有源探頭連接電路和示波器

大多數工程師認為：在進行測試測量時，示波器的帶寬是保證測量有效的首要因素。顯然，在能提供3G帶寬的示波器上使用500M的差動探頭毫無意義。但是并不能只用單一的標準來分析探頭的有效帶寬和工作特性。本文重點討論了用于1GHz及以上測量的差動示波器探頭。

得到帶寬了?

LeCroy產品管理總監MichaelLauterbach博士說：“比如你購買了一個1GHz的示波器和1GHz的探頭，假設這個示波器和探頭具有類高斯型的帶寬， 那么系統帶寬就只能達到700MHz。如果能夠選擇探頭，應挑選帶寬比示波器帶寬更寬一些的探頭。購買1．5GHz探頭就能夠在示波器上實現1GHz的系統帶寬，雖然成本是會上升一點。”但是當生產廠商向客戶提出這樣建議時，客戶往往認為是生產廠商想多賺他們一點錢。

泰克公司產品線市場經理KenPrice指出，工程師還必須明白探頭的帶寬規格所表示值已經衰減到—3dB。因此，不要試圖用1GHz帶寬的探頭和示波器去測量一個IGHz的信號。

探頭頭部也會影響系統帶寬。安捷倫科技InfiniiMax產品經理LonHintze說：“工程師可能不明白，同一個差動放大器分別與探頭頭部“A”和探頭頭部“B”連接時所提供的帶寬是不一樣的。這一發現會使示波器的用戶大吃一驚，因此需要檢查探頭頭部和放大器的帶寬規格。”工程師還會發現并不是所有的探頭頭部能夠與生產廠商提供的每一款探頭的放大器匹配使用。

即使是最好的探頭也會輕微地改變信號的測量。當工程師連上示波器探頭進行測量時，他們就觀察電路啟動或停止。實際上，在測試時探頭已成為電路的一部分并改變了其特性。顯然，生產廠商的目標是設計對電路的改變盡可能小的探頭。”

負載也需要考慮

為了幫助工程師確定負載，探頭供應商會提供探頭一負載信息，它給出了DC條件下的輸入阻抗。高頻探頭還會有阻抗一頻率曲線，工程師可以根據其特性選擇與他們的測量任務相匹配的探頭。安捷倫的LonHintze說：“工程師應當使阻抗信息和他要觀測的信號頻率相一致，因此要預先從探頭—示波器系統中了解性能類型。”

安捷倫的RD項目經理MikeMcTigue解釋說：“客戶可以使用我們的SPICE數據——這些數據建立了輸入阻抗與頻率關系的模型——來研究探頭負載是如何影響他們的電路和測量結果的。”公司提供幾乎所有的高頻示波器探頭的SPICE模型。

LeCroy的MikeLauterbach說：“在低頻時，探頭表現為純阻性負載。工程師知道當測量高頻信號時，探頭就會像是容性負載。工程師很關注容性負載，因此探頭制造商都提供電容規格。”

Lauterbach說：“但是許多工程師在頻率越來越高時測量信號并沒有考慮到探頭的感性負載。如果用戶想要通過感應器發送信號，那么信號越快，感應器吸收的能量越多。如果一個很快的邊沿信號經過電容，那么幾乎沒有時間將信號中的能量卸載并充到電容。在高頻情況下，感性負載占統治地位。在頻率高于IGHz時，感性負載更為重要，但是大多數生產廠商在他們的數據表中并沒有包含感性負載的規格。”

每個探頭都會給電路帶來一定的電感、電阻和電容，因此用戶在探頭的阻抗一頻率曲線中會看到LRC諧振的影響。Lautcrbach說：“好的設計能夠將諧振排除在探頭工作帶寬之外。許多工程師并沒有考慮到這一點。”由等效LRC電路引起的下凹(notch)在阻抗曲線的衰減部分會表現為一個微小的凹陷或是表現為在工作帶寬中阻抗上的一些凹陷點。據Lauterbach稱在阻抗28 時會觀察到一個下凹。他強調說：“仍然可以使用因LRC效應導致的小凹陷的探頭，只是要避免使用它測量那些在要測量的頻率下會含有能量的信號。”

噪聲因素

快速數據傳輸部分地依靠于小幅度信號，這是因為電路改變小幅度信號狀態比改變較高幅度信號狀態更容易。另外，新型IC—工藝的擊穿電壓越來越低，而且幅值較小的信號產生的EMI較小。但是，隨著設計人員將依靠低幅值信號的器件融入設計中，他們將測量中的問題合成化了。因此，除了要驗證探頭的帶寬規格，工程師還需要探頭的差動放大器的噪聲規格。安捷倫的LonHintze說：“遺憾的是，那些信息只可能出現在腳注或附注中。工程師在拿到探頭后發現它給信號帶來了很多干擾，這時他們會感到很失望”。

安捷倫的MikeMcTigue說：“所有探頭都會給信號帶來噪聲，這是物理特性。比如說，一個設計團隊想探測50mV峰一峰差動信號，他們打算用一個2．5mVrms噪聲等級的探頭。峰—峰噪聲達到大約2．5mV的八倍，即20rev。在這種情況下，50mV信號看上去就不明顯了。這需要考慮對探頭噪聲特性進行分析。”

那么，工程師如何測量這么小的信號呢?McTigue解釋說：“他們可以將設計或電路板‘固定’，然后直接將信號送到示波器。示波器的噪聲等級大約是0．4mVrms，這比探頭中噪聲總計低10倍。但是這種解決方案并不是探測。相反，工程師把全部信號直接送到示波器。通過探頭能夠快速觀察一下信號，而探頭也不會損耗太多的能量。”

探頭的物理特性

盡管需要認真考慮示波器一探頭的電氣特性，對物理探測能力也是同樣。如果不能獲取信號，那么即使用最好的差動放大器也無濟于事。泰克公司的KenPrice說：“對于今天很多苛刻的應用環境，由于以下幾個原因手持式探測器正快速退出應用。第一，測試點越來越小；第二，測試點密度在增加”。

焊入式(solder-in)技術不斷為大家接受，特別是在模擬電路中。工程師將探頭焊在適當位置以確保可靠的連接。但是，在移動焊入式探頭時就會產生問題。Price指出：“我們看到工程師為邏輯分析儀設計標準的測試模式。雖然工程師并不總是有電路板空間來容納這些測試點，我們還是期望著出現在示波器——探頭應用中的技術。”

如果工程師有幸還有額外的電路板空間，他們就可以選擇加入阻抗受控(controlled-impedance)的SMA連接器來實現與信號的聯系。一般的，差動信號要求在每一側有——個SMA連接器。工程師可以占用兩個通道，將這兩個信號直接送到示波器，然而，生產廠商提供了帶有兩個SMA連接器的專用差動示波器探頭。泰克公司的市場工程師AndyHeltborg說：“這類示波器能夠捕獲差動信號，保持高的信號完整性，并能將單端差動信號傳送到示波器。工程師無須用四個通道來觀察兩個差動信號，他們能夠在四個通道的示波器上觀察四個差動信號線路。”泰克的SMA探頭帶有信號線，其線到線時滯為lpsec。