數(shù)字存儲(chǔ)示波器在靜電放電試驗(yàn)中的選用

作者/ 何進(jìn)松1 蔡光躍1 鄒錚2 1.上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院通信與信息工程系(上海201411) 2.固緯電子(蘇州)有限公司 (江蘇 蘇州 215011)

摘要：本文介紹了數(shù)字存儲(chǔ)示波器及其帶寬和采樣率方面的知識(shí)，分析了數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)靜電放電試驗(yàn)中上升時(shí)間測(cè)量的影響，提出了具體的解決方法，對(duì)其它領(lǐng)域快速單次信號(hào)的測(cè)量有一定的指導(dǎo)意義。

引言

　　在數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO，Digital Storage Oscilloscope)還未大規(guī)模上市之前，靜電放電電流及沖擊電壓的測(cè)量都采用功能比較復(fù)雜的模擬示波器來(lái)顯示波形，再通過(guò)拍照來(lái)保存和分析波形。因而測(cè)量過(guò)程復(fù)雜、測(cè)量周期長(zhǎng)、波形獲得困難、測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度較低?，F(xiàn)代數(shù)字存儲(chǔ)示波器，尤其是第三代示波器的推出使這些測(cè)量變得簡(jiǎn)單、快捷且準(zhǔn)確，強(qiáng)大而豐富的觸發(fā)功能使波形的攫取不再成為測(cè)量的難題，高速的采樣率使測(cè)量的上升時(shí)間由納秒級(jí)進(jìn)入到亞皮秒級(jí)，甚至更快，強(qiáng)大的波形捕獲率能提供更為詳細(xì)的波形細(xì)節(jié)，豐富的測(cè)量功能可以同時(shí)得到被測(cè)信號(hào)的多種參數(shù)，大容量的記錄長(zhǎng)度、硬件拷貝功能以及遠(yuǎn)程電腦控制功能使測(cè)量結(jié)果的存儲(chǔ)、分析等工作變得非常簡(jiǎn)單和直觀。

　　第二代示波器即普通的DSO，內(nèi)部的信號(hào)處理流程總體上講是串行處理方式。輸入信號(hào)要通過(guò)采樣、量化、多路分解、存儲(chǔ)和微處理器，最后通過(guò)顯示存儲(chǔ)器的處理送到顯示器上顯示波形。第三代示波器有別于第二代DSO，內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用并行處理方式，所以有更快的波形處理能力和快速的波形捕獲率，兼有模擬示波器和普通DSO的優(yōu)點(diǎn)。由于數(shù)字存儲(chǔ)示波器采用與模擬示波器完全不同的結(jié)構(gòu)，最主要的是涉及采樣定理、采樣率等數(shù)字信號(hào)處理方面的概念。在靜電放電試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)中，IEC1000-4-2標(biāo)準(zhǔn)確定的靜電放電的上升時(shí)間tr為0.7ns至1ns，這相當(dāng)于一個(gè)頻率達(dá)350MHz至500MHz的高頻信號(hào)。要準(zhǔn)確測(cè)量如此高速上升的波形，要必須認(rèn)真考慮示波器及其附件的選用。本文結(jié)合國(guó)際通行的靜電放電(ESD，Electro-Static Discharge)模型，簡(jiǎn)要討論了ESD試驗(yàn)中如何正確選用示波器及其附件。

1 示波器的帶寬與采樣率

　　按照示波器的發(fā)展歷程，可將示波器大致劃分為以下幾類：第一代示波器，即模擬示波器，在數(shù)字存儲(chǔ)示波器上市之前，是市場(chǎng)通用的觀察波形的首選儀器;第二代示波器，即數(shù)字存儲(chǔ)示波器，發(fā)展迅速，目前獲得超過(guò)80%的使用者的青睞，將逐漸取代模擬示波器;第三代示波器也是數(shù)字存儲(chǔ)示波器，它結(jié)合了前兩代的優(yōu)點(diǎn)，克服了兩者的缺點(diǎn)，突出的優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)幅度、時(shí)間和波形強(qiáng)度三維地觀測(cè)信號(hào);第三代示波器的核心并行處理技術(shù)目前只屬于少數(shù)幾家廠商，臺(tái)灣固緯(GWINSTEK)公司的VPO(Visual Persistence Oscillosco)和美國(guó)泰克(Tektronix)公司的數(shù)字熒光示波器(DPO，Digital Phosphor Oscilloscope)、安捷倫(Agilent)公司的Infiniium等都屬第三代示波器的典型;第四代示波器即取樣示波器，它的特點(diǎn)在于測(cè)量重復(fù)頻率較高的信號(hào)而且是非實(shí)時(shí)采樣。以臺(tái)灣固緯的第三代示波器VPO為例，它的特點(diǎn)已經(jīng)集成了模擬示波器的余輝功能和數(shù)字存儲(chǔ)示波器的實(shí)時(shí)采樣功能。

　　模擬示波器直接利用被測(cè)信號(hào)來(lái)控制電子束的偏轉(zhuǎn)，從而在熒光屏上擊打出與信號(hào)變化相對(duì)應(yīng)的波形，因此，模擬示波器能最真實(shí)地再現(xiàn)信號(hào)波形。然而，模擬示波器的缺點(diǎn)也是很明顯的：精度低，測(cè)量能力弱;帶寬受硬件限制不可能很高;觸發(fā)功能薄弱，無(wú)預(yù)觸發(fā)觀測(cè)能力;顯示閃爍并容易模糊。在慢掃描時(shí)具有嚴(yán)重的閃爍現(xiàn)象，薄弱的觸發(fā)功能使其很難捕捉到單個(gè)脈沖信號(hào)，即使偶爾獲得一個(gè)波形也只是從觸發(fā)點(diǎn)之后的不完整波形，無(wú)法觀測(cè)觸發(fā)點(diǎn)之前的波形，因此，在慢波、沖擊電壓和靜電放電電流測(cè)量中已基本被數(shù)字存儲(chǔ)示波器所取代，尤其在ESD測(cè)試中，已經(jīng)全面采用第三代示波器。

　　模擬示波器的帶寬基本上取決于從信號(hào)輸入端至偏轉(zhuǎn)電極(或偏轉(zhuǎn)線圈)之間硬件電路的頻率特性，而數(shù)字存儲(chǔ)示波器在帶寬方面要復(fù)雜得多。同模擬示波器一樣，無(wú)論哪一代數(shù)字存儲(chǔ)示波器所能測(cè)量的信號(hào)最高頻率都取決于包括測(cè)量探頭在內(nèi)的信號(hào)通道的模擬特性。數(shù)字存儲(chǔ)示波器的帶寬不是所能測(cè)試信號(hào)的最高頻率，其定義為：輸入的正弦信號(hào)衰減至真實(shí)幅值的70.7%(-3dB)的頻率點(diǎn)。如圖1。如果錯(cuò)誤的理解為最高頻率即為帶寬，很容易導(dǎo)致示波器選用上的錯(cuò)誤。

　　采樣是將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散值的過(guò)程，以便于存儲(chǔ)，處理及顯示。采樣點(diǎn)的幅值等同于采樣時(shí)刻輸入信號(hào)的幅值。采樣相當(dāng)于對(duì)波形拍快照，每次只拍波形上某一時(shí)刻的特定點(diǎn)，然后將這些照片按照一定的順序排列就能復(fù)原波形。采樣按照原理的不同分為實(shí)時(shí)采樣和等效采樣。實(shí)時(shí)采樣就是在一次觸發(fā)后，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行足夠多的采樣來(lái)確定單次信號(hào)的波形(見圖2a)，它既適用于周期信號(hào)，也適用于非周期信號(hào)。等效采樣技術(shù)則只適用于周期信號(hào)的測(cè)量，它是依靠不同的觸發(fā)點(diǎn)對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行多次觸發(fā)，將每次觸發(fā)后的采樣點(diǎn)進(jìn)行處理后重建原始波形。由于等效采樣“匯聚”了多次實(shí)時(shí)采樣的點(diǎn)，雖然每次采樣的實(shí)時(shí)采樣率比較低，但等效采樣率可以達(dá)到很高(一般25GSa/s~100GSa/s)。等效采樣分為循序采樣和隨機(jī)采樣兩種，其基本原理參見圖2b和圖2c。

　　數(shù)字存儲(chǔ)示波器不可能獲得和模擬示波器一樣真實(shí)的波形，是靠采樣后得到的采樣點(diǎn)來(lái)重建波形。根據(jù)奈奎斯特(Nyquist)采樣定理：在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng)采樣頻率大于或等于信號(hào)中最高頻率的2倍時(shí)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息。這就是說(shuō)，要想重現(xiàn)信號(hào)波形，數(shù)字存儲(chǔ)示波器的最高采樣率至少兩倍于輸入信號(hào)的最高頻率。從理論上講，對(duì)正弦波每個(gè)周期采樣兩次來(lái)描述信號(hào)特征是可行的，但實(shí)際上由于并不能保證每個(gè)采樣點(diǎn)都落在波峰波谷上，而且數(shù)字存儲(chǔ)示波器波形再現(xiàn)的結(jié)果與所采用的顯示恢復(fù)技術(shù)密切相關(guān)。目前采用的顯示恢復(fù)技術(shù)為線性內(nèi)插(即用直線直接將各采樣點(diǎn)連接起來(lái)進(jìn)行顯示)和正弦內(nèi)插技術(shù)(以內(nèi)插函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算后用曲線將各采樣點(diǎn)連接起來(lái)顯示)。所以，在實(shí)際的測(cè)量中，重建波形需要的點(diǎn)一般要大于2，線性內(nèi)插需要至少10個(gè)點(diǎn)，正弦內(nèi)插只需要4個(gè)點(diǎn)。Agilent、Tektronix、GWINSTEK等示波器生產(chǎn)商的新型數(shù)字存儲(chǔ)示波器中基本上都采用了正弦內(nèi)插顯示。

2 上升時(shí)間與示波器帶寬的關(guān)系

　　上升時(shí)間是靜電放電電流最重要的參數(shù)，主要由放電回路的分布參數(shù)決定，包括充電電容、放電電阻及連接導(dǎo)線的分布電感、導(dǎo)線及放電對(duì)象與參考地之間的分布電容等。接入示波器測(cè)量回路后，除測(cè)量回路分布參數(shù)對(duì)測(cè)量有較大影響外，示波器的帶寬對(duì)上升時(shí)間的測(cè)量準(zhǔn)確度以及整個(gè)波形形狀的影響也是不可忽視的。比如在進(jìn)行靜電放電試驗(yàn)時(shí)，在其它條件不變的情況下，選用不同的示波器所測(cè)得的靜電放電電流上升時(shí)間和波形形狀大不相同，采用固緯GDS-3154型VPO數(shù)字存儲(chǔ)示波器(150MHz帶寬)測(cè)量tr時(shí)最好只能達(dá)到15ns，改用GDS-3354(350MHz帶寬)測(cè)量時(shí)，基本穩(wěn)定在6ns左右，前者得到的放電波形在第一個(gè)波峰之后至放電60ns的這段時(shí)間內(nèi)有多個(gè)幅度較大的次波峰，而IEC1000-4-2標(biāo)準(zhǔn)中只允許有一個(gè)次波峰，后者的表現(xiàn)改善很多，波形基本符合要求。如果選用帶寬更高的示波器，效果會(huì)更好。由此可見，正確選用示波器是獲得準(zhǔn)確波形的關(guān)鍵第一步。然而，表征數(shù)字存儲(chǔ)示波器性能的最典型參數(shù)是帶寬及采樣率，而不是上升時(shí)間。因此，必須建立上升時(shí)間與它們的關(guān)系才能方便地選用數(shù)字示波器。上升時(shí)間的定義見圖3。

　　假如已知被測(cè)信號(hào)的最快上升時(shí)間大致為tr，首先將它看作是一個(gè)頻率為f的正弦波的上升沿，則tr與f的關(guān)系滿足下式^[2]：

(1)

　　由式(1)可知，從t_r求f得用帶寬大于或等于2f的數(shù)字存儲(chǔ)示波器便可以獲得比較準(zhǔn)確的波形。目前，示波器生產(chǎn)廠商給出了更簡(jiǎn)單的數(shù)字存儲(chǔ)示波器帶寬選取原則：

BW=K/t_r (2)

　　式(2)中BW為示波器的帶寬，K為0.35~0.45之間的常數(shù)，取決于示波器的頻率響應(yīng)特性和脈沖上升響應(yīng)特性。對(duì)于帶寬小于1GHz的示波器，K的典型值為0.35，對(duì)于帶寬大于1GHz的示波器，K的取值通常在0.4~0.45之間。不難看出，按式(2)選用數(shù)字存儲(chǔ)示波器比按式(1)來(lái)選用的要求更高一些。

3 靜電放電的測(cè)試

　　靜電放電(ESD)是指靜電累積到一定的電勢(shì)能后對(duì)電子元器件造成的一種快速放電現(xiàn)象。由于快速放電的瞬時(shí)性，以及通過(guò)的元器件的等效電阻較小，會(huì)產(chǎn)生很大的電流，造成元器件永久損害甚至人身安全的危害。為了研究和模擬元器件和人體如何受到損害，國(guó)際上有幾種通行的模型來(lái)表述。如人體模型(HBM，Human-Body Model)、機(jī)器模型(MM，Machine Model)、帶電器件模型(CDM，Charged-Device Model)以及電場(chǎng)感應(yīng)模型(FIM，F(xiàn)ield-Induced Model)等。這些模型都已有工業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，如HBM的EIA/JESD22-A114-A測(cè)試規(guī)范^[3]和MM的EIA/JESD22-A115-A測(cè)試規(guī)范[4]。根據(jù)這些模型，現(xiàn)在市面上有許多靜電放電發(fā)生器來(lái)測(cè)試產(chǎn)品的ESD等級(jí)。由于本文主要介紹數(shù)字存儲(chǔ)示波器在靜電放電試驗(yàn)中的選用，因此對(duì)每個(gè)具體的模型不做贅述，僅以HBM和MM模型闡述如何選用數(shù)字存儲(chǔ)示波器。

　　HBM是ESD模型中建立最早和最主要的模型之一。人體靜電是引起靜電損失和發(fā)生意外爆炸的最主要和最經(jīng)常的因素，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)產(chǎn)品的防靜電危害要求都是以防人體靜電為主，并建立了人體模型。美國(guó)海軍1980年提出了一個(gè)電容值為100pF，電阻為1.5kΩ的所謂“標(biāo)準(zhǔn)人體模型”。這一標(biāo)準(zhǔn)得到廣泛采用。其等效電路和ESD等級(jí)如圖4。該模型表征人體帶電接觸器件放電，R_b為人體等效電阻，C_b為人體等效電容。

　　MM是指機(jī)器(例如機(jī)械手臂)本身累積了靜電，當(dāng)此機(jī)器去碰觸到IC時(shí)，該靜電便經(jīng)由IC的引腳(pin)放電。因?yàn)闄C(jī)器是金屬，其等效電阻為0Ω，其等效電容為200pF。由于機(jī)器放電模式的等效電阻為0，故其放電的過(guò)程更短，在幾納秒(ns)到幾十納秒之內(nèi)會(huì)有數(shù)安培的瞬間放電電流產(chǎn)生。其等效電路和ESD等級(jí)如圖5。

　　在MM中，回路的時(shí)間常數(shù)很短，小于5ns，則在測(cè)試的過(guò)程中，電流信號(hào)的上升時(shí)間更短，一般在1ns左右。根據(jù)式(2)，得出測(cè)試所用的數(shù)字存儲(chǔ)示波器的最低帶寬是350MHz。根據(jù)這個(gè)帶寬，配上相應(yīng)的電流探棒，對(duì)HBM在不同的靜電電壓下的放電電流進(jìn)行了測(cè)試，和對(duì)比測(cè)試了HBM與MM兩種模型。得到結(jié)果如圖6和圖7。

　　數(shù)字存儲(chǔ)示波器選用臺(tái)灣固緯的GDS-3354(350MHz帶寬，5GSa/s實(shí)時(shí)采樣率)型VPO，電流探棒選用泰克的CT1(ESD測(cè)試的專用探棒，1GHz帶寬，0.2mA精度，上升時(shí)間0.35ns)，靜電放電模擬器選用SANKI的ESD-2000。

　　由于所測(cè)試的ESD信號(hào)是非周期的單次信號(hào)，對(duì)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的正確設(shè)置從而有效抓取靜電放電波形非常重要。GDS-3354設(shè)置如下：

　　(1) 垂直系統(tǒng)選電流檔，設(shè)置正確的倍率(CT1為5mV/mA);

　　(2) 水平系統(tǒng)設(shè)置為20nS/div~50nS/div;

　　(3) 觸發(fā)模式設(shè)為單次觸發(fā)，觸發(fā)類型設(shè)為上升沿;

　　(4) 如果4通道同時(shí)測(cè)，則每通道都按照以上3步設(shè)置;

　　(5) 為了能細(xì)致研究波形，則將所測(cè)試波形存儲(chǔ)在內(nèi)置記憶體內(nèi)。

4 結(jié)論

　　通過(guò)以上研究和實(shí)驗(yàn)，可以認(rèn)識(shí)到：在測(cè)量諸如靜電放電試驗(yàn)這樣的單次瞬態(tài)信號(hào)波形時(shí)，首先應(yīng)該將上升時(shí)間轉(zhuǎn)換為帶寬，然后根據(jù)帶寬選用數(shù)字存儲(chǔ)示波器，并且必須注意數(shù)字存儲(chǔ)示波器的帶寬和和信號(hào)的最高頻率不是一個(gè)等同的概念，以免選擇不當(dāng)。基于實(shí)驗(yàn)和研究的結(jié)果，不難解釋前述兩種數(shù)字存儲(chǔ)示波器在測(cè)量結(jié)果差異較大的原因。同時(shí)要注意，數(shù)字存儲(chǔ)示波器的水平時(shí)基不能太小，如果需要仔細(xì)觀察靜電放電波形，最小在1ns/div為最合適，不然不能充分表達(dá)ESD的電流波形細(xì)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

　　[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,劉偉,等.靜電放電試驗(yàn)中示波器的選擇與使用[J].電測(cè)與儀表，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)”.

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第55頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。