人體接觸電源端或信號線纜時，會產生較大的靜電，可能會損壞電子系統中的電路。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性能（特別是上升時間）的任何專業級的示波器上。

人體可以理解成一個簡單的串聯阻容網絡(圖2)。在電荷形成時，電容器會充電到選定數字的kV。在按下開關(模擬器觸發器)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現非常接近這個人體模型的電流波形。在IEC 61000-4-2國際標準中也規定了這些靜電放電模擬器必須生成的該波形。

圖2. RC網絡仿真來自人手指的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時的電流讀數和60ns時的電流讀數。

為捕獲ESD的電流波形，必須把示波器設置成單次(“single-shot”)模式。如果示波器對重復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異常準確。單次可重復性的一個主要因子是低內部噪聲，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--為校驗ESD模擬器的輸出，必須測量產生的電流流經連接接地的低阻抗高頻電阻并聯時的波形。這個并聯或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)，現在版本的IEC 61000-4-2都規定使用新款電流靶，該版本的靶我們現在也正在銷售。

IEC和ANSI標準目前規定并聯阻抗<2.1 Ω，為了幫助工程師更加準確地檢驗ESD模擬器性能，現在的標準規定了使用4 GHz帶寬的靶。在設置測試時，必須把靶安裝在1.2*1.2米的平板中心。ANSI C63.16靶指標包括4 GHz以下時反射系數<0.1 (相當于VSWR<1.22)，插損<0.3 dB。

為完成測試設置，需要電纜、衰減器和示波器。使用優質低損耗電纜連接靶、衰減器和示波器。電纜總長要保持在1米以內，這樣才能滿足IEC和ANSI標準。ANSI C63.16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引發的干擾。在標準開發過程中之所以規定使用法拉第板，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數量。

目前，大多數高速數字示波器，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，就能防止數字示波器中不想要的觸發了。

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，就可以得到經過并聯的實際電壓，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。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。在使用數字示波器時，還必須注意采樣率。數字示波器在可用帶寬上的響應比較平坦，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。

目前大多數數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，數字示波器的測量精度要更高。其次，數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-電纜鏈條會產生一定的信號幅度損耗。不同測試設置之間的損耗變化，DC ~ 1 GHz時必須在±0.3 dB，1 GHz ~ 4 GHz時必須在±0.8 dB。表1顯示了<1 dB的系統精度變化會大大影響測量精度。

表1. 系統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700 ps，那么示波器的帶寬至少要達到4 GHz，才能實現<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系。

為了更好的測量ESD的電流脈沖波形，把示波器設置成單次模式，使用正邊沿觸發。把觸發電平設置成剛好高于0。可能要稍微調節觸發電平，以捕獲整個波形。把垂直靈敏度設置成200mV/div或400mV/div (視選擇的靜電放電模擬器的電壓而定)，把時基設置成20ns/div。假設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3.5GHz的帶寬。沒有足夠的帶寬或采樣率，上升沿的數據采集是不準確的。下圖呈現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，當設置的采樣率不同時，測得的結果也不同。這可能導致ESD模擬發生器在較低采樣率的測試時能夠通過標準，但實際上當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置下的測量波形

當購買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？

標準規定，在進行ESD模擬發生器的校準之前，示波器和ESD電流靶 – 衰減器 – 電纜都需進行統一校準。如果電流靶的校準沒有配備相應的衰減器和電纜，當使用新的衰減器和電纜時，電流靶需要進行再校準。或者使用人員可以表征其已有的電纜和衰減器，然后從數值上進行補償計算。
標準規定，校準所用的電纜應該為屏蔽良好，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。大多數高速示波器采用了SMA或者改良的BNC接頭。
標準規定，衰減器需要有4GHz內平坦的頻率響應，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。