硬件工程师基本功(6)——示波器探头的作用及工作原理

2023-02-10 0 978

Geoirs:责任编辑主要就重新整理自Keysight有关接收器的有关文本。

开关电源即使有接收器的存有而扩充了开关电源的应用领域覆盖范围,使开关电源能新浪网试验和预测被测电子阻抗,如下表所示图:

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开关电源接收器的促进作用

探头的优先选择和采用须要考量如下表所示三个各方面:

一是:即使接收器有阻抗负面效应,接收器会直接负面影响被测讯号和被测阻抗;

其三:接收器是整座开关电源量测控制系统的一小部份,会直接负面影响科学仪器的讯号画面质量和试验结论。

01 接收器的阻抗负面效应

当接收器观测到被测阻抗后,接收器正式成为了被测阻抗的一小部份。接收器的阻抗负面效应主要就包括上面3部份:

TMDS阻抗负面效应;

容抗阻抗负面效应;

知性阻抗负面效应。

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接收器的阻抗负面效应

TMDS阻抗相等于在被测阻抗上逆变器了两个阻抗,对被测讯号有比热容的促进作用,负面影响被测讯号的振幅和三相谐振。有时候,加之接收器时,有机械故障的阻抗可能将显得恒定了。通常所推荐接收器的阻抗R>10倍被测源阻抗,以保持大于10%的振幅数值。

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接收器的TMDS阻抗

容抗阻抗相等于在被测阻抗上逆变器了两个电容,对被测讯号有滤波的促进作用,负面影响被测讯号的上升下降时间,负面影响传输延迟,负面影响传输互连通道的带宽。有时候,加之接收器时,有机械故障的阻抗显得恒定了,这个电容负面效应起到了关键的促进作用。通常所推荐采用电容阻抗尽量小的接收器,以减小对被测讯号边沿的负面影响。

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接收器的容抗阻抗

的讯号上出现振铃。如果显示的讯号上出现明显的振铃,须要检查确认是被测讯号的真实特征还是由于接地线引起的振铃,检查确认的方法是采用尽量短的接地线。通常所推荐采用尽量短的地线,通常地线电感=1nH/mm。

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接收器的知性阻抗

02 接收器的类型

开关电源接收器大的各方面能分为:无源接收器和有源接收器两大类。无源有源顾名思义就是需不须要给接收器供电。

无源接收器细分如下表所示:

低阻阻抗比热容接收器;

带补偿的高阻无源接收器(最常用的无源接收器);

高压接收器

有源接收器细分如下表所示:

单端有源接收器;

差分接收器;

电流接收器

最常用的高阻无源接收器和有源接收器简单对比如下表所示:

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有源接收器和无源接收器对比

低阻阻抗比热容接收器具备较低的电容阻抗(<1pf),较高的带宽(>1.5GHz),较低的价格,但是阻抗阻抗非常大,通常只有500ohm或1Kohm,所以只适合试验低源阻抗的阻抗,或只关注时间参数试验的阻抗。

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低输入阻抗接收器结构

带补偿的高阻无源接收器是最常用的无源接收器,通常开关电源标配的接收器都是此类接收器。带补偿的高阻无源接收器具备较高的输入阻抗(通常1Mohm以上),可调的补偿电容,以匹配开关电源的输入,具备较高的动态覆盖范围,能试验较大振幅的讯号(几十幅以上),价格也较低。但是不知之处是输入电容过大(通常10pf以上),带宽较低(通常500MHz以内)。

常用的无源接收器结构

带补偿的高阻无源接收器有两个补偿电容,当接上开关电源时,通常须要调整电容值(须要采用接收器自带的小螺丝刀来调整,调整时把接收器连接到开关电源补偿输出试验位置),以与开关电源输入电容匹配,以消除低频或高频增益。下图的左边是存有高频或低频增益,调整后的补偿讯号显示波形如下表所示图的右边所示。

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无源接收器的补偿

高压接收器是带补偿的无源接收器的基础上,增大输入阻抗,使衰减加大(如:100:1或1000:1等)。即使须要采用耐高压的元器件,所以高压接收器通常物理尺寸较大。

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高压接收器的结构

03 有源接收器

我们先来观察一下用600MHz无源接收器和1.5GHz有源接收器试验1ns上升时间阶跃讯号的负面影响。采用脉冲发生器产生两个1ns的阶跃讯号,通过试验夹具后,采用SMA电缆直接连接到两个1.5GHz带宽的开关电源上,这样开关电源上会显示两个波形(如下表所示图中的蓝色讯号),把这个波形存为参考波形。然后采用接收器点测试验夹具去观测被测信号,通过SMA直连的波形即使受接收器阻抗的负面影响而变成黄色的波形,接收器通道显示的是绿色的波形。然后分别试验上升时间,能看出无源接收器和有源接收器对高速讯号的负面影响。

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无源接收器和有源接收器对被测讯号和量测结论的负面影响

具体试验结论如下表所示:

采用1165A 600MHz无源接收器,采用鳄鱼嘴接地线:受接收器阻抗的负面影响,上升时间变为:1.9ns;接收器通道显示的波形存有振铃,上升时间为:1.85ns;

使用1156A 1.5GHz有源接收器,采用5cm接地线:受接收器阻抗的负面影响较小,上升时间仍为:1ns;接收器通道显示的波形与原始讯号一致,上升时间仍为:1ns。

单端有源接收器结构图如下表所示,采用放大器实现阻抗变换的目的。单端有源接收器的输入阻抗较高(通常达100Kohm以上),而输入电容较小(通常大于1pf),通过接收器放大器后连接到开关电源,开关电源必须采用50ohm输入阻抗。

有源接收器带宽宽(现在可达30GHz),而阻抗小,但是价格相对较高(通常每根接收器达到同样带宽开关电源价格的10%左右),动态覆盖范围较小(这个须要注意,即使超过接收器动态覆盖范围的讯号,不能正确试验。通常动态覆盖范围5V左右),比较脆弱,采用需小心。

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有源接收器结构

差分接收器结构图如下表所示,采用差分放大器实现阻抗变换的目的。差分接收器的输入阻抗较高(通常达50Kohm以上),而输入电容较小(通常大于1pf),通过差分接收器放大器后连接到示波器,开关电源必须采用50ohm 输入阻抗。

差分接收器带宽非常宽(现在可达30GHz),阻抗非常小,具有较高共模抑制比,但是价格相对较高(通常每根接收器达到同样带宽开关电源价格的10%左右),动态覆盖范围也较小(这个须要注意,即使超过接收器动态覆盖范围的讯号,不能正确试验。通常动态覆盖范围3V左右),比较脆弱,采用需小心。

差分接收器适合试验高速差分讯号(试验时不用接地),适合放大器试验,电源试验,适合虚地试验等应用领域。

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差分接收器结构

电流接收器也是有源接收器,利用霍尔传感器和感应线圈实现三相和交流电流的量测。电流接收器把电流讯号转换成电压讯号,开关电源采集电压讯号,再显示成电流讯号。电流接收器能试验几十毫安到几百安培的电流,采用时须要引出电流线(电流接收器是把导线夹在中间进行试验的,不会负面影响被测阻抗)。

电流接收器在试验三相和低频交流时的组织工作基本原理:

当电流钳闭合,把一通有电流的导体围在中心时,相应地会出现两个磁场。这些磁场使霍尔传感器内的电子发生偏转,在霍尔传感器的输出产生两个电动势。电流接收器根据这个电动势产生两个反向(补偿)电流送至电流接收器的线圈,使电流钳中的磁场为零,以防止饱和。电流接收器根据反向电流测得实际的电流值。用这个方法,能够非常线性地量测大电流,主要就包括交三相混合的电流。

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电流接收器试验三相和低频时的组织工作基本原理

电流接收器在试验高频时的组织工作基本原理:

随着被测电流频率的增加,霍尔负面效应逐渐减弱,当量测两个不含三相成分的高频交流电流时,大部份是通过磁场的强弱直接感应到电流接收器的线圈。此时,接收器就像两个电流变压器,电流接收器直接量测的是感应电流,而不是补偿电流,功放的输出为线圈提供两个低阻抗的接地回路。

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电流接收器试验高频时的组织工作基本原理

电流接收器在交叉区域时的组织工作基本原理:

当电流接收器组织工作在20KHz的高低频交叉区域时,部份量测是通过霍尔传感器实现的,另一小部份是通过线圈实现的。

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电流接收器交叉区域的组织工作基本原理

04 有源接收器附件

现代的高带宽有源接收器都采用分离式的设计方法,即:接收器放大器与接收器附件部份分开。这样设计的好处是:

支持更多的接收器附件,使观测更加的灵活;

保护投资,最贵的是接收器放大器(两个接收器放大器能支持多种观测方式,以前须要几个接收器来实现);同时接收器附件保护接收器放大器(接收器附件即使损坏,价格也相对便宜);

这种设计方式容易实现高带宽。

接收器附件

这些接收器附件,主要就主要就包括以下几种:

点测接收器附件(主要就包括:单端点测和差分点测);

焊接接收器附件(主要就包括:单端焊接和差分焊接,分离式的ZIF焊接);

插孔接收器附件;

差分SMA接收器附件(开关电源通常直接支持SMA连接,但是如果被测讯号须要上拉如HDMI,则必须采用SMA接收器附件)。

接收器附件的阻抗结构如下表所示图所示:

在接收器附件尖端部份会有一对阻尼阻抗(通常82ohm),这对阻尼阻抗的促进作用是消除接收器附件尖端部份的电感的谐振负面影响;

接收器尖端部份的后面是25Kohm的阻抗,这个阻抗决定了接收器的输入阻抗(三相输入阻抗即阻抗:单端25Kohm,差分50Kohm),这个阻抗使被测讯号传输到接收器放大器部份的功率是非常小的,不至于对被测讯号有较大负面影响。

25Kohm的阻抗后面是同轴传输线部份,这个传输线负责把小讯号传输到放大器。这个传输线的长度能很长,也能很短,中间能加衰减器,也能加耦合电容。

同轴传输线连接到放大器,放大器是50ohm匹配的(差分100ohm匹配)。

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有源接收器附件的结构

有源接收器为了保持接收器的精确度,须要组织工作在恒温状态,所以接收器放大器不能放置到高低温箱里进行高低温环境下被测阻抗板的试验。从接收器附件结构中可见中间的50ohm传输线的长短不负面影响观测,所以能用很长的同轴电缆或扩充同轴电缆,让这个同轴电缆伸进高低温箱里进行高低温换进下被测阻抗板的试验。

05 接收器及附件准确度验证

下图是两个例子:被测讯号是两个频率456MHz,边沿时间约65ps的时钟讯号,分别采用不同类型的接收器和接收器附件的试验结论。

A图是采用12GHz的1169A差分接收器和N5381A 12GHz焊接接收器附件的测试结论,几乎完全复现被测讯号;

B图是采用500MHz的无源接收器的试验结论,显示的讯号完全失真;

C图是采用12GHz的1169A差分接收器和较长的试验引线的试验结论,显示的讯号出现很大的过冲;

D图是采用4GHz的1158A单端接收器和较长的试验引线的试验结论,显示的讯号几乎是正弦波,失真较大。

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不同接收器附件试验结论对比

从图中可见接收器和接收器附件对试验精确度的负面影响是非常大的,是我们测试高速讯号应该重点注意的文本之一。那我们应该如何验证接收器和接收器附件呢?

验证接收器和接收器附件须要采用一台脉冲码型发生器(如:81134A,3.35GHz速率,60ps边沿的脉冲码型发生器),如果开关电源自带高速讯号输出功能,也能采用开关电源的这个辅助输出口代替脉冲码型发生器(如:Infiniium开关电源的AUX OUT端口能发两个高速时钟:456MHz频率,约65ps边沿)。

另外,须要同轴电缆和试验夹具(Infiniium开关电源配置的接收器校准夹具能作为接收器和接收器附件验证试验夹具)。试验夹具的外表是地(Ground),里面走线是讯号(Signal),如下表所示图所示。采用时,通过同轴电缆把一端接到脉冲码型发生器或开关电源的辅助输出AUX OUT端口,另外一端通过适配器连接到开关电源的通道1上。

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接收器验证夹具

然后把被验证的接收器连接到通道2上,接收器通过接收器附件能接触到试验夹具的讯号和地(如果是差分接收器,那么把+端连接到试验夹具的讯号线,把-端连接到试验夹具的地上)。

如果接收器不接触讯号线,则屏幕上会出现两个原始波形,存为参考波形;

当用接收器观测讯号线时,通道1的波形会发生变化,这个变化后的波形就是被接收器和接收器附件负面影响后的被测讯号;

这时,连接接收器的通道2会出现两个波形,这个波形是接收器试验到的波形;

通过对比参考波形,通道1的波形,和连接接收器的通道2的波形,就能直观地看出或通过试验参数读出三者的差别,能验证接收器和接收器附件的负面影响。

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接收器验证连接和基本原理

下图是实际验证的两个例子,图A把开关电源的AUX OUT通过同轴电缆连接到试验夹具,试验夹具的另一端通过SMA-PBNC适配器连接到开关电源的两个通道上(此例连接到通道3),把接收器连接到通道1上,此时调整屏幕上的波形,使出现两个边沿阶跃波形,如图C所示,并把此波形存为参考波形。如图B把被验证接收器和附件点测到试验夹具上,如图D所示,屏幕上出现3个波形,蓝色的是参考波形,绿色的是受接收器负面影响后的被测波形,黄色的是接收器显示的波形,通过试验上升时间参数,过冲参数等,可确认接收器和接收器附件的性能。

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接收器验证实例

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