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五、 示波器探頭原理

對于示波器來說，其輸入接口一般是BNC或者SMA、3.5mm接頭、2.92mm接頭、1.85mm接頭等同軸接口。如果被測件的輸出使用的是類似的同軸接口連接器，可以通過電纜直接連接示波器； 而如果要測試的是PCB板上的信號，或者被測信號使用的不是同軸的連接器，就需要用到相應(yīng)的示波器探頭。任何使用過示波器的人都接觸過探頭，通常所說的示波器是用來測電壓信號的(也有測光或電流的，都是先通過相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)成電壓量測量)，探頭的主要作用是把被測的電壓信號從測量點(diǎn)引入示波器進(jìn)行測量。圖5.1是各種各樣的示波器探頭。

圖5.1各種各樣的示波器探頭

1. 探頭的寄生參數(shù)大部分人會比較關(guān)注示波器本身的使用，卻忽略了探頭的選擇。實(shí)際上，探頭是介于被測信號和示波器之間的中間環(huán)節(jié)，如果信號在探頭處就已經(jīng)失真了，那么示波器做得再好也沒有用。圖5.2是一個(gè)例子，通常的500MHz的無源探頭本身的上升時(shí)間約為700ps，通過這個(gè)探頭測試一個(gè)上升時(shí)間為530ps的信號，即使不考慮示波器帶寬的影響，經(jīng)過探頭后信號的上升時(shí)間已經(jīng)變成了860ps。因此，探頭對于測量的影響是不能忽略不計(jì)的。

圖5.2探頭帶寬對上升時(shí)間測量的影響

對于高斯頻響的示波器和探頭，探頭和示波器組成的測量系統(tǒng)的帶寬通常可以用以下公式計(jì)算：

BW=1(1/BW2scope) (1/BW2probe) …

而對于平坦響應(yīng)的示波器和探頭來說，其組成的測量系統(tǒng)的帶寬取決于帶寬最小的那部分。由此可見，探頭以及連接方式對于測試系統(tǒng)的影響是很大的。實(shí)際上，探頭的設(shè)計(jì)要比示波器難得多，因?yàn)槭静ㄆ鲀?nèi)部可以做很好的屏蔽，也不需要頻繁拆卸，而探頭除了要滿足探測的方便性的要求以外，還要保障至少和示波器一樣的帶寬，難度要大得多。回顧示波器的發(fā)展歷史，很多當(dāng)時(shí)高帶寬的實(shí)時(shí)示波器在剛出現(xiàn)時(shí)是沒有相應(yīng)帶寬的探頭的，通常要遲一段時(shí)間相應(yīng)帶寬的探頭才會推出。要選擇合適的探頭，首要的一點(diǎn)是要了解探頭對測試的影響，這其中包括兩部分的含義： 探頭對被測電路的影響以及探頭本身造成的信號失真。理想的探頭應(yīng)該是對被測電路沒有任何影響，同時(shí)對信號沒有任何失真的。遺憾的是，沒有真正的探頭能同時(shí)滿足這兩個(gè)條件，通常都需要在這兩個(gè)參數(shù)間做一些折中。為了考量探頭對測量的影響，通常可以把探頭的輸入電路簡單等效為如圖5.3所示的R、L、C的模型(實(shí)際上的模型比這個(gè)要復(fù)雜得多)，測試時(shí)需要把這個(gè)模型與被測電路放在一起分析。

圖5.3簡化的R、L、C探頭模型

首先，探頭本身有輸入電阻。與萬用表測電壓的原理一樣，為了盡可能減少對被測電路的影響，要求探頭本身的輸入電阻Rprobe要盡可能大。但由于Rprobe不可能做到無窮大，所以就會與被測電路產(chǎn)生分壓，使得實(shí)際測到的電壓可能不是探頭真實(shí)的電壓，這種情況在一些電源或放大器電路的測試中會經(jīng)常遇到。為了避免探頭電阻負(fù)載造成的影響，一般要求探頭的輸入電阻要大于源阻抗以及負(fù)載阻抗至少10倍以上。大部分探頭的輸入阻抗在幾十kΩ到幾十MΩ之間。其次，探頭本身有輸入電容。這個(gè)電容不是刻意做進(jìn)去的，而是探頭的寄生電容。這個(gè)寄生電容是影響探頭帶寬的最重要因素，因?yàn)檫@個(gè)電容會衰減高頻成分，把信號的上升沿變緩。通常高帶寬的探頭寄生電容都比較小。理想情況下探頭的寄生電容Cprobe應(yīng)該為0，但是實(shí)際做不到。一般無源探頭的輸入電容在10pF至幾百pF間，帶寬高些的有源探頭輸入電容一般在0.2pF至幾pF間。由于寄生電容的存在，探頭的輸入阻抗(注意，不是直流輸入電阻)隨著頻率會下降，從而影響探頭的帶寬。圖5.4是兩種常用探頭的輸入阻抗隨頻率變化的曲線，兩種探頭的輸入阻抗在直流情況下都是高阻的： 最普遍使用的500MHz帶寬的高阻無源探頭在直流情況下有10MΩ的輸入阻抗，另一款2GHz帶寬的單端有源探頭的輸入阻抗在直流情況下是1MΩ。但是由于左邊的高阻無源探頭有更大的寄生電容，因此隨著頻率的增加，其輸入阻抗隨頻率增加下降得更快，當(dāng)頻率達(dá)到70MHz時(shí)，其輸入阻抗已經(jīng)遠(yuǎn)小于寄生電容更小的有源探頭。因此，輸入寄生電容對于探頭帶寬的影響是非常大的。

圖5.4無源探頭和有源探頭的輸入阻抗隨頻率變化曲線

，探頭輸入的信號還會受到寄生電感的影響。探頭的輸入電阻和電容都比較好理解，探頭輸入端的電感卻經(jīng)常被忽視，尤其是在高頻測量時(shí)。電感來自于哪里呢？我們知道有導(dǎo)線就會有電感，探頭和被測電路間一定會有一段導(dǎo)線連接，同時(shí)信號的回流還要經(jīng)過探頭的地線。對示波器探頭常用的地線而言，通常1mm探頭的長度會有大約1nH的電感，信號和地線越長，電感值越大。如圖5.5所示，探頭的寄生電感和寄生電容組成了諧振回路，當(dāng)電感值太大時(shí)，諧振頻率很低，很容易在輸入信號的激勵(lì)下產(chǎn)生高頻諧振，造成信號的失真。所以高頻測試時(shí)需要嚴(yán)格控制信號和地線的長度，否則很容易產(chǎn)生振鈴。關(guān)于這段引線造成的信號振蕩問題，后面還有專門章節(jié)介紹。

圖5.5探頭寄生電感引起的諧振

在了解探頭的結(jié)構(gòu)之前，還需要先了解示波器輸入接口的結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@是連接探頭的位置，示波器的輸入接口電路和探頭共同組成了我們的探測系統(tǒng)。大部分的示波器輸入接口采用的是BNC或兼容BNC的形式(有些高帶寬的示波器會采用一些支持更高頻率的同軸接口，例如2.92mm或1.85mm的同軸接口)。如圖5.6所示，很多通用的示波器在輸入端有1MΩ或50Ω可切換的匹配電阻(高帶寬示波器通常只有50Ω輸入)。示波器的探頭種類很多，但是示波器的匹配只有1MΩ或50Ω兩種選擇，不同種類的探頭需要不同的匹配電阻形式。

圖5.6示波器輸入端的匹配電阻

從電壓測量的角度來說，為了對被測電路影響小，示波器可以采用1MΩ的高輸入阻抗，但是由于高阻抗電路的帶寬對寄生電容的影響很敏感。所以1MΩ的輸入阻抗廣泛應(yīng)用于500MHz帶寬以下的測量。對于更高頻率的測量，通常采用50Ω的傳輸線，所以示波器的50Ω匹配主要用于高頻測量。傳統(tǒng)上來說，市面上100MHz帶寬以下的示波器大部分只有1MΩ輸入，因?yàn)椴粫糜诟哳l測量； 100MHz~2GHz帶寬的示波器大部分有1MΩ和50Ω的切換選擇，同時(shí)兼顧高低頻測量； 2GHz或更高帶寬的示波器由于主要用于高頻測量，所以大部分只有50Ω輸入。不過隨著市場的需求，有些2GHz以上的示波器也提供了1MΩ和50Ω的輸入切換。廣義上來說，測試電纜也屬于一種探頭，例如BNC或SMA電纜，而且這種探頭既便宜性能又高(前提是電纜的質(zhì)量不要太差)，但是使用測試電纜連接時(shí)需要在被測電路上也有BNC或SMA的接口，所以應(yīng)用場合有限，主要用于射頻和微波信號測試。對于數(shù)字或通用信號的測試，很多時(shí)候還是需要專門的探頭。圖5.7是示波器中常用的一些探頭的分類。

圖5.7示波器中常用探頭的分類

示波器的探頭按是否需要供電可以分為無源探頭和有源探頭，按測量的信號類型可以分為電壓探頭、電流探頭、光探頭等。所謂的無源探頭，是指整個(gè)探頭都由無源器件構(gòu)成，包括電阻、電容、電纜等； 而有源探頭內(nèi)部一般有放大器，放大器是需要供電的(可能通過示波器接口供電或外部電源、電池供電)，所以叫有源探頭。下面章節(jié)將對示波器中常用的探頭逐一介紹。2. 高阻無源探頭無源探頭是指探頭內(nèi)部沒有需要供電的有源器件，無源探頭根據(jù)輸入阻抗的大小又分為高阻無源探頭和低阻無源探頭兩種。高阻無源探頭即通常所說的無源探頭，應(yīng)用最為廣泛，基本上每個(gè)使用過示波器的人都接觸過這種探頭。高阻無源探頭與示波器相連時(shí)，要求示波器端的輸入阻抗是1MΩ。圖5.8是一個(gè)10∶1高阻無源探頭的原理框圖(圖中的電阻、電容的參數(shù)對于不同型號的探頭和示波器會有不同，僅供參考)。

圖5.8高阻無源探頭的原理

為了方便測量，無源探頭通常都會有約1m長的連接線，如果不加匹配電路，很難想象探頭能夠在這么長的信號路徑上提供數(shù)百M(fèi)Hz的測量帶寬。另外，示波器的輸入端也有寄生電容，也會影響帶寬。為了改善探頭的高頻相應(yīng)，高阻無源探頭前端會有相應(yīng)的匹配電路，最典型的就是一個(gè)Rtip和Ctip的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。簡單地說，探頭要在帶內(nèi)產(chǎn)生平坦增益的一個(gè)條件是要滿足Rtip Ctip = Rscope Cscope，具體計(jì)算過程就不做了，感興趣的讀者可以自己推導(dǎo)一下，更復(fù)雜的情況除了需要考慮示波器的寄生電容以外，還需要考慮探頭電纜本身的電容Ccable。前面介紹過，Cscope是示波器的寄生電容，所以其數(shù)值可以通過工藝控制在一定范圍內(nèi)，但不能設(shè)定，也就是說不同示波器或示波器的不同通道間Cscope的值會不太一樣。為了補(bǔ)償不同通道Cscope的變化，一般的高阻無源探頭在連接示波器的一端處一般至少會有一個(gè)可調(diào)電容Ccomp。當(dāng)探頭接在不同通道上時(shí)，可以通過調(diào)整Ccomp補(bǔ)償Cscope的變化。幾乎所有示波器都可以提供一個(gè)低頻方波的輸出，通過觀察探頭測量到的這個(gè)方波的形狀可以調(diào)整Ccomp的值。圖5.9是幾種在示波器屏幕上可能看到的方波的形狀。

Rprobe在改善頻響的同時(shí)會和示波器輸入電阻產(chǎn)生一個(gè)分壓，這個(gè)分壓比最常見的是10∶1的分壓。所謂10∶1，就是指經(jīng)過探頭進(jìn)入示波器中的實(shí)際電壓是真實(shí)信號電壓的1/10，也就是信號經(jīng)過探頭會有一個(gè)10倍衰減。有些比較簡單的探頭可能需要手工設(shè)置示波器的探頭衰減倍數(shù)才能在示波器上得到正確的電壓顯示，更多的探頭在與示波器連接端有一個(gè)自動檢測的針腳(里面有不同的電阻代表不同的衰減比含義)，如圖5.10所示。當(dāng)探頭插上時(shí)示波器可以通過這個(gè)針腳讀出探頭的衰減比，并自動調(diào)整顯示的比例。

圖5.9無源探頭的補(bǔ)償電路對方波測量的影響

圖5.10探頭衰減比的檢測針腳

高阻無源探頭中還有2個(gè)特殊的種類。一類是高壓探頭，其衰減比可達(dá)100∶1或1000∶1，所以測量電壓范圍很大。還有一類是1∶1的探頭，即信號沒有衰減就進(jìn)入示波器，由于不像10∶1的探頭那樣需要示波器再放大顯示，所以示波器本身的噪聲不會被放大，在小信號和電源紋波的測量場合應(yīng)用很多。1∶1的探頭前端沒有充分的信號高頻補(bǔ)償電路，因此帶寬一般不高，通常在50MHz以下。高阻無源探頭的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，同時(shí)輸入阻抗高，測量范圍大，連接方便，所以廣泛應(yīng)用于通用測試場合。但是隨著測試頻率的提高，各種二階寄生參數(shù)很難控制，僅僅靠簡單的匹配電路已經(jīng)不能再提高帶寬了，所以一般高阻無源探頭的帶寬都在1GHz以下。表5.1是一些典型的高阻無源探頭的主要參數(shù)。

表5.1常用高阻無源探頭的主要參數(shù)

Model NumberBandwidth(-3dB)AttenuationRatioInput CInput R(Scope and Probe)Scope InputCouplingScope CompRangeN2870A35MHz1∶139pF( oscilloscope)1MΩ1MΩ-

N2871A200MHz10∶19.5pF10MΩ1MΩ10~25pFN2872A350MHz10∶19.5pF10MΩ1MΩ10~25pFN2873A500MHz10∶19.5pF10MΩ1MΩ10~25pF

3. 無源探頭常用附件無源探頭是大家使用示波器時(shí)最常用到的探測工具，針對不同的場合會使用不同的探頭。最通用的一種探頭是高阻無源探頭，前端一般是一個(gè)鱷魚夾的地線夾和一個(gè)探測信號的鉤子。這種方法適用于大部分通用的探測場合，但并不是全部。針對某些特殊的應(yīng)用，用戶可能會需要更多更靈活的連接方式，例如針對封裝密度比較高的芯片或者要做長時(shí)間測量的場合。探頭廠家隨著探頭一般也會提供一些常用的附件，圖5.11是典型的隨著高阻無源探頭發(fā)貨時(shí)配置的常用附件。

圖5.11高阻無源探頭的常用附件

除了這些隨探頭發(fā)貨的附件，無源探頭還可以額外訂購很多種不同的附件以用于不同的測量場合。由于大部分用戶都不太清楚這些附件如何使用，這里將對無源探頭的一些附件和應(yīng)用場合進(jìn)行簡單介紹，以方便用戶選擇。首先從地線說起。通常探頭標(biāo)配的15cm長的黑色的地線夾可以實(shí)現(xiàn)比較方便的地線連接，但是這么長的地線由于電感效應(yīng)在測高頻信號時(shí)會產(chǎn)生比較大的振蕩，在有開關(guān)電源的場合還會耦合進(jìn)很大的噪聲。可能很多人都忽略的是，即使是500MHz的無源探頭在使用這種長地線時(shí)帶寬也最多只能達(dá)到200~300MHz。所以如果要做高頻測量，就需要換相應(yīng)的短地線，例如一些短的彈簧針或彈簧片等。使用這種短的接地線所帶來的一個(gè)問題是可能探測點(diǎn)附近找不到合適的接地點(diǎn)，而如果再通過長引線接地又會增加額外電感，所以可以通過相應(yīng)的接地銅片把參考地引到探測點(diǎn)附近。銅片本身的橫截面積比較大，所以其電感很小，可以提供一個(gè)比較理想的地參考點(diǎn)。圖5.12是用彈簧接地片配合接地銅片進(jìn)行測試。

圖5.12無源探頭的彈簧地針和接地銅片

再說一下信號的探測問題。大家都知道探頭前面的探鉤拔掉后可以用前端的探針點(diǎn)在被測信號上做測量，但是這個(gè)探針如果太粗則不太方便測一些高密度的管腳，而如果太細(xì)則用久了又有可能會損壞。所以有些探頭還會提供一些備件，可以方便用戶更換。如圖5.13所示，更換時(shí)用鉗子把原有探針拔下?lián)Q上新的就行了。

對于有些密度比較高的QFP或DIP封裝器件，如果想用探針直接在芯片的管腳上做探測通常要非常小心，因?yàn)樘结樣锌赡軙_從而造成相鄰的兩個(gè)管腳短路。針對這種應(yīng)用，有些探頭還提供了一些楔形的塑料帽，如圖5.14所示。使用時(shí)把這些塑料帽套在探頭前端，其楔形結(jié)構(gòu)可以貼合在被測管腳上，保障探頭尖的接觸同時(shí)又不會滑開，從而避免了短路的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)不同的管腳間距通常有一組塑料帽，例如可以支持的管腳間距為0.5~1.27mm不等。

圖5.13無源探頭前端探針的更換

圖5.14用于芯片管腳測量的楔形塑料帽

對于板上信號測試的另一種方法是使用套筒或非常小的抓鉤，如圖5.15所示。套筒比較適合直接連接板上的插針，而套筒前面附帶的抓鉤則可以方便地勾在芯片的管腳或針腳上，有些小的抓鉤可以支持最小0.5mm的管腳間距。當(dāng)然，這種方法由于使用的地線和信號線比較長，在提供方便性的同時(shí)也會影響探頭的帶寬。

圖5.15無源探頭的套筒和抓鉤

如果希望盡可能方便、地測量，可以在設(shè)計(jì)PCB時(shí)對關(guān)心的信號預(yù)留一個(gè)探頭的適配器，需要測試時(shí)只要把探頭插在適配器上就行了，這樣既保障了帶寬，又方便了測量。而如果被測信號直接可以提供同軸連接器的輸出，例如BNC接口，那還可以通過如圖5.16所示的BNC適配器與BNC電纜直接相連，非常方便。

還有一些測試(例如抖動、眼圖、模板等測試)由于要測量時(shí)間較長，所以需要脫手測試。手持的方法雖然方便但不也不能持續(xù)很長時(shí)間。最簡單的脫手測試方法是把探頭套在一個(gè)兩腿的探頭夾上，依靠重力壓在被測點(diǎn)上。對于一些復(fù)雜的場合，還可以選擇三維的探頭手臂，它可以把探頭夾住并根據(jù)需要調(diào)整探測的位置和角度。這種三維的探頭架要做得好的話價(jià)格很貴，甚至?xí)^一個(gè)普通無源探頭的價(jià)格，所以只在一些特殊測場合才會用到。圖5.17是一些不同種類的探頭固定支架。

圖5.16無源探頭的BNC適配器

圖5.17不同種類的探頭固定支架

除此之外，無源探頭通常還會配一個(gè)小起子用來調(diào)整匹配電容，或者有些色環(huán)可以套在探頭上以區(qū)分不同的通道，這里就不再贅述。4. 低阻無源探頭

圖5.18低阻無源探頭的原理框圖

除了高阻無源探頭以外，還有一種無源探頭是低阻無源探頭，這種探頭又稱為傳輸線探頭，雖然其應(yīng)用場合不如高阻無源探頭多，但有其自身的特點(diǎn)。圖5.18是這種探頭的原理框圖。

低阻無源探頭的外觀可能與高阻無源探頭類似，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)不一樣。其等效電路是在前端串聯(lián)了一個(gè)分壓電阻，使用時(shí)要求示波器的輸入阻抗設(shè)置為50Ω。根據(jù)串阻阻值的不同，可以實(shí)現(xiàn)不同的分壓比，例如串聯(lián)一個(gè)450Ω的電阻就是10∶1的分壓。由于采用50Ω的傳輸電纜(這點(diǎn)與高阻無源探頭不一樣)，示波器端也是50Ω的匹配，所以整個(gè)探頭的帶寬比較高，可達(dá)數(shù)GHz。表5.2是兩種低阻無源探頭的主要參數(shù)。

表5.2兩種低阻無源探頭的參數(shù)

ModelNumberBandwidth(-3dB)AttenuationRatioInput CInput R(Scope and Probe)Max InputVoltage(AC RMS)Scope InputCouplingN2874A1.5GHz10∶11.8pF500Ω8.5V CAT I50Ω

N2876A1.5GHz100∶12.2pF5kΩ21V CAT I50Ω

低阻無源探頭的較大好處是以比較低的價(jià)格提供了比較高的測試帶寬(可達(dá)數(shù)GHz)，缺點(diǎn)主要是輸入阻抗低(一般在50Ω~5kΩ)。這種無源探頭由于輸入阻抗低，測試中如果并聯(lián)在電路中可能會改變被測電路的阻抗和分壓關(guān)系，會對被測信號產(chǎn)生影響，特別是用于測量高輸出阻抗的電路時(shí)，因此應(yīng)用不是特別廣泛。5. 有源探頭前面介紹過： 高阻無源探頭的輸入阻抗高，但帶寬做不高； 低阻無源探頭帶寬可以做高但輸入阻抗不高。那么是否有一種探頭輸入阻抗高同時(shí)帶寬又高呢？這就是有源探頭。有源探頭泛指需要供電的探頭，這種探頭中一般有專門的放大器電路，由于放大器需要供電，因此稱為有源探頭。有源探頭也分為很多種，例如單端有源探頭、差分有源探頭、電流探頭等。圖5.19是單端有源探頭的工作原理。

圖5.19有源探頭工作原理

有源探頭的前端有一個(gè)高帶寬的放大器，一般放大器的輸入阻抗都是比較高的，所以有源探頭可以提供比較高的輸入阻抗； 同時(shí)，放大器的輸出驅(qū)動能力又很強(qiáng)，所以可以直接驅(qū)動后面50Ω的負(fù)載和傳輸線。50Ω的傳輸線可以提供很高的傳輸帶寬，再加上放大器本身帶寬較高，所以整個(gè)探頭系統(tǒng)相比無源探頭就可以提供更高帶寬。有源探頭的優(yōu)異特性得益于放大器可以盡可能靠近被測電路從而信號環(huán)路很小，減小了很多寄生參數(shù)，但是這個(gè)高帶寬的放大器造價(jià)很高，而且又要放在探頭前端有限的空間內(nèi)，因此實(shí)現(xiàn)成本很高。一般無源探頭的價(jià)格都是幾百美元，而有源探頭的價(jià)格普遍在幾千美元甚至幾萬美元量級。圖5.20是一款2GHz帶寬的單端有源探頭，可以看到，其在提供2GHz帶寬的同時(shí)提供了1MΩ的輸入阻抗，很好地平衡了帶寬和輸入阻抗的要求。高帶寬有源探頭會要求示波器端采用50Ω的匹配方式，以保障后端的傳輸帶寬，需要注意這個(gè)50Ω是指示波器端所采用的阻抗匹配方式，探頭本身的輸入阻抗還是高阻的。

圖5.20一種2GHz帶寬的單端有源探頭

但是有源探頭也不是沒有缺點(diǎn)，限制有源探頭廣泛應(yīng)用的因素除了價(jià)格高外，還有一個(gè)原因在于其有限的動態(tài)范圍。一般高帶寬放大器可以正常工作的電壓范圍都不大，所以高帶寬的有源探頭也不可能有無源探頭那么大的電壓測量范圍。一般常用的10∶1的高阻無源探頭較大可以測量的電壓為幾百伏，而有源探頭的典型動態(tài)范圍都在幾伏以內(nèi)，甚至有些幾十GHz帶寬的有源探頭的輸入動態(tài)范圍只有1V多，所以應(yīng)用場合會受到限制。單端的有源探頭上會有一個(gè)接地插孔，通過地線可以連接被測電路。但是這種結(jié)構(gòu)也造成地環(huán)路較大，接地環(huán)路的電感效應(yīng)會限制有源探頭的可用帶寬，因此當(dāng)要探測比較高頻的信號時(shí)，也要使用盡可能短的接地線。由于同樣的原因，更高帶寬的單端有源探頭即使被設(shè)計(jì)出來也因?yàn)閷τ诮拥丨h(huán)路的苛刻要求而變得非常不實(shí)用，因此單端有源探頭的帶寬一般在6GHz以內(nèi)，更高帶寬的測量只能使用差分有源探頭(有些型號的差分有源探頭可以同時(shí)兼顧單端測試)。6. 差分有源探頭差分有源探頭是一種特殊的有源探頭，與普通單端有源探頭的區(qū)別在于其前端的放大器是差分放大器，如圖5.21所示。差分放大器的好處是可以直接測試高速的差分信號，同時(shí)其共模抑制比高，對共模噪聲的抑制能力比較好。

圖5.21差分有源探頭原理

圖5.22一種30GHz的高帶寬差分探頭

差分探頭都是有源的，因?yàn)槔锩嬗胁罘址糯笃鲗φ?fù)信號相減。差分探頭也分為兩類： 一種是高帶寬的差分探頭，另一種是高壓的差分探頭。

高帶寬差分探頭主要用于高速信號的測試領(lǐng)域，單端的有源探頭由于地線環(huán)路較長，其探頭帶寬很少超過6GHz，對于更高帶寬的測試領(lǐng)域，一般都是使用差分探頭。另外，當(dāng)信號速率比較高時(shí)，特別是高速率的數(shù)字信號，基本都是采用差分的傳輸方式，用差分探頭可以直接測試到正負(fù)信號相減后的結(jié)果，因此高帶寬的差分探頭在高速數(shù)字信號的測試領(lǐng)域使用非常普遍。圖5.22是一種30GHz帶寬的差分探頭，由探頭放大器和測試前端兩部分組成。

高帶寬差分探頭由于采用了很高帶寬的放大器，通常其輸入量程比較有限，很多高帶寬差分放大器的動態(tài)范圍在5V甚至2.5V以內(nèi)。而且為了保障高的測量帶寬，高帶寬差分探頭的前端要設(shè)計(jì)得非常緊湊以減小信號的環(huán)路。圖5.23是上述30GHz的差分有源探頭中使用的基于磷化銦材料的高帶寬放大器，其和周圍器件一起被封裝在一個(gè)緊湊的屏蔽腔體內(nèi)。

圖5.23高帶寬差分有源探頭里面的放大器電路

在另一些場合下，例如高壓電的測量、CAN總線的測量、RS485總線的測量、1553B總線的測量等場合下，由于信號速率不高，因此對于帶寬要求不高，但是出于接地安全或抗共模干擾等考慮，測試中也需要用差分探頭，這時(shí)就會用到一些能承受比較高電壓輸入的差分探頭。如圖5.24是常用的高壓差分探頭，可以看到其帶寬都不太高(在200MHz以下)，但可以測量的電壓范圍都比較大(幾十伏到幾千伏)。由于其耐高壓和浮地測量能力的特點(diǎn)，在電源或者低速差分總線(如1553B總線)的測試中有廣泛應(yīng)用。

圖5.24常用的高壓差分探頭

除了單端有源探頭和差分有源探頭外，還有一種叫作三模探頭的特殊探頭，三模探頭實(shí)際上是一種特殊的差分探頭。在進(jìn)行差分信號的測試時(shí)需要用戶先連接好信號的正端、負(fù)端以及地信號，通過探頭的內(nèi)部切換，可以實(shí)現(xiàn)差分、單端以及共模這三種模式信號的測量。圖5.25是三模探頭的測量原理。

圖5.25三模探頭的測量原理

7. 有源探頭的使用注意事項(xiàng)高帶寬的有源探頭通常帶寬高、價(jià)格貴，為了保障高的測量帶寬，其前端放大器靈敏度比較高，前端附件設(shè)計(jì)得比較緊湊，因此耐壓低，承受機(jī)械外力的力量較小。而有源探頭一旦損壞，其維修和更換成本又比較高，這里介紹一下有源探頭使用中的注意事項(xiàng)。以Keysight公司的InfiniiMaxⅡ系列1168A/1169A探頭為例，這是專為早期的80000系列和現(xiàn)在的90000系列示波器設(shè)計(jì)的高帶寬差分探頭放大器，可以提供高達(dá)13GHz的典型測量帶寬，支持差分、焊入式、點(diǎn)測和SMA連接方式的連接前端，具有很低的噪聲和平坦的頻率響應(yīng)。圖5.26是探頭放大器及其主要參數(shù)。

圖5.26典型的高帶寬探頭放大器及其主要參數(shù)

這種分體式的探頭放大器需要配合不同種類的前端使用，放大器部分是有源電路，而前端主要是無源的匹配電路，用于提供電氣及機(jī)械的連接，圖5.27是常用的前端類型。

圖5.27差分探頭的常用前端

在高帶寬有源探頭使用過程中有以下注意事項(xiàng)。 使用電壓范圍1169A InfiniiMaxⅡ放大器的帶寬為12GHz (典型值為13GHz),動態(tài)范圍為3.3Vpp,直流偏置范圍為±16V，較大電壓為±30V。在測