地線）有很長一段沒有屏蔽。一段4-6英寸（10-15cm）長chang的de地di線xian可ke能neng會hui拾shi取qu來lai自zi電dian路lu或huo其qi它ta地di方fang的de輻fu射she噪zao聲sheng
，並bing將jiang噪zao聲sheng注zhu入ru同tong軸zhou電dian纜lan形xing成cheng共gong模mo信xin號hao。這zhe種zhong容rong易yi被bei忽hu略lve的de信xin號hao會hui疊die加jia到dao有you用yong的de信xin號hao上shang。

 

圖1xianshideshiyizhongdianxingdeshangyongdianyatantou
，tabaohanyiduanweipingbidexinhaohuodixian，huixingchenghuanxingtianxian。zheduanxianshiqudaodezaoshengdianpingzhengbiyuhuanlumianjiyijizaoshengnenglianghezaoshengpinpu。zhixujiandandijiangdixianjiadaotantoushangranhoukaojinmubiaodianlubanjiunengguancedaozhezhongzaosheng。

 

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電壓探頭可以幫助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：

 

 

 

對低於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。要想觀察特定節點的信號
，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。這種探頭隻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該是1MΩ。圖2顯示了這種1:1屏蔽探頭的設計。

 

圖2：基於同軸電纜的1:1屏蔽式電壓探頭。探頭上的電感（LUS）和地線（LG）會限製帶寬，但由於尺寸小，有助於減少噪聲拾取。

 

 

n:1探頭主要用於信號幅度（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，這種探頭製作起來稍微複雜一些。其簡化後的原理圖如圖3所示。

 

圖3：簡化後的n:1電壓探頭原理圖，其中的串聯電阻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置。如果信號太低，示波器的輸入增益必須設置在小於100mV的範圍。由於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
，從而導致ADC輸入分辨率降低。信號可能隻能被ADC（假設是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電壓探頭的基本結構。

 

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設置隻在輸入電壓的小數點位置上有區別。

 

 

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。

 

 

功率必須小於終端電阻的額定功率：

 

 

檢測電阻（R1）值的計算公式：

 

 

現在檢查一下檢測電阻的功耗。

 

 

檢(jian)查(zha)你(ni)想(xiang)看(kan)的(de)電(dian)路(lu)負(fu)載(zai)，你(ni)必(bi)須(xu)理(li)解(jie)和(he)確(que)定(ding)對(dui)目(mu)標(biao)電(dian)路(lu)的(de)影(ying)響(xiang)。如(ru)果(guo)探(tan)頭(tou)消(xiao)耗(hao)太(tai)多(duo)的(de)檢(jian)測(ce)電(dian)流(liu)，就(jiu)會(hui)改(gai)變(bian)目(mu)標(biao)電(dian)路(lu)的(de)工(gong)作(zuo)，有(you)時(shi)這(zhe)種(zhong)改(gai)變(bian)還(hai)很(hen)顯(xian)著(zhu)。經(jing)驗(yan)法(fa)則(ze)是(shi)：

 

 

有時候初始考慮條件都滿足了，但探頭使目標電路發生了過載。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。

 

本文轉載自電子技術設計。