電容負荷對上升時間的影響

隨著信號頻率或轉(zhuǎn)換速率提高，阻抗的電容成分變成主要因素。結(jié)果，電容負荷成為主要問題。特別是電容負荷會影響快速轉(zhuǎn)換波形上的上升時間和下降時間及波形中高頻成分的幅度，那么示波器探頭對測量電容負荷有哪些影響呢？

對上升時間的影響

為說明電容負荷，讓我們考慮一下上升時間非常快的脈沖發(fā)生器，如圖4.3所示，其中理想發(fā)生器輸出上的脈沖的上升時間為零(t r=0)。但是，信號源阻抗負荷相關(guān)的電阻和電容改變了這個零上升時間。

RC積分網(wǎng)絡(luò)一直產(chǎn)生2.2RC的10-90%上升時間。這從電容器的通用時間常數(shù)曲線中推導(dǎo)得出。取值2.2是C通過R充電，把脈沖幅度從10%提高到90%所需的RC時間。

在圖4.3的情況下，50歐姆和20 pF的信號源阻抗導(dǎo)致2.2 ns的脈沖上升時間。這個2.2RC值是脈沖可以擁有的最快上升時間。

4.3.脈沖發(fā)生器的上升時間取決于其RC負荷

在探測脈沖發(fā)生器的輸出時，示波器探頭的輸入電容和電阻加到脈沖發(fā)生器的值中，如圖4.4所示，其中增加了10兆歐和11 pF的典型示波器探頭。由于示波器探頭10兆歐電阻要遠遠大于發(fā)生器的50歐姆電阻，因此示波器探頭的電阻可以忽略不計。但是，探頭的電容與負荷電容大體持平，直接增加得到31 pF的負荷電容。這提高了2.2RC的值，導(dǎo)致測得的上升時間提高到3.4 ns，而探測前的上升時間為2.2 ns。

通過使用示波器探頭規(guī)定電容與已知或估算源電容之比，可以估計探頭尖端電容對上升時間的影響。使用圖4.4中的值，可以估算上升時間的百分比變化如下：

C探頭尖端/C1 x 100%=11 pF/20 pF x 100%=55%

4.4.探頭增加的電容提高了RC值，同時提高了測得的上升時間

從上面可以清楚地看出，探頭選擇、尤其是示波器探頭電容的選擇會影響上升時間測量。對無源探頭，一般來說，衰減比率越大，頭部電容越低。從表4.1中可以看出這一點，其中介紹了各種無源探頭的部分探頭電容實例。

表4.1.探頭尖端電容

在需要較小的頭部電容時，應(yīng)使用有源FET輸入探頭。根據(jù)具體的示波器有源探頭模型，可以提供小于等于1 pF的頭部電容。

對幅度和相位的影響

除影響上升時間外，電容負荷還影響著波形中高頻成分的幅度和相位。對此要記住，所有波形都是由正弦曲線成分構(gòu)成的。50 MHz方波擁有超過100 MHz的有效諧波成分。所以不僅要考慮波形基礎(chǔ)頻率上的負荷效應(yīng)，而且要考慮超過基礎(chǔ)頻率幾倍的頻率上的負荷效應(yīng)。

負荷取決于探頭尖端上的總阻抗。這稱為Z p，Z p由電阻成分R p和電抗成分X p組成。電抗成分主要是電容，但在探頭中可以設(shè)計電感單元，以部分偏移電容負荷。

一般來說，Z p會隨著頻率提高而下降。大多數(shù)探頭儀器手冊會編制探頭R p數(shù)據(jù)，文檔中包括顯示Z p與頻率的關(guān)系曲線。圖4.5是普通有源探頭的實例。注意，1兆歐阻抗幅度固定在接近100 kHz。這通過認真設(shè)計示波器探頭的相關(guān)電阻單元、電容單元和電感單元實現(xiàn)。

4.5.有源探頭典型的輸入阻抗隨頻率變化

圖4.6說明了探頭曲線的另一個實例。在這種情況下，顯示了典型10兆歐無源探頭的Rp和X p與頻率關(guān)系。虛線(Xp)說明了電容電抗隨頻率變化。注意，X p在DC上開始下降，但R p直到100 kHz時才開始明顯滾降。通過認真設(shè)計相關(guān)R、C和L單元，再次可以偏移總負荷。

4.6.典型10兆歐無源探頭的Xp和Rp與頻率關(guān)系

如果沒有得到示波器探頭的阻抗曲線，可以使用下述公式估算最壞情況下的負荷：

X p=1/2πfC

其中：

X p=電容電抗

f=頻率

C=探頭尖端電容

如，頭部電容為11 pF的標(biāo)準(zhǔn)無源10兆歐探頭的電容電抗(X p)在50 MHz時大約為290歐姆。根據(jù)信號源阻抗，這種負荷可能會給信號幅度帶來很大影響(通過簡單的分路器動作)，其甚至可能會影響被探測的電路操作。

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審核編輯：湯梓紅