有源探头连接电路和示波器

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大多数工程师认为：在进行测试测量时，示波器的带宽是保证测量有效的首要因素。显然，在能提供3G带宽的示波器上使用500M的差动探头毫无意义。但是并不能只用单一的标准来分析探头的有效带宽和工作特性。本文重点讨论了用于1GHz及以上测量的差动示波器探头。

得到带宽了?

LeCroy产品管理总监MichaelLauterbach博士说：“比如你购买了一个1GHz的示波器和1GHz的探头，假设这个示波器和探头具有类高斯型的带宽， 那么系统带宽就只能达到700MHz。如果能够选择探头，应挑选带宽比示波器带宽更宽一些的探头。购买1．5GHz探头就能够在示波器上实现1GHz的系统带宽，虽然成本是会上升一点。”但是当生产厂商向客户提出这样建议时，客户往往认为是生产厂商想多赚他们一点钱。

泰克公司产品线市场经理KenPrice指出，工程师还必须明白探头的带宽规格所表示值已经衰减到―3dB。因此，不要试图用1GHz带宽的探头和示波器去测量一个IGHz的信号。

探头头部也会影响系统带宽。安捷伦科技InfiniiMax产品经理LonHintze说：“工程师可能不明白，同一个差动放大器分别与探头头部“A”和探头头部“B”连接时所提供的带宽是不一样的。这一发现会使示波器的用户大吃一惊，因此需要检查探头头部和放大器的带宽规格。”工程师还会发现并不是所有的探头头部能够与生产厂商提供的每一款探头的放大器匹配使用。

即使是最好的探头也会轻微地改变信号的测量。当工程师连上示波器探头进行测量时，他们就观察电路启动或停止。实际上，在测试时探头已成为电路的一部分并改变了其特性。显然，生产厂商的目标是设计对电路的改变尽可能小的探头。”

负载也需要考虑

为了帮助工程师确定负载，探头供应商会提供探头一负载信息，它给出了DC条件下的输入阻抗。高频探头还会有阻抗一频率曲线，工程师可以根据其特性选择与他们的测量任务相匹配的探头。安捷伦的LonHintze说：“工程师应当使阻抗信息和他要观测的信号频率相一致，因此要预先从探头―示波器系统中了解性能类型。”

安捷伦的R&D项目经理MikeMcTigue解释说：“客户可以使用我们的SPICE数据――这些数据建立了输入阻抗与频率关系的模型――来研究探头负载是如何影响他们的电路和测量结果的。”公司提供几乎所有的高频示波器探头的SPICE模型。

LeCroy的MikeLauterbach说：“在低频时，探头表现为纯阻性负载。工程师知道当测量高频信号时，探头就会像是容性负载。工程师很关注容性负载，因此探头制造商都提供电容规格。”

Lauterbach说：“但是许多工程师在频率越来越高时测量信号并没有考虑到探头的感性负载。如果用户想要通过感应器发送信号，那么信号越快，感应器吸收的能量越多。如果一个很快的边沿信号经过电容，那么几乎没有时间将信号中的能量卸载并充到电容。在高频情况下，感性负载占统治地位。在频率高于IGHz时，感性负载更为重要，但是大多数生产厂商在他们的数据表中并没有包含感性负载的规格。”

每个探头都会给电路带来一定的电感、电阻和电容，因此用户在探头的阻抗一频率曲线中会看到LRC谐振的影响。Lautcrbach说：“好的设计能够将谐振排除在探头工作带宽之外。许多工程师并没有考虑到这一点。”由等效LRC电路引起的下凹(notch)在阻抗曲线的衰减部分会表现为一个微小的凹陷或是表现为在工作带宽中阻抗上的一些凹陷点。据Lauterbach称在阻抗28 时会观察到一个下凹。他强调说：“仍然可以使用因LRC效应导致的小凹陷的探头，只是要避免使用它测量那些在要测量的频率下会含有能量的信号。”

噪声因素

快速数据传输部分地依靠于小幅度信号，这是因为电路改变小幅度信号状态比改变较高幅度信号状态更容易。另外，新型IC―工艺的击穿电压越来越低，而且幅值较小的信号产生的EMI较小。但是，随着设计人员将依靠低幅值信号的器件融入设计中，他们将测量中的问题合成化了。因此，除了要验证探头的带宽规格，工程师还需要探头的差动放大器的噪声规格。安捷伦的LonHintze说：“遗憾的是，那些信息只可能出现在脚注或附注中。工程师在拿到探头后发现它给信号带来了很多干扰，这时他们会感到很失望”。

安捷伦的MikeMcTigue说：“所有探头都会给信号带来噪声，这是物理特性。比如说，一个设计团队想探测50mV峰一峰差动信号，他们打算用一个2．5mVrms噪声等级的探头。峰―峰噪声达到大约2．5mV的八倍，即20rev。在这种情况下，50mV信号看上去就不明显了。这需要考虑对探头噪声特性进行分析。”

那么，工程师如何测量这么小的信号呢?McTigue解释说：“他们可以将设计或电路板‘固定’，然后直接将信号送到示波器。示波器的噪声等级大约是0．4mVrms，这比探头中噪声总计低10倍。但是这种解决方案并不是探测。相反，工程师把全部信号直接送到示波器。通过探头能够快速观察一下信号，而探头也不会损耗太多的能量。”

探头的物理特性

尽管需要认真考虑示波器一探头的电气特性，对物理探测能力也是同样。如果不能获取信号，那么即使用最好的差动放大器也无济于事。泰克公司的KenPrice说：“对于今天很多苛刻的应用环境，由于以下几个原因手持式探测器正快速退出应用。第一，测试点越来越小；第二，测试点密度在增加”。

焊入式(solder-in)技术不断为大家接受，特别是在模拟电路中。工程师将探头焊在适当位置以确保可靠的连接。但是，在移动焊入式探头时就会产生问题。Price指出：“我们看到工程师为逻辑分析仪设计标准的测试模式。虽然工程师并不总是有电路板空间来容纳这些测试点，我们还是期望着出现在示波器――探头应用中的技术。”

如果工程师有幸还有额外的电路板空间，他们就可以选择加入阻抗受控(controlled-impedance)的SMA连接器来实现与信号的联系。一般的，差动信号要求在每一侧有――个SMA连接器。工程师可以占用两个通道，将这两个信号直接送到示波器，然而，生产厂商提供了带有两个SMA连接器的专用差动示波器探头。泰克公司的市场工程师AndyHeltborg说：“这类示波器能够捕获差动信号，保持高的信号完整性，并能将单端差动信号传送到示波器。工程师无须用四个通道来观察两个差动信号，他们能够在四个通道的示波器上观察四个差动信号线路。”泰克的SMA探头带有信号线，其线到线时滞为lpsec。