数字存储示波器在静电放电试验中的选用

作者/ 何进松1 蔡光跃1 邹铮2 1.上海电子信息职业技术学院通信与信息工程系(上海201411) 2.固纬电子(苏州)有限公司 (江苏 苏州 215011)

摘要：本文介绍了数字存储示波器及其带宽和采样率方面的知识，分析了数字存储示波器对静电放电试验中上升时间测量的影响，提出了具体的解决方法，对其它领域快速单次信号的测量有一定的指导意义。

引言

　　在数字存储示波器(DSO，Digital Storage Oscilloscope)还未大规模上市之前，静电放电电流及冲击电压的测量都采用功能比较复杂的模拟示波器来显示波形，再通过拍照来保存和分析波形。因而测量过程复杂、测量周期长、波形获得困难、测量结果的准确度较低。现代数字存储示波器，尤其是第三代示波器的推出使这些测量变得简单、快捷且准确，强大而丰富的触发功能使波形的攫取不再成为测量的难题，高速的采样率使测量的上升时间由纳秒级进入到亚皮秒级，甚至更快，强大的波形捕获率能提供更为详细的波形细节，丰富的测量功能可以同时得到被测信号的多种参数，大容量的记录长度、硬件拷贝功能以及远程电脑控制功能使测量结果的存储、分析等工作变得非常简单和直观。

　　第二代示波器即普通的DSO，内部的信号处理流程总体上讲是串行处理方式。输入信号要通过采样、量化、多路分解、存储和微处理器，最后通过显示存储器的处理送到显示器上显示波形。第三代示波器有别于第二代DSO，内部结构采用并行处理方式，所以有更快的波形处理能力和快速的波形捕获率，兼有模拟示波器和普通DSO的优点。由于数字存储示波器采用与模拟示波器完全不同的结构，最主要的是涉及采样定理、采样率等数字信号处理方面的概念。在静电放电试验的标准中，IEC1000-4-2标准确定的静电放电的上升时间tr为0.7ns至1ns，这相当于一个频率达350MHz至500MHz的高频信号。要准确测量如此高速上升的波形，要必须认真考虑示波器及其附件的选用。本文结合国际通行的静电放电(ESD，Electro-Static Discharge)模型，简要讨论了ESD试验中如何正确选用示波器及其附件。

1 示波器的带宽与采样率

　　按照示波器的发展历程，可将示波器大致划分为以下几类：第一代示波器，即模拟示波器，在数字存储示波器上市之前，是市场通用的观察波形的首选仪器;第二代示波器，即数字存储示波器，发展迅速，目前获得超过80%的使用者的青睐，将逐渐取代模拟示波器;第三代示波器也是数字存储示波器，它结合了前两代的优点，克服了两者的缺点，突出的优势在于可以通过幅度、时间和波形强度三维地观测信号;第三代示波器的核心并行处理技术目前只属于少数几家厂商，台湾固纬(GWINSTEK)公司的VPO(Visual Persistence Oscillosco)和美国泰克(Tektronix)公司的数字荧光示波器(DPO，Digital Phosphor Oscilloscope)、安捷伦(Agilent)公司的Infiniium等都属第三代示波器的典型;第四代示波器即取样示波器，它的特点在于测量重复频率较高的信号而且是非实时采样。以台湾固纬的第三代示波器VPO为例，它的特点已经集成了模拟示波器的余辉功能和数字存储示波器的实时采样功能。

　　模拟示波器直接利用被测信号来控制电子束的偏转，从而在荧光屏上击打出与信号变化相对应的波形，因此，模拟示波器能最真实地再现信号波形。然而，模拟示波器的缺点也是很明显的：精度低，测量能力弱;带宽受硬件限制不可能很高;触发功能薄弱，无预触发观测能力;显示闪烁并容易模糊。在慢扫描时具有严重的闪烁现象，薄弱的触发功能使其很难捕捉到单个脉冲信号，即使偶尔获得一个波形也只是从触发点之后的不完整波形，无法观测触发点之前的波形，因此，在慢波、冲击电压和静电放电电流测量中已基本被数字存储示波器所取代，尤其在ESD测试中，已经全面采用第三代示波器。

　　模拟示波器的带宽基本上取决于从信号输入端至偏转电极(或偏转线圈)之间硬件电路的频率特性，而数字存储示波器在带宽方面要复杂得多。同模拟示波器一样，无论哪一代数字存储示波器所能测量的信号最高频率都取决于包括测量探头在内的信号通道的模拟特性。数字存储示波器的带宽不是所能测试信号的最高频率，其定义为：输入的正弦信号衰减至真实幅值的70.7%(-3dB)的频率点。如图1。如果错误的理解为最高频率即为带宽，很容易导致示波器选用上的错误。

　　采样是将输入信号转化为离散值的过程，以便于存储，处理及显示。采样点的幅值等同于采样时刻输入信号的幅值。采样相当于对波形拍快照，每次只拍波形上某一时刻的特定点，然后将这些照片按照一定的顺序排列就能复原波形。采样按照原理的不同分为实时采样和等效采样。实时采样就是在一次触发后，对输入信号进行足够多的采样来确定单次信号的波形(见图2a)，它既适用于周期信号，也适用于非周期信号。等效采样技术则只适用于周期信号的测量，它是依靠不同的触发点对周期信号进行多次触发，将每次触发后的采样点进行处理后重建原始波形。由于等效采样“汇聚”了多次实时采样的点，虽然每次采样的实时采样率比较低，但等效采样率可以达到很高(一般25GSa/s~100GSa/s)。等效采样分为循序采样和随机采样两种，其基本原理参见图2b和图2c。

　　数字存储示波器不可能获得和模拟示波器一样真实的波形，是靠采样后得到的采样点来重建波形。根据奈奎斯特(Nyquist)采样定理：在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率大于或等于信号中最高频率的2倍时，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。这就是说，要想重现信号波形，数字存储示波器的最高采样率至少两倍于输入信号的最高频率。从理论上讲，对正弦波每个周期采样两次来描述信号特征是可行的，但实际上由于并不能保证每个采样点都落在波峰波谷上，而且数字存储示波器波形再现的结果与所采用的显示恢复技术密切相关。目前采用的显示恢复技术为线性内插(即用直线直接将各采样点连接起来进行显示)和正弦内插技术(以内插函数进行运算后用曲线将各采样点连接起来显示)。所以，在实际的测量中，重建波形需要的点一般要大于2，线性内插需要至少10个点，正弦内插只需要4个点。Agilent、Tektronix、GWINSTEK等示波器生产商的新型数字存储示波器中基本上都采用了正弦内插显示。

2 上升时间与示波器带宽的关系

　　上升时间是静电放电电流最重要的参数，主要由放电回路的分布参数决定，包括充电电容、放电电阻及连接导线的分布电感、导线及放电对象与参考地之间的分布电容等。接入示波器测量回路后，除测量回路分布参数对测量有较大影响外，示波器的带宽对上升时间的测量准确度以及整个波形形状的影响也是不可忽视的。比如在进行静电放电试验时，在其它条件不变的情况下，选用不同的示波器所测得的静电放电电流上升时间和波形形状大不相同，采用固纬GDS-3154型VPO数字存储示波器(150MHz带宽)测量tr时最好只能达到15ns，改用GDS-3354(350MHz带宽)测量时，基本稳定在6ns左右，前者得到的放电波形在第一个波峰之后至放电60ns的这段时间内有多个幅度较大的次波峰，而IEC1000-4-2标准中只允许有一个次波峰，后者的表现改善很多，波形基本符合要求。如果选用带宽更高的示波器，效果会更好。由此可见，正确选用示波器是获得准确波形的关键第一步。然而，表征数字存储示波器性能的最典型参数是带宽及采样率，而不是上升时间。因此，必须建立上升时间与它们的关系才能方便地选用数字示波器。上升时间的定义见图3。

　　假如已知被测信号的最快上升时间大致为tr，首先将它看作是一个频率为f的正弦波的上升沿，则tr与f的关系满足下式^[2]：

(1)

　　由式(1)可知，从t_r求f得用带宽大于或等于2f的数字存储示波器便可以获得比较准确的波形。目前，示波器生产厂商给出了更简单的数字存储示波器带宽选取原则：

BW=K/t_r (2)

　　式(2)中BW为示波器的带宽，K为0.35~0.45之间的常数，取决于示波器的频率响应特性和脉冲上升响应特性。对于带宽小于1GHz的示波器，K的典型值为0.35，对于带宽大于1GHz的示波器，K的取值通常在0.4~0.45之间。不难看出，按式(2)选用数字存储示波器比按式(1)来选用的要求更高一些。

3 静电放电的测试

　　静电放电(ESD)是指静电累积到一定的电势能后对电子元器件造成的一种快速放电现象。由于快速放电的瞬时性，以及通过的元器件的等效电阻较小，会产生很大的电流，造成元器件永久损害甚至人身安全的危害。为了研究和模拟元器件和人体如何受到损害，国际上有几种通行的模型来表述。如人体模型(HBM，Human-Body Model)、机器模型(MM，Machine Model)、带电器件模型(CDM，Charged-Device Model)以及电场感应模型(FIM，Field-Induced Model)等。这些模型都已有工业测试标准，如HBM的EIA/JESD22-A114-A测试规范^[3]和MM的EIA/JESD22-A115-A测试规范[4]。根据这些模型，现在市面上有许多静电放电发生器来测试产品的ESD等级。由于本文主要介绍数字存储示波器在静电放电试验中的选用，因此对每个具体的模型不做赘述，仅以HBM和MM模型阐述如何选用数字存储示波器。

　　HBM是ESD模型中建立最早和最主要的模型之一。人体静电是引起静电损失和发生意外爆炸的最主要和最经常的因素，因此国内外对产品的防静电危害要求都是以防人体静电为主，并建立了人体模型。美国海军1980年提出了一个电容值为100pF，电阻为1.5kΩ的所谓“标准人体模型”。这一标准得到广泛采用。其等效电路和ESD等级如图4。该模型表征人体带电接触器件放电，R_b为人体等效电阻，C_b为人体等效电容。

　　MM是指机器(例如机械手臂)本身累积了静电，当此机器去碰触到IC时，该静电便经由IC的引脚(pin)放电。因为机器是金属，其等效电阻为0Ω，其等效电容为200pF。由于机器放电模式的等效电阻为0，故其放电的过程更短，在几纳秒(ns)到几十纳秒之内会有数安培的瞬间放电电流产生。其等效电路和ESD等级如图5。

　　在MM中，回路的时间常数很短，小于5ns，则在测试的过程中，电流信号的上升时间更短，一般在1ns左右。根据式(2)，得出测试所用的数字存储示波器的最低带宽是350MHz。根据这个带宽，配上相应的电流探棒，对HBM在不同的静电电压下的放电电流进行了测试，和对比测试了HBM与MM两种模型。得到结果如图6和图7。

　　数字存储示波器选用台湾固纬的GDS-3354(350MHz带宽，5GSa/s实时采样率)型VPO，电流探棒选用泰克的CT1(ESD测试的专用探棒，1GHz带宽，0.2mA精度，上升时间0.35ns)，静电放电模拟器选用SANKI的ESD-2000。

　　由于所测试的ESD信号是非周期的单次信号，对数字存储示波器的正确设置从而有效抓取静电放电波形非常重要。GDS-3354设置如下：

　　(1) 垂直系统选电流档，设置正确的倍率(CT1为5mV/mA);

　　(2) 水平系统设置为20nS/div~50nS/div;

　　(3) 触发模式设为单次触发，触发类型设为上升沿;

　　(4) 如果4通道同时测，则每通道都按照以上3步设置;

　　(5) 为了能细致研究波形，则将所测试波形存储在内置记忆体内。

4 结论

　　通过以上研究和实验，可以认识到：在测量诸如静电放电试验这样的单次瞬态信号波形时，首先应该将上升时间转换为带宽，然后根据带宽选用数字存储示波器，并且必须注意数字存储示波器的带宽和和信号的最高频率不是一个等同的概念，以免选择不当。基于实验和研究的结果，不难解释前述两种数字存储示波器在测量结果差异较大的原因。同时要注意，数字存储示波器的水平时基不能太小，如果需要仔细观察静电放电波形，最小在1ns/div为最合适，不然不能充分表达ESD的电流波形细节。

参考文献：

　　[1]IEC 1000-4-2: 2001, “ Part 4: Testing and measurement techniques. Section 2: Electrostatic Discharge Immunity Test”.

　　[2]毛瑞海,王雪梅,刘伟,等.静电放电试验中示波器的选择与使用[J].电测与仪表，2000(2):31-33。

　　[3]EIA/JESD22-A114-A, “Electrostatic Discharge (ESD) Sensitivity Testing Human Body Model (HBM)”.

　　[4]EIA/JESD22-A115-A, “Electrostatic Discharge (ESD) Sensitivity Testing Machine Model (MM)”.

本文来源于中国科技核心期刊《电子产品世界》2016年第11期第55页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。