用静电电流校准靶检验静电放电发生器电流波形

在做ESD抗扰度测试前，通常我们都会检验ESD模拟器生成的电流脉冲是否拥有正确的波形和上升时间。可以使用校准后的ESD靶和高带宽示波器配合，检验ESD模拟器的性能。

人体接触电源端或信号线缆时，会产生较大的静电，可能会损坏电子系统中的电路。在人的手指靠近金属物体时，普通的人体ESD事件会在物体中产生高电流放电。得到的电流脉冲可能会达到几安，有非常高的前沿，上升时间不到1ns(图1)。图1显示了理想化的ESD波形。

图1. ESD产生的电流上升时间不到1 ns。

我们使用2GHz带宽的示波器，配合静电校准靶演示抓取ESD电流波形。许多测试方法也可以用于拥有相应性能（特别是上升时间）的任何专业级的示波器上。

人体可以理解成一个简单的串联阻容网络(图2)。在电荷形成时，电容器会充电到选定数字的kV。在按下开关(模拟器触发器)时，这个电荷会迅速放电到EUT上。目前市面上的制造商提供的静电放电模拟器都能复现非常接近这个人体模型的电流波形。在IEC61000-4-2国际标准中也规定了这些静电放电模拟器必须生成的该波形。

图2. RC网络仿真来自人手指的ESD。

IEC 61000-4-2要求在测试EUT前检验ESD模拟器的接触放电电压，另外要求检验得到的电流波形的多个特点，比如电流峰值、30ns时的电流读数和60ns时的电流读数。

为捕获ESD的电流波形，必须把示波器设置成单次(“single-shot”)模式。如果示波器对重复的上升时间测量返回了一串不同的答案，那么就不能依靠它准确地测量任何一种情况的上升时间，即使多次测量的平均数异常准确。单次可重复性的一个主要因子是低内部噪声，因此在评估示波器进行ESD测试时要比较噪声指标。

使用并联--为校验ESD模拟器的输出，必须测量产生的电流流经连接接地的低阻抗高频电阻并联时的波形。这个并联或ESD靶仿真进入大的金属物体中的放电，比如法拉第板(图3)。

图3. 两种样式的ESD靶：老式靶(左)和新式靶(右)。

新款的静电电流靶的带宽较高(4GHz)，现在版本的IEC61000-4-2都规定使用新款电流靶，该版本的靶我们现在也正在销售。

IEC和ANSI标准目前规定并联阻抗<2.1 Ω，为了帮助工程师更加准确地检验ESD模拟器性能，现在的标准规定了使用4 GHz带宽的靶。在设置测试时，必须把靶安装在1.2*1.2米的平板中心。ANSIC63.16靶指标包括4GHz以下时反射系数<0.1 (相当于VSWR<1.22)，插损<0.3dB。

为完成测试设置，需要电缆、衰减器和示波器。使用优质低损耗电缆连接靶、衰减器和示波器。电缆总长要保持在1米以内，这样才能满足IEC和ANSI标准。ANSIC63.16要求双屏蔽电缆，防止信号泄漏影响测量。它还推荐RG-400/U电缆，而RG-214/U尽管是两倍直径，但损耗只有一半，似乎效果更好。还可以使用任何GHz带宽的同轴电缆。

IEC 61000-4-2还规定把示波器放在法拉第笼中或者放在法拉第板后，用于屏蔽示波器受到ESD引发的干扰。在标准开发过程中之所以规定使用法拉第板，就是为了防止模拟示波器上显示的波形失真。法拉第板也最大限度地减少了放电放射场引起的假触发数量。

目前，大多数高速数字示波器，包括泰克4/5/6系MSOs，都拥有屏蔽精良的输入电路，因此在实践中通常不要求使用法拉第笼。只需把ESD靶安装在1.2*1.2米的法拉第板上，就能防止数字示波器中不想要的触发了。

图4. ESD靶和示波器之间的衰减器保护仪器的输入放大器。

测试设置方框图如图4所示。需要使用衰减器，保护示波器的输入前置放大器，因为静电校准靶可能会产生>50V的电压。同时，使用20dB衰减器很方便，因为它表示10×衰减，把测得电压乘10，就可以得到经过并联的实际电压，然后计算出得到的电流。衰减器必须能够处理最高50V尖峰，衰减器的带宽必须准确地通过最高4GHz频率。

在选择示波器的时候，要特别注意示波器的带宽、上升时间和噪声等参数。为了准确地测量信号，且没有采样误差，示波器必须要留有充足的带宽。在使用数字示波器时，还必须注意采样率。数字示波器在可用带宽上的响应比较平坦，在超过3dB频率时滚降率很陡。因此，采样率要达到示波器带宽的2.5倍，以避免假信号误差。

示波器要想准确地显示ESD脉冲的上升时间，就必须要有充足的带宽和上升时间。对于数字示波器而言，计算方法如下：带宽 ≈0.43/(上升时间)

示波器的上升时间只要达到信号上升时间的大约0.7倍，就能以百分之几的精度测量上升时间。

目前大多数数字示波器的频响都比较平坦，在-3dB点以下的频率上生成的衰减也较少。因此，数字示波器的测量精度要更高。其次，数字示波器的滚降率较陡，有助于降低假信号的误差。

一般来说，靶-衰减器-电缆链条会产生一定的信号幅度损耗。不同测试设置之间的损耗变化，DC ~ 1GHz时必须在±0.3 dB，1 GHz ~ 4GHz时必须在±0.8 dB。表1显示了<1 dB的系统精度变化会大大影响测量精度。

表1. 系统精度变化会引起的测量误差百分比。

示波器的带宽越高，它捕获ESD脉冲上升沿的精度越高。表2显示了示波器的上升时间直接影响ESD脉冲测得的上升时间。如果脉冲的上升时间为700ps，那么示波器的带宽至少要达到4GHz，才能实现<1%的误差。在测量上升时间时，必须把这个误差加到任何系统误差中。

表2. 真实的上升时间与观测到的上升时间与示波器带宽的关系。

为了更好的测量ESD的电流脉冲波形，把示波器设置成单次模式，使用正边沿触发。把触发电平设置成刚好高于0。可能要稍微调节触发电平，以捕获整个波形。把垂直灵敏度设置成200mV/div或400mV/div (视选择的静电放电模拟器的电压而定)，把时基设置成20ns/div。假设测得的信号是三角形波(为计算简单起见)，那么测得的上升时间为800ps时，要求的采样率是10G样点/秒，等于100ps/样点，或者一个上升沿上8个样点，足以准确地表示样点。

示波器的带宽/采样率对校准有什么影响？

一些ESD事件的上升时间<100 ps，有些实际的ESD波形可能上升沿的时间更短。示波器的带宽需要能够分辨大概0.35/rt ，或者说，100 ps的上升沿对应3.5GHz的带宽。没有足够的带宽或采样率，上升沿的数据采集是不准确的。下图呈现了没有足够采样率和有足够采样率的示波器所采集到的波形对比。 

图5：示波器采样率对上升时间的影响比较

此外，示波器的带宽和采样率还影响测量到的第一个峰值大小，因为第一个峰值具有较高的频率分量。即使是同一示波器，当设置的采样率不同时，测得的结果也不同。这可能导致ESD模拟发生器在较低采样率的测试时能够通过标准，但实际上当采样率较高时不能符合标准要求。举例如下图所示。

图6：同一示波器不同采样率设置下的测量波形

当购买ESD电流靶时，是否可以只买电流靶，使用已有的电缆和衰减器做校准？

标准规定，在进行ESD模拟发生器的校准之前，示波器和ESD电流靶 – 衰减器 – 电缆都需进行统一校准。如果电流靶的校准没有配备相应的衰减器和电缆，当使用新的衰减器和电缆时，电流靶需要进行再校准。或者使用人员可以表征其已有的电缆和衰减器，然后从数值上进行补偿计算。
标准规定，校准所用的电缆应该为屏蔽良好，损耗低的电缆。标准推荐采用不超过1m长的RG400电缆。RG214电缆的损耗为RG400的1/2，通常情况是可用的，但可能不匹配SMA接头。大多数高速示波器采用了SMA或者改良的BNC接头。
标准规定，衰减器需要有4GHz内平坦的频率响应，以保证电流靶 – 衰减器 – 电缆的传输阻抗平坦。同时，衰减器需要能够承受相对较大的峰值功率。