[发明专利]一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头

权利要求书

1.一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头，其特征在于：该探头包括依次连接的信号衰减模块、信号变换模块、信号补偿与传输模块和模数变换ADC模块；

高压信号经过信号衰减模块变换为±5V以内的低压信号，再由信号变换模块组成的信号变换网络，将低压信号变换为单端信号，然后经过信号补偿与传输模块，将单端信号经由同轴传输线连接到示波器内，示波器将对单端信号输入ADC模块进行模数变换，将测试波形显示到示波器屏幕。

2.根据权利要求1所述的一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头，其特征在于：所述探头的带宽f_meas为：

其中，f_VD、f_Amp、f_Cab和f_OSC分别为信号衰减模块、信号变换模块、信号补偿与传输模块和ADC模块的带宽；信号衰减模块将高压、高频输入信号等比缩小后输出；信号变换模块采用运算放大器，对输入差分信号进行变换；信号传输模块用于探头输出阻抗、同轴电缆特性阻抗、示波器输入阻抗的匹配，实现信号的传输；ADC模块实现对输入模拟信号的数字变换。

3.根据权利要求1所述的一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头，其特征在于：所述信号衰减模块阻容分压电路；其中，电阻分压电路实现低频信号的变换，电容分压电路为高频信号提供低阻抗路径，提高探头的高频信噪比SNR；

选择陶瓷电容作为分压电容；单个分压电容的耐压不低于200V，容量不高于1000pF。

4.根据权利要求3所述的一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头，其特征在于：所述陶瓷电容为多层陶瓷电容MLCC，阻抗|Z_C|表示为：

f为信号的频率；

MLCC的本征谐振频率为200MHz，谐振频率以下呈显电容特性，谐振点处阻抗为R_ESL，谐振频率以上呈显电感特性；

当MLCC焊接到印刷电路板PCB时，焊盘会与PCB产生交互耦合，与MLCC呈并联关系，其中，Z_PCB为PCB平面耦合阻抗；

对于低频信号时，Z_PCB呈显电容特性，随着信号频率的提升，信号的波长将逼近分压电路的几何尺寸，电路将由集总参数退化为分布参数，Z_PCB出现传输线效应，使MLCC分压环节性能恶化。

5.根据权利要求4所述的一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头，其特征在于：所述印刷电路板PCB上各元器件之间利用微带线相连，微带线的特性利用金属平行板来近似表征，据法拉第定律和安培定律，微带线的电压和电流满足偏微分方程

其中，v(z,t)和i(z,t)分别为电压波和电流波，R_s、L、G、C分别为平行板单位长度的表面电阻、表面电感、电导与电容，单位分别为Ω/m、H/m、S/m、F/m；

符合标准的“电报方程”形式，平行板的各项属性利用“传输线理论”进行分析；

忽略R_s与G对传输线模型的影响，化简为：

公式(4)为无损传输线的等效电路模型，坐标系表示电压波v(z,t)从z＝–d处进入传输线，行进至o处；d为传输线的长度；为传输线的特性阻抗；

当无损传输线的终端带有负载实阻抗Z_L时，在z＝–d处，输入阻抗Z_in表示为

其中，fd/v_p＝d/λ为信号在平行板传输线内的电长度，为相速，单位m/s，λ＝v_p/f为信号的波长；

当电长度d/λ为0.25时对应的频率称为此传输线的四分之一λ效应点。

6.根据权利要求5所述的一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头，其特征在于：利用所述平行板传输线构成的分压器，传递函数G_VD为

其中，v_in和v_o分别为分压器的输入和输出电压信号，d₁和d₂分别为两组平行板传输线的长度，Z₀₁和Z₀₂分别为对应的特性阻抗，Z_in1和Z_in2分别为对应的输入阻抗，表示为

定义N＝Z_in1/Z_in2为传输线1与2的输入阻抗比；

要使分压器在宽频段内正常工作，即G_VD在宽频范围内均为常数，要求Z_in1/Z_in2在宽频段内均为定值N；

对于低频段，有

依靠高精度的分压电阻，实现对低频信号的分压；

对于中高频段，由于R_LZ₀，有

利用洛朗级数在原点处线性化函数cot(·)，有

其中，B_2n为伯努利数，转换为

为保证在中高频段，Z_in1/Z_in2＝N恒成立，每一项均应匹配，即

将和代入得

为保证等式恒成立，平行板分压器满足

其中，d₁C₁、d₁L₁为传输线1的集总电容与集总电感；d₂C₂、d₂L₂为传输线2的集总电容与集总电感，有：

为获得高带宽的分压器，要求Z_in1/Z_in2＝N在全频段恒成立；在设计该高带宽的分压器时，其结构尺寸和电气参数满足

R_L1＝NR_L2,Nd₁C₁＝d₂C₂,d₁L₁＝Nd₂L₂,Z₀₁＝NZ₀₂ (16)

引入低通滤波环节，考虑到滤波平滑性、插入损耗与元件数量，选用贝塞尔或巴特沃斯滤波器；为使差分探头获得尽可能宽的带宽，滤波器剪切频率f_c选在G_VD畸变6dB处，即

经过滤波器补偿后，差分电压探头的带宽近似在传输线1的四分之一λ效应点处。