在做ESD抗擾度測(cè)試前，通常我們都會(huì)檢驗(yàn)ESD模擬器生成的電流脈沖是否擁有正確的波形和上升時(shí)間?？梢允褂眯?zhǔn)后的ESD靶和高帶寬示波器配合，檢驗(yàn)ESD模擬器的性能。

人體接觸電源端或信號(hào)線纜時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的靜電，可能會(huì)損壞電子系統(tǒng)中的電路。在人的手指靠近金屬物體時(shí)，普通的人體ESD事件會(huì)在物體中產(chǎn)生高電流放電。得到的電流脈沖可能會(huì)達(dá)到幾安，有非常高的前沿，上升時(shí)間不到1ns(圖1)。圖1顯示了理想化的ESD波形。

圖1. ESD產(chǎn)生的電流上升時(shí)間不到1 ns。

我們使用2GHz帶寬的示波器，配合靜電校準(zhǔn)靶演示抓取ESD電流波形。許多測(cè)試方法也可以用于擁有相應(yīng)性能（特別是上升時(shí)間）的任何專業(yè)級(jí)的示波器上。

人體可以理解成一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)阻容網(wǎng)絡(luò)(圖2)。在電荷形成時(shí)，電容器會(huì)充電到選定數(shù)字的kV。在按下開(kāi)關(guān)(模擬器觸發(fā)器)時(shí)，這個(gè)電荷會(huì)迅速放電到EUT上。目前市面上的制造商提供的靜電放電模擬器都能復(fù)現(xiàn)非常接近這個(gè)人體模型的電流波形。在IEC61000-4-2國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定了這些靜電放電模擬器必須生成的該波形。

圖2. RC網(wǎng)絡(luò)仿真來(lái)自人手指的ESD。

IEC 61000-4-2要求在測(cè)試EUT前檢驗(yàn)ESD模擬器的接觸放電電壓，另外要求檢驗(yàn)得到的電流波形的多個(gè)特點(diǎn)，比如電流峰值、30ns時(shí)的電流讀數(shù)和60ns時(shí)的電流讀數(shù)。

為捕獲ESD的電流波形，必須把示波器設(shè)置成單次(“single-shot”)模式。如果示波器對(duì)重復(fù)的上升時(shí)間測(cè)量返回了一串不同的答案，那么就不能依靠它準(zhǔn)確地測(cè)量任何一種情況的上升時(shí)間，即使多次測(cè)量的平均數(shù)異常準(zhǔn)確。單次可重復(fù)性的一個(gè)主要因子是低內(nèi)部噪聲，因此在評(píng)估示波器進(jìn)行ESD測(cè)試時(shí)要比較噪聲指標(biāo)。

使用并聯(lián)--為校驗(yàn)ESD模擬器的輸出，必須測(cè)量產(chǎn)生的電流流經(jīng)連接接地的低阻抗高頻電阻并聯(lián)時(shí)的波形。這個(gè)并聯(lián)或ESD靶仿真進(jìn)入大的金屬物體中的放電，比如法拉第板(圖3)。

圖3. 兩種樣式的ESD靶：老式靶(左)和新式靶(右)。

新款的靜電電流靶的帶寬較高(4GHz)，現(xiàn)在版本的IEC61000-4-2都規(guī)定使用新款電流靶，該版本的靶我們現(xiàn)在也正在銷售。

IEC和ANSI標(biāo)準(zhǔn)目前規(guī)定并聯(lián)阻抗<2.1 Ω，為了幫助工程師更加準(zhǔn)確地檢驗(yàn)ESD模擬器性能，現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了使用4 GHz帶寬的靶。在設(shè)置測(cè)試時(shí)，必須把靶安裝在1.2*1.2米的平板中心。ANSIC63.16靶指標(biāo)包括4GHz以下時(shí)反射系數(shù)<0.1 (相當(dāng)于VSWR<1.22)，插損<0.3dB。

為完成測(cè)試設(shè)置，需要電纜、衰減器和示波器。使用優(yōu)質(zhì)低損耗電纜連接靶、衰減器和示波器。電纜總長(zhǎng)要保持在1米以內(nèi)，這樣才能滿足IEC和ANSI標(biāo)準(zhǔn)。ANSIC63.16要求雙屏蔽電纜，防止信號(hào)泄漏影響測(cè)量。它還推薦RG-400/U電纜，而RG-214/U盡管是兩倍直徑，但損耗只有一半，似乎效果更好。還可以使用任何GHz帶寬的同軸電纜。

IEC 61000-4-2還規(guī)定把示波器放在法拉第籠中或者放在法拉第板后，用于屏蔽示波器受到ESD引發(fā)的干擾。在標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)過(guò)程中之所以規(guī)定使用法拉第板，就是為了防止模擬示波器上顯示的波形失真。法拉第板也最大限度地減少了放電放射場(chǎng)引起的假觸發(fā)數(shù)量。

目前，大多數(shù)高速數(shù)字示波器，包括泰克4/5/6系MSOs，都擁有屏蔽精良的輸入電路，因此在實(shí)踐中通常不要求使用法拉第籠。只需把ESD靶安裝在1.2*1.2米的法拉第板上，就能防止數(shù)字示波器中不想要的觸發(fā)了。

圖4. ESD靶和示波器之間的衰減器保護(hù)儀器的輸入放大器。

測(cè)試設(shè)置方框圖如圖4所示。需要使用衰減器，保護(hù)示波器的輸入前置放大器，因?yàn)殪o電校準(zhǔn)靶可能會(huì)產(chǎn)生>50V的電壓。同時(shí)，使用20dB衰減器很方便，因?yàn)樗硎?0×衰減，把測(cè)得電壓乘10，就可以得到經(jīng)過(guò)并聯(lián)的實(shí)際電壓，然后計(jì)算出得到的電流。衰減器必須能夠處理最高50V尖峰，衰減器的帶寬必須準(zhǔn)確地通過(guò)最高4GHz頻率。

在選擇示波器的時(shí)候，要特別注意示波器的帶寬、上升時(shí)間和噪聲等參數(shù)。為了準(zhǔn)確地測(cè)量信號(hào)，且沒(méi)有采樣誤差，示波器必須要留有充足的帶寬。在使用數(shù)字示波器時(shí)，還必須注意采樣率。數(shù)字示波器在可用帶寬上的響應(yīng)比較平坦，在超過(guò)3dB頻率時(shí)滾降率很陡。因此，采樣率要達(dá)到示波器帶寬的2.5倍，以避免假信號(hào)誤差。

示波器要想準(zhǔn)確地顯示ESD脈沖的上升時(shí)間，就必須要有充足的帶寬和上升時(shí)間。對(duì)于數(shù)字示波器而言，計(jì)算方法如下：帶寬 ≈0.43/(上升時(shí)間)

示波器的上升時(shí)間只要達(dá)到信號(hào)上升時(shí)間的大約0.7倍，就能以百分之幾的精度測(cè)量上升時(shí)間。

目前大多數(shù)數(shù)字示波器的頻響都比較平坦，在-3dB點(diǎn)以下的頻率上生成的衰減也較少。因此，數(shù)字示波器的測(cè)量精度要更高。其次，數(shù)字示波器的滾降率較陡，有助于降低假信號(hào)的誤差。

一般來(lái)說(shuō)，靶-衰減器-電纜鏈條會(huì)產(chǎn)生一定的信號(hào)幅度損耗。不同測(cè)試設(shè)置之間的損耗變化，DC ~ 1GHz時(shí)必須在±0.3 dB，1 GHz ~ 4GHz時(shí)必須在±0.8 dB。表1顯示了<1 dB的系統(tǒng)精度變化會(huì)大大影響測(cè)量精度。

表1. 系統(tǒng)精度變化會(huì)引起的測(cè)量誤差百分比。

示波器的帶寬越高，它捕獲ESD脈沖上升沿的精度越高。表2顯示了示波器的上升時(shí)間直接影響ESD脈沖測(cè)得的上升時(shí)間。如果脈沖的上升時(shí)間為700ps，那么示波器的帶寬至少要達(dá)到4GHz，才能實(shí)現(xiàn)<1%的誤差。在測(cè)量上升時(shí)間時(shí)，必須把這個(gè)誤差加到任何系統(tǒng)誤差中。

表2. 真實(shí)的上升時(shí)間與觀測(cè)到的上升時(shí)間與示波器帶寬的關(guān)系。

為了更好的測(cè)量ESD的電流脈沖波形，把示波器設(shè)置成單次模式，使用正邊沿觸發(fā)。把觸發(fā)電平設(shè)置成剛好高于0?？赡芤晕⒄{(diào)節(jié)觸發(fā)電平，以捕獲整個(gè)波形。把垂直靈敏度設(shè)置成200mV/div或400mV/div (視選擇的靜電放電模擬器的電壓而定)，把時(shí)基設(shè)置成20ns/div。假設(shè)測(cè)得的信號(hào)是三角形波(為計(jì)算簡(jiǎn)單起見(jiàn))，那么測(cè)得的上升時(shí)間為800ps時(shí)，要求的采樣率是10G樣點(diǎn)/秒，等于100ps/樣點(diǎn)，或者一個(gè)上升沿上8個(gè)樣點(diǎn)，足以準(zhǔn)確地表示樣點(diǎn)。

示波器的帶寬/采樣率對(duì)校準(zhǔn)有什么影響？

一些ESD事件的上升時(shí)間<100 ps，有些實(shí)際的ESD波形可能上升沿的時(shí)間更短。示波器的帶寬需要能夠分辨大概0.35/rt ，或者說(shuō)，100 ps的上升沿對(duì)應(yīng)3.5GHz的帶寬。沒(méi)有足夠的帶寬或采樣率，上升沿的數(shù)據(jù)采集是不準(zhǔn)確的。下圖呈現(xiàn)了沒(méi)有足夠采樣率和有足夠采樣率的示波器所采集到的波形對(duì)比。?

圖5：示波器采樣率對(duì)上升時(shí)間的影響比較

此外，示波器的帶寬和采樣率還影響測(cè)量到的第一個(gè)峰值大小，因?yàn)榈谝粋€(gè)峰值具有較高的頻率分量。即使是同一示波器，當(dāng)設(shè)置的采樣率不同時(shí)，測(cè)得的結(jié)果也不同。這可能導(dǎo)致ESD模擬發(fā)生器在較低采樣率的測(cè)試時(shí)能夠通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際上當(dāng)采樣率較高時(shí)不能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。舉例如下圖所示。

圖6：同一示波器不同采樣率設(shè)置下的測(cè)量波形

當(dāng)購(gòu)買ESD電流靶時(shí)，是否可以只買電流靶，使用已有的電纜和衰減器做校準(zhǔn)？

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在進(jìn)行ESD模擬發(fā)生器的校準(zhǔn)之前，示波器和ESD電流靶 – 衰減器 – 電纜都需進(jìn)行統(tǒng)一校準(zhǔn)。如果電流靶的校準(zhǔn)沒(méi)有配備相應(yīng)的衰減器和電纜，當(dāng)使用新的衰減器和電纜時(shí)，電流靶需要進(jìn)行再校準(zhǔn)?；蛘呤褂萌藛T可以表征其已有的電纜和衰減器，然后從數(shù)值上進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，校準(zhǔn)所用的電纜應(yīng)該為屏蔽良好，損耗低的電纜。標(biāo)準(zhǔn)推薦采用不超過(guò)1m長(zhǎng)的RG400電纜。RG214電纜的損耗為RG400的1/2，通常情況是可用的，但可能不匹配SMA接頭。大多數(shù)高速示波器采用了SMA或者改良的BNC接頭。
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，衰減器需要有4GHz內(nèi)平坦的頻率響應(yīng)，以保證電流靶 – 衰減器 – 電纜的傳輸阻抗平坦。同時(shí)，衰減器需要能夠承受相對(duì)較大的峰值功率。