【转帖】一文了解有源示波器探头无源示波器探头

  探头将示波器的输入端连接到受测试器件 (DUT) 上的测试点。探头分为很多类型，包括：高阻抗无源、低电容、单端有源、差分有源、高电压和电流探头。本文是有关探头选择和应用的三篇系列文章的第一篇，重点介绍无源探头。 第 2 部分和第 3 部分将分别介绍有源探头和电流探头。

  无源探头是一种将示波器连接到受测试器件或电路的很好方法。它们具有低成本和高可靠性的优点，当正确使用时，还提供较为合理的信号完整性。本文将从工作原理入手，通过基本调节和使用，对无源探头进行探讨。我们将讨论影响正确测量的无源探头特征，旨在了解这些装置的最有效应用。

  示波器通常提供 50 Ω 或 1 MΩ 的输入端接。50 Ω 端接通常与匹配的同轴电缆配合使用，以连接到带 50 Ω 电流源的电路元件。这样，不仅能实现高质量的互连，而且只产生最小的信号失线 MΩ 输入端接来连接电路时，源阻抗更高。这种连接能够最终靠多种方式实现，包括直接用电缆或 X1 探头，或者使用高阻抗探头（图 1）。

  图 1： 将信号连接到示波器的 1 MΩ 输入端时，直接连接 (a) 与使用高阻抗探头 (b) 进行连接的电路简化图。

  1 MΩ 输入端还包括从 15 至 25 pF 的分路电容。使用直接连接时，不匹配的电缆会增加额外的电容，每英尺电缆长度增加 10 至 30 微微法拉 (pF)。在 3 英尺长度电缆的典型情况下，电缆的探头端的负载为 1 MΩ，并联电容大约为 90 pF（图 1a）。对于低频率测量，电容负载可忽略不计。例如，在 1 kHz 的频率下，容抗约为 1.8 MΩ。但是，对于更高频率的信号，效果会很差。在 100 MHz 的频率下，容抗降低至大约 18 Ω，这将大幅衰减信号。

  如高阻抗探头（图 1b）所示能减小示波器和连接电缆的输入电容的影响。此探头绝大多数都是补偿衰减器。输入电阻器，标称为 9 MΩ，形成 10:1 衰减器，示波器使用 1 MΩ 输入端接。电容器 Cin 和 Ccomp 被用于补偿衰减器，并形成全通网络。当 Cin 和 Rin 的 RC 乘积等于 Ro 的 RC 乘积以及 Cin 和 Ccomp 的电缆电容的总和时，补偿比较理想。Ccomp 用于调节补偿。输入端的电容取决于 Cin，约为电路中的其他电容器的总和的十分之一。在本例中大约为 10 pF。

  高阻抗无源探头几乎所有主要示波器供应商都在他们的设备中包括了一系列高阻抗探头。 Teledyne LeCroy 的 HDO4104A 四通道、1 GHz 示波器带有四个 PP018-1 探头。它们是 10:1 高阻抗无源探头，带宽为 500 MHz，输入电容为 10 pF。这些探头可处理至少 350 Vrms 的输入电压。

  图 2： PP018 高阻抗探头的带宽为 500 MHz，输入电容为 10 pF。此处还显示了它附带提供的配件。

  大多数无源探头使用衰减检测引脚，通知示波器自动缩放波形，而无需用户输入。

  高阻抗探头的低频率补偿高阻抗探头通过低频率补偿过程，与它们连接到的通道相匹配。对这个过程，所有示波器都提供低频率方波，一般频率为 1 kHz，通常称为 CAL 输出。要利用这项功能，请首先将探头连接到所需的通道，然后将探头尖端连接到 CAL 输出端。触发示波器并在屏幕上查看选定通道轨迹。使用调节工具，在探头连接器盒中更改补偿调节，以获取方波轨迹上的方角，如中间的轨迹所示（图 3）。

  图 3： 通过调节补偿调节，获取 CAL 方波上的方角，对探头进行低频补偿，如中间的轨迹所示。

  每当探头连接到不同通道时，就应该进行补偿，特别是在任何关键测量之前。很多高阻抗探头还提供高频补偿调节。通常不需要执行这种调节。探头手册提供了此测试的详细信息。

  智能探测要正确应用高阻抗探头，一定要注意它的基础原理，避免导致测量的波形出现失真。例如，探头的输入电容将对测量产生什么影响？

  为了找到问题答案，请计算探头在信号的最高频率分量处的容抗 (1/2πfCin)。受测试电路是否支持该负载？如果支持，请继续测试。如果不支持，请寻找不同的探测解决方案，例如有源探头（本系列文章的第 2 部分）。一条很好的经验法则是，高阻抗探头的使用应限于 25 MHz 以下频率的信号。探头手册通常提供了探头输入阻抗与频率的曲线图，以帮助评估探头在任何特定频率下的适用性。

  探头配件也可能会引起问题，特别是在高频率下。一种情况是接地引线 显示的接地引线 cm)。它有很大的电感。当探头连接时，电感两端的任何电压都将与信号串行。让接地路径长度尽可能短是可取的做法。为此，探头附带提供了多种配件。这中间还包括探头尖端接地和 BNC 适配器，可用于这种目的。图 4 比较了使用不相同接地配件来测量阶跃信号的结果，上升时间为 3 纳秒 (ns)。

  图 4： 显示接地引线电感对信号的影响：让接地引线尽可能短是可取的做法，因为它与信号串行产生电感。

  图 4 中的黄色轨迹是来自发生器的信号，它使用 50 Ω 输入端接做测量得到，将作为信号质量的基准。红色轨迹为使用 11 cm 接地引线的结果。引线电感两端形成的信号的高频分量导致了可观察到的波形过冲。探头尖端接地和 BNC 适配器具有大致相同的响应，但过冲却小得多，因为接地路径长度更短，且各自串联电感也比较低。

  正如上文所述，只有在信号具有很大的高频分量时，才会出现这样一种效果。若使用正弦波进行相同的测量，差异可能根本不明显。在使用探头时，请牢记这些效应。

  探头配件及其用途表 1 列出了 PP018-1-ND 探头附带提供的配件及其用途。

  为示波器选择备选探头有一些时候，测量应用可能需要不同的示波器探头。例如，电源测试既需要直接连接，以便进行纹波测量，又需要 x10 高阻抗探头，以便测量电压轨。如果必须在两个探头之间切换，那将会耗费很多时间，但 Digi-Key 列出了多个 x1/x10 可切换探头。这在某种程度上预示着用户无需更换探头，但怎么样确定适当的替代探头呢？

  第一个步骤是确定测量所需的带宽。在本例中，100 MHz 以下的探头带宽即可满足需求。确定探头的最大额定电压，以确保它符合测量要求。最后，确认示波器的输入电容在探头 x10 规范的补偿范围内。

  结论要正确应用高阻抗无源探头，就要掌握有关测试问题和技术的基本知识，还需要具备一些经验，此类探头是一种很好的通用工具，用于将示波器连接到测试电路。请记住，它们并不是探测问题的唯一解决方案，但提供了经济高效的着手点。

  编者按：这篇有关有源探头的文章是关于探头及其正确使用方法的三部曲系列文章的第二篇。第 1 部分介绍了高阻抗无源探头。本文将讨论单端、差分、高压差分有源探头。第 3 部分将介绍电流探头。

  与无源探头相比，有源探头可提供更大的带宽和更低的输入电容。在本文中，我们将对照无源探头来介绍有源探头的特征。我们将同时对单端和差分探头进行研究，另外还将介绍探头配件的正确使用方法。

  为什么使用有源探头？无源探头很适合带宽在 50 MHz 以下的测量应用。这是因为无源探头的输入电容在 9 或 10 皮法 (pF) 范围内。这样做才能够加载受测试器件。这些负载效应随频率提高而增加。为了尽最大可能避免这种负载效应，有源探头在无源探头的补偿衰减器和示波器输入之间插入了一个放大器（图 1）。

  该放大器对连接电缆进行缓冲，让电缆能够端接到标称值为 50 Ω 的特征阻抗。这样可将探头与电缆的容性负载和示波器的输入电路隔离开。该放大器旨在最大限度减小输入电容，标称值为 4 pF。而补偿衰减器进一步减小了此电容。为实现 10:1 衰减，预期的输入电容约为 0.4 pF。但是，输入保护电路和探头尖端五金额外增加了电容。

  图 1：高阻抗无源探头和单端有源探头的简化原理图，放大器对连接电缆和示波器输入进行缓冲，同时提供低输入电容。

  低输入电容扩大了有源探头的有用频率范围。在图 2 中能够正常的看到这一点，该图将 10:1 高阻抗无源探头的输入阻抗与 ZS1000 的输入阻抗进行了比较。

  图 2：高阻抗无源探头和 ZS1000 单端有源探头的频率输入阻抗函数曲线。

  相比无源探头的 10 MΩ 输入阻抗和 9.·5 pF 输入电容，ZS1000 的输入阻抗为 1 MΩ，输入电容为 0.9 pF。在高于 20 kHz 的频率下，ZS1000 的输入阻抗高得多，因而信号负载较小。在 500 MHz 的频率下，ZS1000 的输入阻抗为 354 Ω，而无源探头的输入阻抗则为 34 Ω。

  图 3：使用 50Ω直接连接、无源探头、ZS 系列有源探头时，示波器对快速边沿的响应。

  50 Ω 直接连接的响应被用作参考波形。有源探头响应与参考波形几乎没办法区分。由于输入电容较高，无源探头响应有圆角。注意测量的上升时间。参考波形的上升时间（参数读数 P1）为 456 皮秒 (ps)，有源探头 (P2) 的上升时间则为 492 皮秒。无源探头的上升时间 (P3) 为 1.8 纳秒 (ns)。

  在带宽相同的情况下，有源探头的性能通常优于无源探头。但还必须记住，有源探头需要电源。由于这个原因，有源探头几乎针对不一样制造商的示波器均提供了专用连接器。对于 ZS1000 有源探头，它配备了 Teledyne LeCroy ProBus 接口，用于从示波器为探头供电。该接口让探头与示波器连为一体，因而示波器的前面板可以感应和完全控制探头。

  与无源探头相比，有源探头的输入电压范围也比较小。对这一点需要非常注意，以防止损坏探头。ZS1000 探头的输入电压范围为 ±8 伏特，最大无损电压为 20 伏特。此电压范围大于当前使用的任何逻辑电平的电压需求，因而这些探头非常适用于高速逻辑测量。

  探头配件ZS1000 探头附带了多种配件（图 4）。请注意，大多数探头尖端和接地引线非常小。物理尺寸较小意味着电容和电感较低，这在某种程度上预示着受测试电路的负载较小。较长的接地引线和微型夹适用于低频应用，它们增加的电抗并不可能影响测量。

  图 4：ZS1000 1 GHz 有源探头附带了大量配件，包括适用于低频信号的长接地引线，还有各种尖端，它们让用户能更容易对测试点进行操作。

  标准探头尖端是针对常规探测而设计的。弹针式尖端和接地引线提供了垂直顺性，确保了有效接触，而不产生不适当的机械压力。除了在最尖端处之处，IC 尖端是绝缘的，旨在防止相邻的 IC 引脚意外短路。弯曲尖端很适合在相邻元器件下方进行探测，适用于探头必须与板保持平行的应用。方针适配器传送信号和接地引线 mm 引脚间距。

  接地引线包括窄型和宽型接地片。接地片具有低电感接地连接的优点。它们通常与铜垫配合使用。铜垫背侧具有粘性，粘贴到 IC 上。然后，它可以直接焊接到 IC 接地引线，提供接地电感很低的连接。偏移接地的目的是连接到探头接地插座并环绕探头。这使探头尖端和接地都能保持小间距，同时让接地引线非常短。

  差分探头差分探头可测量两个输入端之间的电压差。单端探头可测量单个点和地面之间的电压，而差分探头无需接地即可测量两个输入端之间的电压。当需要在不以地面为基准的开关模式电源中的线路端电路上做测量时，这是很有用的。

  由于差分探头测量两个输入端之间的差值，因此两个输入端共同的信号，称为共模信号，将被抵消或幅度显著减小。这在某种程度上预示着两个输入端共同的偏置电平、噪声、串扰可能被抵消，至少幅度会显著减小。

  下面显示了差分探头的概念框图（图 5）。图中包括一个受测试器件，模型为差分源，具有共模元件。

  图 5：差分探头与受测器件概念图，其中受测器件模型化为具有共模元件的差分源。

  差分探头的核心元件是差分放大器。差分放大器输出是 + 和 – 输入端之差。在差分放大器前面，电路看起来像是两个单端有源探头。如图所示，差分探头输入端连接到通用差分源，包括两个差分元件 Vp 和 Vn，还有一个共模源 Vcom。

  理想的差分探头的工作方式如下：上方 (+) 探头输入端的电压为 Vp + Vcom。下方 (-) 探头输入端的电压为 – Vn + Vcom。将这些输入施加到差分放大器上，会产生 Vp+Vn 的输出，假定单位增益。共模信号现已消除。

  共模信号在差分探头中衰减的程度取决于共模抑制比 (CMRR)。CMRR 是差分探头的差分增益与共模增益的功率比，以分贝 (dB) 表示。CMRR 通常取决于频率，随频率提高而降低，且通常指定为多个频率。

  图 6：使用小型 IC 适配器的 ZD1000 差分探头。这些探头尖端一侧有绝缘，以防止与相邻 IC 引脚短路。它们还具有低电感电阻补偿，以减少电感峰值。

  ZD1000 还包括多个探头尖端适配器，以满足很多探测应用的需求。要记住，差分探头的探测配置应该是对称的，两个输入端都使用相同的适配器，以达到尽可能最好的 CMRR。

  高电压差分探头差分探头的关键优点是输入不以地面为基准，具有衰减共模信号的能力。在测试开关模式电源器件时，这些特性也可能是很有用的，在这种情况下，线路侧不以地面为基准。高压差分探头，例如 Teledyne LeCroy HVD3106，适用于此类应用（图 7）。

  该探头的最大差分电压为 1500 伏特。实现如此宽的电压范围的方法是在差分放大器前面使用 500:1 衰减。在 60 Hz 的频率下，探头的 CMRR 为 85 dB。此外，探头及其配件的物理配置的目的是小心探测高电压，安全等级符合 IEC/EN 61010-31:2015 标准。

  结论有源探头具有增加带宽和降低探头负载的优点。差分探头的价值在于增加地面隔离能力，减少共模信号。而专有接口可将这些探头完全集成到示波器用户接口中，使得安装和操作更加简单。

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