数字存储示波器在静电放电试验中的选用

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