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2 电阻分压器原理分析

理想的电阻分压器由两个纯电阻串联而成，其中任何一个电阻上的电压都小于输入电压，通常输出信号从较小的电阻上引出。实际上，任何电阻都具有一定的杂散电感，电阻之间、电阻与地之间都有一定的杂散电容，分压器和测量回路中往往不可避免还有引线。考虑了分布杂散参数的电阻分压器的等效电路如图2.1所示：

图2.1 电阻分压器的分布参数等效电路

其中，为分压器总电阻，为分压器总对地电容。 于是，分压器输出波形的10%~90%上升时间为

ln9 tr?0.1~0.9??2RCe?0.22RCe （2-1）

?即分压器的上升时间正比于总电阻与总对地电容之积。因此欲减小分压器的上升时间，必须尽可能降低分压器对地电容，同时适当限制分压器的电阻值。

电阻分压器的集总参数等效电路如图2.2：

图2.2 电阻分压器的集总参数等效电路

-高压臂电阻； -低压臂电阻； -等效对地电容

其中

， （2-2）

这个模型与分布参数模型等效。可以看出，在和确定时，应适当限制分压比的

大小，从而控制分压器的上升时间。

由于高速快脉冲电压的瞬时幅值可达几百kV，分压器的衰减倍数应达103～104量级, 要采用2 级甚至3 级分压[1]。本文采用的是二级电阻分压器。

其原理如图2.3：

图2.3 二级电阻分压器原理图

—第1级高压臂电阻；—第1级低压臂电阻 —第2级高压臂电阻；—第2级低压臂电阻

二级电阻分压器的集总参数等效电路如图2.4：

图2.4 二级电阻分压器的集总参数等效电路

-第1级高压臂电阻； -第1级低压臂电阻； -第1级等效对地电容 -第2级高压臂电阻； -第2级低压臂电阻； -第2级等效对地电容

其中为补偿电感，而

； （2-3） 和分别为第1级和第2级的分布电容。 对上述电路可写出如下方程：

（2-4）

* I1?CeldVp*dVo?VpR2?I2?Ce （2-5） 2dtdt （2-6）

（2-7）

由于，因此第二个方程右边第3、4项可以忽略，从而前两个方程可以单独封闭求解得出，进而将其作为第三、四个方程的源项得到输出电压。这就是说补偿电感的作用仅仅局限于分压器的第2级，因此补偿效果很有限。

对于传统的线绕式电阻分压器而言, 由于其杂散电容和电阻自身电感的影响, 容易产生谐振和振铃[22], 因此传统的线绕式电阻分压器不适于测量带宽1GHz, 上升时间为亚ns的快脉冲。

为了尽量消除杂散参数的影响, 本文采用高压玻璃釉电阻作为二级电阻分压器第1级的高压臂电阻, 第1级低压臂和第2级分压电阻、, 都采用金属膜无感电阻。此外还必须考虑到分压器第1级与第2级和同轴电缆的阻抗匹配[23]。由于总的分压比确定，通过调节第1、2级各自分配的分压比，得到最合理的结果，才能确定最合理的电阻值，使得分压效果尽量完美。

3 电阻分压器的设计

3.1 结构确定

对于如图2.3所示的二级分压系统, 必须尽量减小杂散参数对分压器测量系统的影响,要做好绝缘屏蔽、阻抗匹配等措施， 以兼顾高频分压及耐压的要求。同轴式分压器结构简单、制作容易、便于与同轴电缆连接。基于以上的构想,本文设计了如图3.1所示的电阻分压器：

图3.1 电阻分压器结构简图

整个分压器以铝合金管作为壳体，轻巧方便；为了尽量减小引线电感，电阻圈1和电阻圈2均由10个呈辐射状的电阻做成[2]。电阻圈1相当于分压器第1级的低压臂，电阻圈2相当于分压器第2级的低压臂，两个电阻圈之间的电阻为分压器第2级的高压臂。

3.2 材料选择[24-26]

3.2.1 电阻的选择

3.2.1.1 分压器各电阻阻值的确定

脉冲源电压为30kV，示波器输入电压为5V，因此分压器总的分压比为

（3-1）

设分压器第1级分压比为N1，第2级分压比为N2，则有：

（3-2）

取N1=300，由（3-1）（3-2）式得：N2=20。

由于分压器输出端与传输电缆的匹配（始端匹配），传输电缆与示波器输入端

的匹配（终端匹配）严重影响测量的准确性，所以选择：

电阻圈1 和电阻圈2 均由10 个呈辐射状的电阻做成，因此各个电阻。 由，得：

3.2.1.2 电阻材料型号的选择

(1) 第1级高压臂电阻的选择

对于传统的线绕式电阻而言，由于其杂散电容和电阻自身电感的影响, 容易产生谐振和振铃, 因此传统的线绕式电阻不适于测量高压快脉冲。

非线绕电阻器分为薄膜型电阻器和合成型电阻器两类。薄膜型电阻器分为碳膜电阻器、金属膜电阻器、金属氧化膜电阻器及合金箔电阻器。合成型电阻器分为合成碳膜电阻器、金属玻璃釉电阻器、有机实芯电阻器及无机实芯电阻器。

玻璃釉电阻器也叫做金属玻璃釉电阻器或厚膜电阻器。这种电阻器的电阻体是由银、钯、铑和钌等的金属氧化物和玻璃釉粘合剂在高温下烧结制成的。这种电阻器的特点是耐高温、比率功率较大、阻值范围宽、温度系数小、制造工艺简单。既可制成一般精度的电阻器，也可制成精密电阻器。根据特殊要求，其精度可达。

玻璃釉电阻器有三种结构形式：带引线的片形、圆柱形和不带引线的片形。 玻璃釉电阻器有以下几种类型：

①小功率玻璃釉电阻器 这种电阻的电阻体采用稳定性好、可靠性高的钌系金属玻璃釉电阻浆料、用印刷法成膜，在800℃以上高温烧结成的电阻膜。端头采用易焊接、稳定、可靠的钯-银电极，并用高温焊料焊接引线。这种电阻采用单向引出线，能直接插入印刷电路，便于装配。

②高阻玻璃釉电阻器 这种电阻器的电阻体也是采用性能稳定、可靠性高的金属玻璃釉电阻体，钯-银电极及高温焊接的引出线。它与高阻合成碳膜电阻器相比，具有体积小、重量轻、高频特性好、价格低等优点。

③高压玻璃釉电阻器 这种电阻器的电阻体是采用性能优良的钌酸盐系电阻浆料高温烧结而成。主要用在各种交直流及脉冲高压设备中。

④玻璃釉片电阻器 这种电阻器是无引线结构电阻器，体积小、轻、薄片型、多应用于电子计算机、电子手表、电子协调器、摄像机等整机中。

由于第1级高压臂电阻耐压高，性能要求高，不宜采用普通电阻，所以本文采用

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