在做ESD抗擾度測試前，通常我們都會檢驗ESD模擬器生成的電流脈沖是否擁有正確的波形和上升時間?？梢允褂眯屎蟮腅SD靶和高帶寬示波器配合，檢驗ESD模擬器的性能。

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

圖1. ESD產(chǎn)生的電流上升時間不到1 ns。

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

人體可以理解成一個簡單的串聯(lián)阻容網(wǎng)絡(luò)(圖2)。在電荷形成時，電容器會充電到選定數(shù)字的kV。在按下開關(guān)(模擬器觸發(fā)器)時，這個電荷會迅速放電到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)非常接近這個人體模型的電流波形。在IEC61000-4-2國際標準中也規(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)仿真來自人手指的ESD。

IEC 61000-4-2要求在測試EUT前檢驗ESD模擬器的接觸放電電壓，另外要求檢驗得到的電流波形的多個特點，比如電流峰值、30ns時的電流讀數(shù)和60ns時的電流讀數(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。如果示波器對重復(fù)的上升時間測量返回了一串不同的答案，那么就不能依靠它準確地測量任何一種情況的上升時間，即使多次測量的平均數(shù)異常準確。單次可重復(fù)性的一個主要因子是低內(nèi)部噪聲，因此在評估示波器進行ESD測試時要比較噪聲指標。

使用并聯(lián)--為校驗ESD模擬器的輸出，必須測量產(chǎn)生的電流流經(jīng)連接接地的低阻抗高頻電阻并聯(lián)時的波形。這個并聯(lián)或ESD靶仿真進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標準目前規(guī)定并聯(lián)阻抗<2.1 Ω，為了幫助工程師更加準確地檢驗ESD模擬器性能，現(xiàn)在的標準規(guī)定了使用4 GHz帶寬的靶。在設(shè)置測試時，必須把靶安裝在1.2*1.2米的平板中心。ANSIC63.16靶指標包括4GHz以下時反射系數(shù)<0.1 (相當(dāng)于VSWR<1.22)，插損<0.3dB。

為完成測試設(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。電纜總長要保持在1米以內(nèi)，這樣才能滿足IEC和ANSI標準。ANSIC63.16要求雙屏蔽電纜，防止信號泄漏影響測量。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。在標準開發(fā)過程中之所以規(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儀器的輸入放大器。

測試設(shè)置方框圖如圖4所示。需要使用衰減器，保護示波器的輸入前置放大器，因為靜電校準靶可能會產(chǎn)生>50V的電壓。同時，使用20dB衰減器很方便，因為它表示10×衰減，把測得電壓乘10，就可以得到經(jīng)過并聯(lián)的實際電壓，然后計算出得到的電流。衰減器必須能夠處理最高50V尖峰，衰減器的帶寬必須準確地通過最高4GHz頻率。

在選擇示波器的時候，要特別注意示波器的帶寬、上升時間和噪聲等參數(shù)。為了準確地測量信號，且沒有采樣誤差，示波器必須要留有充足的帶寬。在使用數(shù)字示波器時，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3dB頻率時滾降率很陡。因此，采樣率要達到示波器帶寬的2.5倍，以避免假信號誤差。

示波器要想準確地顯示ESD脈沖的上升時間，就必須要有充足的帶寬和上升時間。對于數(shù)字示波器而言，計算方法如下：帶寬 ≈0.43/(上升時間)

示波器的上升時間只要達到信號上升時間的大約0.7倍，就能以百分之幾的精度測量上升時間。

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

一般來說，靶-衰減器-電纜鏈條會產(chǎn)生一定的信號幅度損耗。不同測試設(shè)置之間的損耗變化，DC ~ 1GHz時必須在±0.3 dB，1 GHz ~ 4GHz時必須在±0.8 dB。表1顯示了<1 dB的系統(tǒng)精度變化會大大影響測量精度。

表1. 系統(tǒng)精度變化會引起的測量誤差百分比。

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間直接影響ESD脈沖測得的上升時間。如果脈沖的上升時間為700ps，那么示波器的帶寬至少要達到4GHz，才能實現(xiàn)<1%的誤差。在測量上升時間時，必須把這個誤差加到任何系統(tǒng)誤差中。

表2. 真實的上升時間與觀測到的上升時間與示波器帶寬的關(guān)系。

為了更好的測量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。可能要稍微調(diào)節(jié)觸發(fā)電平，以捕獲整個波形。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)，把時基設(shè)置成20ns/div。假設(shè)測得的信號是三角形波(為計算簡單起見)，那么測得的上升時間為800ps時，要求的采樣率是10G樣點/秒，等于100ps/樣點，或者一個上升沿上8個樣點，足以準確地表示樣點。

示波器的帶寬/采樣率對校準有什么影響？

一些ESD事件的上升時間<100 ps，有些實際的ESD波形可能上升沿的時間更短。示波器的帶寬需要能夠分辨大概0.35/rt ，或者說，100 ps的上升沿對應(yīng)3.5GHz的帶寬。沒有足夠的帶寬或采樣率，上升沿的數(shù)據(jù)采集是不準確的。下圖呈現(xiàn)了沒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比。?

圖5：示波器采樣率對上升時間的影響比較

此外，示波器的帶寬和采樣率還影響測量到的第一個峰值大小，因為第一個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，測得的結(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試時能夠通過標準，但實際上當(dāng)采樣率較高時不能符合標準要求。舉例如下圖所示。

圖6：同一示波器不同采樣率設(shè)置下的測量波形

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

標準規(guī)定，在進行ESD模擬發(fā)生器的校準之前，示波器和ESD電流靶 – 衰減器 – 電纜都需進行統(tǒng)一校準。如果電流靶的校準沒有配備相應(yīng)的衰減器和電纜，當(dāng)使用新的衰減器和電纜時，電流靶需要進行再校準?；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)值上進行補償計算。
標準規(guī)定，校準所用的電纜應(yīng)該為屏蔽良好，損耗低的電纜。標準推薦采用不超過1m長的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。
標準規(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，衰減器需要能夠承受相對較大的峰值功率。