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?為什么示波器需要光隔離探頭
光隔離探頭，英文名叫Optical-fiber Isolated Probe，是示波器的一種測量探頭。在測試測量領域，高壓差分探頭前端所獲取的信號一般經(jīng)過電纜傳輸至后端的測試設備，這種經(jīng)過電纜傳輸?shù)姆绞剑嬖谌缦?strong>缺點：
1. 不絕緣，在高壓場合沒有安全性，測試點與測試設備之間不能相互電氣隔離；
2. 線纜存在寄生電容、電感、電阻等特性，帶寬受到限制；
3. 難以同時滿足高壓、低壓、高帶寬及信號完整性指標；
4. 對高壓高頻共模干擾抑制能力較差。
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但高壓差分探頭也有一些優(yōu)點：
1. 成本效益：高壓差分探頭通常比光隔離探頭更經(jīng)濟。
2. 簡單性：高壓差分探頭的使用和維護相對簡單，不需要復雜的光纖或光電轉換技術，這使得它們在操作上更加容易。
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光隔離探頭同樣用于測量差分信號，其原理基于光電效應和物理隔離技術，它通過將電信號轉換為光信號，并通過光纖傳輸至另一端，再將光信號轉換回電信號，從而實現(xiàn)信號輸入和輸出的完全電氣隔離。這種轉換不僅提供了極高的共模抑制比（CMRR），能夠在全帶寬范圍內(nèi)提供優(yōu)異的共模抑制性能，而且還具有高隔離電壓和寬測試量程的特點。
光隔離探頭的工作原理可以概括為以下幾個步驟：
1. 電信號在探頭前端被轉換成激光信號。
2. 激光信號通過光纖傳輸?shù)教筋^的后端。
3. 在探頭后端，激光信號再次被轉換成電信號。
其原理框圖如下圖所示，該探頭主要包括衰減器、電-光-電轉換網(wǎng)絡、無損傳輸線和示波器接頭。
電-光-電轉換網(wǎng)絡作為光隔離探頭的核心，通過電-光轉換器、光纖、光-電轉換器和控制器實現(xiàn)了被測設備與示波器的電氣隔離，縮短了差分信號的傳輸路徑，這很大程度上提高了探頭的共模抑制比，使得光隔離探頭能測量具有高帶寬和高共模電壓的差分信號。
RIGOL PIA1000系列光隔離探頭具有極高的共模抑制比和隔離電壓。在低頻直流附近，CMRR高達-180dB，在1GHz附近，CMRR仍然高達-108dB左右。由于完全電氣隔離，其隔離電壓（也就是共模電壓）完全取決于測試環(huán)境的絕緣性能，探頭自身可達85kV以上。
不同于高壓差分探頭只可以測試高壓信號，光隔離探頭測試量程更寬，通過匹配不同的衰減器，在不犧牲信噪比的情況下，完成從低壓到高壓差模信號的測試，可以實現(xiàn)滿量程輸出。
另外高壓差分探頭的前端是兩根十幾厘米的接線，這可能導致兩個問題，一是長接線在測量回路中可以看作是電感，會引起被測電流中不存在的震蕩；二是長接線圍成的回路可以看作是一個天線，會接收器件在開關過程中快速變化的電流產(chǎn)生的磁場，導致測量結果錯誤。光隔離探頭端部具有一系列可提供高性能和可及性的連接件和附件，可以盡量使得測量接線距離更短、測量接線圍成的面積更小，從而避免上述問題導致的測量結果錯誤。
綜上所述，與用于測量高壓信號的傳統(tǒng)差分探頭相比，隔離性和高頻性相結合的光隔離探頭為設計人員提供更精確的測量結果。他的主要應用案例包括：
1. 電源設備評估、電流并聯(lián)測量、EMI 和 ESD 故障排除
2. 電機驅動設計、功率轉換器設計、電子鎮(zhèn)流器設計
3. 氮化鎵、碳化硅、IGBT 半/全橋設備的設計與分析
4. 逆變器、UPS 及開關電源的測試
5. 高壓高帶寬測試應用的安全隔離測試
6. 寬電壓、寬帶測試應用
7. 各種浮地測試
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測試實例一：
這里我們用一塊采用納威半導體芯片的氮化鎵演示板進行測試，以演示光隔離探頭的優(yōu)勢：
1、連接衰減電纜
將衰減電纜接口的凹槽對準電-光轉換器連接器的突起，將衰減電纜插入電-光轉換器的連接器，順時針螺旋擰緊衰減電纜的鎖緊螺母。
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2、光隔離探頭使用MCX或MMCX母座進行連接，測試Vgs 信號時，母座中心引腳必須接 MOSFET 的 G 端。將母座直接焊接到測試點，盡量不要引線，否則會對測試結果產(chǎn)生較大影響。為了焊接方便，可將母座四周的四個引腳剪去三個，保留一個即可。
3、將衰減電纜插入母座，聽到“咔噠”一聲后，表明連接成功，要注意區(qū)分母座型號MCX或MMCX，選擇適配的衰減電纜。
4、在20V共模電壓的情況下，使用高壓差分探頭和光隔離探頭測量同一個信號，測得的信號如下圖所示：
通道一（黃色）是使用高壓差分探頭測量，通道二（藍色）是使用光隔離探頭測量
高壓差分探頭測得的信號震蕩十分明顯，顯然不是氮化鎵測試管正常的運行狀況，而光隔離探頭則可測到真實的信號。
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測試實例二：
高壓差分探頭和光隔離探頭進行雙脈沖測試對比
碳化硅IGBT雙脈沖測試，光隔離探頭和差分探頭同時連接上橋臂Vge接線圖
測試方式：被測器件SiC開關，具有上、下管，Vce電壓500V左右，同時使用高壓差分探頭和光隔離探頭同時連接上管Vge信號，進行雙脈沖測試。
碳化硅IGBT雙脈沖測試，光隔離探頭(紅色波形)和差分探頭(白色波形)
同時測量上橋臂Vge波形圖
上圖為測試結果圖，圖中白色信號是高壓差分探頭測試結果，可以看到在Vge上升時刻，上下震蕩劇烈，幾乎分辨不出本來的波形;我們曾使用高壓差分探頭測試過一個Vce電壓達到800V時的上管Vge信號，震蕩已經(jīng)超過了SiC的關斷電壓，會嚴重影響工程師的判斷。
而圖中紅色的波形是采用光隔離探頭測試的，信號的干擾就小多了。如果采用光隔離探頭單獨測試的話，幾乎沒有干擾，這上面看到的干擾是高壓差分探頭對光隔離探頭造成的影響。事實上，光隔離探頭其底噪相對于高壓差分探頭更低，精度更高，能夠測到的共模電壓也更大。
綜上所述，光隔離探頭在各方面性能上其實已經(jīng)全面超越了差分探頭，而對于有需求進行雙脈沖實驗的用戶，光隔離探頭是不二之選。
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