[發(fā)明專利]一種多級微帶傳輸線的高帶寬差分電壓探頭

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111254906.2
• 申請日: 2021-10-27
• 公開（公告）號: CN113960357A
• 公開（公告）日: 2022-01-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曾正;王宇雷;孫鵬;王亮
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號: G01R19/25
• 分類號: G01R19/25
• 代理公司: 北京同恒源知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

本發(fā)明涉及一種多級微帶傳輸線的高帶寬差分電壓探頭，屬于電子器件領(lǐng)域。本發(fā)明建立了寬頻范圍適用的分壓電路模型，分析了分壓器尺寸對探頭帶寬的影響規(guī)律，并給出了一種最大化探頭帶寬的回路補(bǔ)償方法。實驗結(jié)果表明：多層陶瓷電容的等效串聯(lián)電感，以及PCB平面耦合的傳輸線效應(yīng)，是制約差分電壓探頭帶寬的瓶頸問題，采用基于平行板傳輸線的高帶寬分壓結(jié)構(gòu)、優(yōu)化承壓臂長度、高頻回路補(bǔ)償?shù)刃陆Y(jié)構(gòu)和新方法，可以突破差分探頭的帶寬極限到500MHz，為一種多級微帶傳輸線的高帶寬差分電壓探頭和寬禁帶器件的設(shè)計研發(fā)、測試表征、標(biāo)準(zhǔn)制定，提供有益的參考。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電子器件領(lǐng)域，涉及一種多級微帶傳輸線的高帶寬差分電壓探頭。

背景技術(shù)

與Si IGBT相比，以碳化硅(Silicon carbide，SiC)MOSFET為代表的寬禁帶器件，擁有更高的開關(guān)速度、更低的開關(guān)損耗，能有效提升電氣裝備的功率密度。相比于Si IGBT幾微秒的開關(guān)時間，SiC MOSFET的開關(guān)時間通常為幾十納秒，GaN HEMT的開關(guān)時間甚至僅為幾納秒，對測量探頭的性能提出了更高的要求。為了保證不小于98％的測量精度，通常要求探頭的帶寬是被測信號最大帶寬的5倍以上，電壓與電流探頭帶寬不應(yīng)低于400MHz。然而，目前商業(yè)電壓探頭還不能完全滿足測試要求。同時，隨著寬禁帶器件開關(guān)速度的不斷提升，由探頭性能不足引起的開關(guān)損耗測量誤差可能超過100％，導(dǎo)致器件選型、熱設(shè)計和壽命評估等環(huán)節(jié)產(chǎn)生嚴(yán)重偏差。因此，提升電壓探頭的性能，提高開關(guān)測量的精度，具有十分迫切的工業(yè)需求，以及非常重要的研究意義。

針對電壓探頭的性能提升，已有部分文獻(xiàn)從拓?fù)鋬?yōu)化、耦合機(jī)制和交互機(jī)理3個方面展開了一些研究。在拓?fù)鋬?yōu)化方面，針對單端分壓器，在分立電阻兩端并聯(lián)分立電容，可以為高頻信號提供低阻抗路徑，能夠有效提升探頭信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)和帶寬。對于阻容分壓器，計及回路寄生參數(shù)，通過優(yōu)化PCB布局和外圍電氣結(jié)構(gòu)，減小寄生參數(shù)影響，提升電壓探頭性能。采用同軸電阻的原理，制成的同軸阻容分壓器，具有高帶寬的潛力，但測試研發(fā)成本較分立元件更高。為了滿足高壓、高頻等復(fù)雜電氣場合的測量需求，基于浮地測量(差分型探頭)和隔離測量(隔離型探頭)原理的新拓?fù)湟膊粩嘤楷F(xiàn)。在耦合機(jī)制方面，采用電光效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)和電致發(fā)光效應(yīng)等傳感原理，對高壓模擬信號進(jìn)行光學(xué)調(diào)制，實現(xiàn)前后級的模擬隔離測量。此外，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-digitalconverter，ADC)將被測電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，利用數(shù)字隔離芯片、數(shù)字光調(diào)制或無線技術(shù)，將數(shù)字信號傳輸至弱電側(cè)，實現(xiàn)數(shù)字隔離測量。在交互機(jī)理方面，主要集中在探頭對寬禁帶器件暫態(tài)穩(wěn)定的影響機(jī)制研究。通過對探頭進(jìn)行集總參數(shù)阻抗建模，考慮被測器件(Device under test,DUT)和電路阻抗，研究探頭與DUT之間的相互作用機(jī)理和穩(wěn)定性影響規(guī)律，可以給出最大化探頭性能的測試方法和測試建議。綜上，現(xiàn)有針對電壓探頭的性能優(yōu)化研究，主要集中在集總參數(shù)表征、寄生參數(shù)優(yōu)化和交互機(jī)理探索等方面。然而，對于電壓探頭帶寬制約機(jī)理，考慮分布參數(shù)的寬帶設(shè)計模型還鮮有報道，400MHz以上帶寬的差分電壓探頭設(shè)計方法更是一片空白，亟待技術(shù)創(chuàng)新。

針對差分電壓探頭帶寬約束機(jī)理不明、高頻設(shè)計模型缺乏、測試表征方法匱乏等技術(shù)難題，本發(fā)明詳細(xì)研究了一種多級微帶傳輸線的高帶寬差分電壓探頭的理論模型和設(shè)計方法。本發(fā)明以包含差分電壓探頭的典型測量回路為參考，分析影響測量系統(tǒng)帶寬的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。基于傳輸線理論，揭示制約差分電壓探頭帶寬進(jìn)一步提升的根本原因，建立了寬頻范圍內(nèi)適用的統(tǒng)一設(shè)計模型，提出了基于平行板傳輸線的高帶寬分壓器和差分電壓探頭，總結(jié)了高帶寬差分探頭的設(shè)計方法。采用基于邊界元參數(shù)提取方法，驗證模型可行性和有效性。最后，與當(dāng)前常用的幾款高性能商業(yè)電壓探頭對比，從頻域和時域兩個角度，驗證模型和方法的正確性和適用性。本發(fā)明為一種多級微帶傳輸線的高帶寬差分電壓探頭的設(shè)計與研究，提供了新的思路和方法。為高性能電壓探頭的設(shè)計研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定，以及寬禁帶器件的測試與應(yīng)用，提供有益參考。

一種多級微帶傳輸線的高帶寬差分電壓探頭的應(yīng)用需求與研究現(xiàn)狀

(1)性能需求