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交流稳压电源工程师如何制作示波器探头?

上升/下降时间为30ns至60ns的传统平面或沟槽MOSFET开关,逐渐被超结MOSFET等开关时间小于5ns的功率开关所替代。要检查这种快速变换,一般需求运用至少1GHz带宽的示波器,但现在市售的示波器探头带宽一般小于300MHz。此外,高频电压和电流探头一般价格昂贵。因而,关于中型企业的电源交流稳压电源工程师来说,最好的方法是自己制造示波器探头。


为了调查快速改动的波形,示波器的带宽至少要到达1GHz。惋惜的是,大多数商用电压和电流探头都无法在这么高的频率下作业。


随着现代电源的作业频率越来越高,交流稳压电源工程师们现已开端选用高频功率开关和整流器技术。上升/下降时间为30ns到60ns的传统平面或沟槽MOSFET开关逐渐被超结MOSFET、GaN MOSFET、SiC MOSFET和SiC肖特基整流管等开关时间不到5ns的功率开关所替代。


为调查如此快速的改动,一般需求带宽至少1GHz的示波器。惋惜的是,大多数商用的电压和电流探头无法在这么高的频率下作业。一般示波器探头的带宽不到300MHz,电流探头的带宽可能只要60MHz至100MHz乃至更小。此外,高频电压探头的成本一般在12000美元以上,而略微好一点的电流探头至少要4000美元。关于在中小规模公司上班的电源交流稳压电源工程师来说,只要一条路:自己做探头。规划和制造高频电压和电流探头需求很好地了解射频、寄生效应、传输线理论和场论。


商用探头的缺陷

商用示波器的电压和电流探头极具鲁棒性,规划契合人体交流稳压电源工程学,并且十分准确,在作业频率远小于1GHz的许多使用中它们都能很好地作业。而新一代开关晶体管的作业频率都超越1GHz,导致上升和下降时间都不到5ns。


商用探头的低带宽极大地约束了丈量精度。交流稳压电源工程师们习惯了慢的上升和下降时间,因而很简略疏忽遗失的信息。另外,一般探头连接到信号源会发生失真。这些连线(特别是地线)有很长一段没有屏蔽。一段4-6英寸(10-15cm)长的地线可能会拾取来自电路或其它当地的辐射噪声,并将噪声注入同轴电缆构成共模信号。这种简略被疏忽的信号会叠加到有用的信号上。


图1显现的是一种典型的商用电压探头,它包含一段未屏蔽的信号或地线,会构成环形天线。这段线拾取到的噪声电平正比于环路面积以及噪声能量和噪声频谱。只需简略地将地线夹到探头上然后挨近方针电路板就能观测到这种噪声。

交流稳压电源工程师如何制作示波器探头?

图1:一般电压示波器探头用一根地线夹到待测电路。


其实你可以自己做一个50Ω的电压探头,克己50Ω电压探头可以帮助你更好地定义和了解电路中发生的事情。克己50Ω电压探头的总体方针是:


构建一条从电路到示波器的干净高频信号途径;

沿着信号途径供给尽可能有用的屏蔽;

可以控制尽可能多的寄生影响。


1:1屏蔽同轴电压探头

对低于示波器输入端最大额外输入电压的信号,可以用一段剪下来的50Ω BNC同轴电缆作为探头。未屏蔽的中心导体和带屏蔽的尾部长度不能超越1英寸(25cm),以便最大极限减小噪声拾取。要想调查特定节点的信号,可以将中心导体直接焊接到该节点上;地线应该焊接到最近的关联地上,也就是说,不能连接到在探头和方针节点之间有很长PCB走线的地。这种探头只能供给从方针电路到示波器的高频信号屏蔽。示波器的输入终端电阻应该是1MΩ。图2显现了这种1:1屏蔽探头的规划。

交流稳压电源工程师如何制作示波器探头?

图2:依据同轴电缆的1:1屏蔽式电压探头。探头上的电感(LUS)和地线(LG)会约束带宽,但由于尺度小,有助于削减噪声拾取。


n:1 50Ω电压探头

n:1探头首要用于信号起伏(包含任何尖峰)超越示波器输入放大器最大额外电压的状况,这种探头制造起来略微复杂一些。其简化后的原理图如图3所示。

交流稳压电源工程师如何制作示波器探头?

图3:简化后的n:1电压探头原理图,其间的串联电阻RS需求必定的核算才干断定值的巨细。

因而首要也是重要的一步是断定这个检测电阻(RS)的巨细。这可不是想像的那么简略,有多个要素需求考虑。

将示波器的输入终端电阻设为50Ω,这样示波器内部的50Ω终端电阻就成为了分压电路的底部电阻。你完全可以放心肠认为这个电阻的精度超越0.1%。其功耗不该超越0.25W。这个额外功率决议了可以进入示波器输入端的最大电流值。

其它考虑要素包含:


50Ω终端电阻上的信号最大起伏

串联检测电阻(RS)的功耗

输入电路上的负载


所有这些要素彼此之间有必要获得平衡,它们将断定示波器输入放大器的增益设置。如果信号太低,示波器的输入增益有必要设置在小于100mV的规模。由于输入信号十分挨近输入放大器的本底噪声,因而显现的信号会带许多噪声,然后导致ADC输入分辨率下降。信号可能只能被ADC(假设是8位的ADC)的低四位比特捕获,终究你会看到最低有用位(LSB)的量化过程。这种状况难以避免,特别是对具有高降压比的探头。图4显现了一个1000:1 50Ω探头的典型波形。

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图4:低电平示波器迹线一般会显现输入信号上的量化噪声。


图5显现了n:1电压探头的根本结构。

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图5:n:1 50Ω探头在挨近探头顶部的位置有一个1/4W的电阻。


规划n:1探头时需求遵循以下过程。

首要,依据想要的通道增益设置值断定电阻的衰减比值,以到达一个比较合适的示波器信号起伏(包含尖峰)。一般挑选十倍的电阻衰减比值,由于显现的v/div设置只在输入电压的小数点位置上有差异。


典型的输入起伏不该超越内部输入50Ω终端电阻的额外功率。为了发生想要的通道电压,电流有必要流过50Ω终端电阻。

功率有必要小于终端电阻的额外功率:

检测电阻(R1)值的核算公式:

现在检查一下检测电阻的功耗。

检查你想看的电路负载,你有必要了解和断定对方针电路的影响。如果探头耗费太多的检测电流,就会改动方针电路的作业,有时这种改动还很显著。经历法则是:

有时候初始考虑条件都满意了,但探头使方针电路发生了过载。在这种状况下,你有必要回到过程1,并选用小于初始电流的检测电流。

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