光隔離探頭

光隔離探頭，英文名Optical-fiber Isolated Probe，是示波器的一種測量探頭。

在測試測量領域，測試探頭前端所獲取的信號一般經過電纜傳輸至後端的測試設備，這種經過電纜傳輸的方式，存在如下缺點：

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。

光隔離探頭則沒有上述缺點。

光隔離探頭能將探頭前端的高帶寬電信號（一般是DC-1GHz）轉換成雷射，然後經過光纖傳輸至後端，在後端再將雷射轉換為電信號，通過電—光—電的轉換，從而實現信號輸入和輸出完全電氣隔離。這種轉換不同於通信領域的寬帶光纖，因為通信領域的光纖傳輸是允許有誤碼發生的，當出現誤碼異常，還可以經過校驗發現，再次重新傳輸。測試測量領域中，信號傳輸有眾多的指標約束，例如信號完整性約束，幅度精度約束，帶寬約束，延遲約束等等，這些約束要求極端苛刻，需要克服很多的技術障礙。

光隔離探頭主要應用於新能源及功率半導體領域，例如逆變器、開關電源、電機驅動、 IGBT半 /全橋電路、第三代半導體氮化鎵（ GaN）及碳化矽（ SiC）器件及所組成的電路測試，也可用於高壓浮地測試場合，實現電氣安全隔離。

特點

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-160dB，在1GHz附近，CMRR仍然高達-100dB左右。由於完全電氣隔離，其隔離電壓（也就是共模電壓）完全取決於測試環境的絕緣性能，探頭自身可達60kV以上。

不同於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，可以實現滿量程輸出。

光隔離探頭測試引線短，其探頭輸入電容很小且沒有天線效應，所以測試氮化鎵（GaN）不會炸管，十分安全。

工作原理

光隔離探頭將探頭前端（電-光轉換器）的電信號轉換成雷射後，經過光纖傳輸至後端，在後端（光-電還原器）再將雷射轉換為電信號。通過電—光—電的轉換，從而實現信號輸入和輸出完全電氣隔離。

光隔離探頭原理

光隔離探頭在技術上除了解決信號傳輸問題，還要解決探頭前端（電-光轉換器）的供電問題。由於探頭前端與後端之間只有光纖連接，沒有任何導體，所有探頭前端電路的供電只有兩個途徑：一種是電池供電方案，另一種是雷射供電方案。電池供電方案的優點是成本低，但是用戶使用時不太方便，需要每天給電池充電，忘記充電的情況下影響使用；雷射供電方案的原理是，在探頭後端發射一束高能雷射，雷射通過光纖傳輸至探頭前端，探頭前端將雷射轉化為電能為電路提供電源。雷射供電方案對於使用者來說完全是無感的，不加研究和留意，使用者一般不知道還有供電這回事，所以優點十分顯著，缺點就是成本較高。

重要指標及性能

1.共模抑制比（CMRR）：高壓差分探頭的共模抑制比（Common Mode Rejection Ration,CMRR）是一項重要參數，反映差分探頭抑制共模信號的能力，CMRR絕對值越高，測量結果受到的共模電壓影響越小。高壓差分探頭在低頻時具有較高的CMRR，隨著頻率的升高CMRR迅速降低。以一款常規高壓探頭為例，其CMRR在DC、100KHz、3.2MHz、100MHz下分別為-80dB、-60dB、-30dB、-26dB。高頻下CMRR偏低就會導致測量結果的錯誤，為了解決這一問題，就需要使用高頻下依然具有高CMRR的電壓探頭。基於光纖電氣隔離的原理，光隔離探頭在DC至1MHz的低頻段天生具有極高的共模抑制能力，但這並不代表光隔離探頭在全頻帶具有優異的共模抑制比，光隔離探頭要側重關注中高頻的共模抑制參數，因為中高頻段的共模抑制能力和光電隔離沒有太大的關係，完全依賴優良的硬體設計才可達到理想的共模抑制指標，性能優異的光隔離探頭，在200MHz時CMMR高達105dB以上，在1GHz時CMMR仍然在100dB附近。

2.共模電壓：大於60kV以上。光隔離探頭的共模電壓其實不算一個重要指標，基於光纖電氣隔離的原理，只要通過光纖傳輸信號，可以在兩個不共地的電路之間實現很高的共模電壓，這時測試環境的絕緣物反而是決定因素。

3.差模電壓：高壓差分探頭所能測量的差模電壓一般是固定的，而光隔離探頭可以根據差模電壓大小更換不同的衰減器，所以在幾千伏以內，光隔離探頭可以將輸出幅度儘可能最大化，從而提高信噪比。

4.帶寬：寬禁帶半導體電路測試是光隔離探頭的主要用途之一，針對碳化矽（SiC）測試，最佳帶寬需要在350MHz以上，針對氮化鎵(GaN)測試，最佳帶寬需要在500MHz以上，所以光隔離探頭帶寬必須大於200MHz才有更多的現實測量意義。例如如下兩個品牌的探頭，都具有DC-1GHz的帶寬。

Micsig光隔離探頭和Tektronix光隔離探頭

下面的幅頻特性指標就說明了為什麼要儘可能選用更高的帶寬。

5.幅頻特性：光隔離探頭必須具有極佳的幅頻特性才有現實的測量意義。這個描述可能有點抽象，下面以一個標稱帶寬為500MHz光隔離探頭的幅頻特性曲線為例，曲線看出在300MHz以下時探頭具有1.5%的測量精度，在300MHz以上時，探頭輸出幅度逐步衰減，在500MHz時衰減不到-3dB。這條曲線十分光滑，300MHz以下近似水平直線，可確保測試精度，300MHz以上單調下降，可用於測試參考。假如探頭的幅頻特性曲線在中高頻帶（大於10MHz）上下起伏，說明10MHz以上完全沒有測試精度可言，現實中這種探頭不在少數。

光隔離探頭幅頻特性曲線

6.測試精度：光隔離探頭用途的特殊性，說明需要經常用於準確的測量。例如在分析碳化矽或者氮化鎵控制信號幅度時，往往需要準確的電壓結果，因為電壓的偏差可能會導致參數突破極限而損壞器件。再例如計算功率器件的損耗，都需要有準確的測試結果，上述幅頻特性曲線中，如果曲線波動1dB,代表測試誤差達到了12%，這個量級的誤差計算出的損耗就沒有什麼意義。所以光隔離探頭的精度要越高越好，這個精度不僅僅指一般宣稱的DC精度，是探頭可保證測試精度的最大帶寬，因為DC要做到小於3%的精度是很容易的。

7.溫度特性：雷射器件的溫度特性一般較差。所以光隔離探頭的溫度特性一定程度上代表了製造商的技術能力，如果溫度特性不穩定，光隔離探頭在每次校準以後的直流零點會持續緩慢漂移，測試誤差會越來越大。光隔離探頭的最高水平，可將24小時零點漂移控制在100μV以內。

8.光纖抗擾動：雷射通過光纖傳輸時，光纖的形變可能引起雷射傳輸特性的改變，從而導致探頭輸出信號的波動。現實應用中光纖這種變形不可避免，因此光纖抗擾動也是光隔離探頭需要解決的技術難點之一。只有手持光纖輕輕擺動，探頭輸出信號不隨光纖擺動而波動的情況下，光隔離探頭在使用時才不會受意外干擾。

9.衰減器：衰減器是光隔離探頭重要組成部分，不同的衰減器可以適配不同的信號幅度。衰減器的輸入電容必須儘可能的小，才不會對被測信號帶來影響。一般情況下，衰減器的輸入電容應當小於5pF。