將放大器放在探頭如何降低探頭和線纜對信號造成的損耗

作者： Arthur Pini， Lawrence Jacobs

近日，有讀者問“為什么示波器廠商把放大器放在探頭尖端，而不在示波器內(nèi)？”將放大器放在探頭可最大限度地降低探頭和線纜對信號造成的損耗，但這是如何實(shí)現(xiàn)的？要了解如何及為什么，我們需要對探頭和輸入阻抗有一基本了解。

示波器探頭將示波器的輸入連接到要測量的電壓節(jié)點(diǎn)。傳統(tǒng)上，常用的探頭分為三種類型：高阻抗無源探頭、低容抗傳輸線探頭和有源探頭。

最常見的探頭類型是高阻抗無源探頭。圖1是其簡化示意圖。該探頭使用經(jīng)補(bǔ)償?shù)姆謮浩鳎?a target="_blank">電阻和電容匹配的分壓器）以驅(qū)動探頭線纜和示波器輸入電容。這些探頭有500MHz額定帶寬，但你應(yīng)考慮由輸入電容所帶來的限制。

圖1：采用電容和電阻匹配的分壓器的高阻無源探頭。

示波器的輸入電容可能在15~25pF之間。同軸電纜每英尺的電容約在10pF~30pF。所以其總電容可能約為80pF。因此，簡單地用屏蔽線纜將示波器連接到DUT（被測設(shè)備）將會把此電容加載在測量電路。在10MHz時，阻抗約為200Ω，這就可能顯著降低你試圖測量的電壓幅值。

我們可通過使用電容性補(bǔ)償分壓器將被測信號分壓10倍的方式來增加此輸入阻抗。這種補(bǔ)償分壓器將使探頭針尖具有最小9pF的電容、帶來10倍衰減，使探頭負(fù)載阻抗增加了約10倍。增加探頭衰減倍數(shù)，可進(jìn)一步降低輸入電容，但這樣做將降低進(jìn)入示波器的信號幅值，并使小信號測量變得困難或不可能。在實(shí)踐中，10倍衰減在信號幅度和加載阻抗之間表現(xiàn)出良好平衡。

但在更高頻率，即使是這樣的低電容探頭也還是太大了。在500MHz，9pF探頭電容的等效阻值約35Ω，除最低阻抗電路外，將對所有被測電壓產(chǎn)生影響。

若將同軸線纜換為傳輸線，則可大幅降低輸入電容。如果示波器的終端電阻為50Ω，則電纜探頭端的阻抗將總是50Ω，與頻率無關(guān)。可使用分壓器加大這一非常低的負(fù)載阻抗；一個450Ω串聯(lián)電阻將把被測電壓幅值縮小10倍，并得到500Ω相對恒定的負(fù)載阻抗。采用帶終端電阻的低電容或傳輸線探頭（圖2）。

圖2：傳輸線探頭大幅降低輸入電容，但它也降低了輸入電阻，從而降低了整體阻抗。

端接傳輸線探頭的輸入電容相當(dāng)?shù)?，典型值最高零點(diǎn)幾個pF。這種探頭的限制因素是低輸入電阻。對10倍衰減探頭來說，500Ω的輸入電阻，也會對被測電路造成很大影響。

這就使我們自然想到有源探頭（圖3）。有源探頭采用補(bǔ)償分壓器驅(qū)動放大器。該放大器的緩沖輸出再驅(qū)動以其特性阻抗端接（terminated）的同軸電纜，就像傳輸線探頭。該放大器還將探頭與電纜的電容性負(fù)載和示波器的輸入電路隔離開來。

圖3：50Ω帶緩沖輸入驅(qū)動的傳輸線有源探頭。

有源探頭仍需要低輸入電容，在探頭尖端的小幾何形狀內(nèi)，可以容易做到這點(diǎn)?？梢栽O(shè)計(jì)出輸入電容約為4pF的高阻抗緩沖放大器。約10倍衰減的補(bǔ)償分壓器將進(jìn)一步降低輸入電容以及允許更大的輸入電壓擺幅，其輸入電容約為0.4pF。在現(xiàn)實(shí)中，放大器需要輸入保護(hù)裝置，此舉將加大探頭尖端金屬的雜散電容，所以0.5pF到4pF的輸入電容是比較現(xiàn)實(shí)的。

圖4顯示出上述討論的三種探頭其作為頻率函數(shù)的輸入阻抗（根據(jù)特定的輸入電阻和電容）。在無源探頭500MHz的頻率上限，其輸入阻抗僅為34Ω。在相同頻率：傳輸線探頭的輸入阻抗為359Ω；有源探頭的為530Ω。該容性阻抗將會加載到被測信號上。

圖4：與被動和傳輸線探頭比，有源探頭可在最寬的帶寬內(nèi)使輸入阻抗最大化。

探頭影響的案例

圖5是一個25Ω系統(tǒng)（50Ω源和負(fù)載阻抗）的階躍波形（step waveform）示例。即使在這樣的低阻抗環(huán)境下，無源探頭容性負(fù)載的影響也顯而易見。

圖5：比較無源探頭（PP008）和有源探頭（ZS4000）的電容性負(fù)載的影響。

圖5中，在無源探頭接觸被測信號前，輸入階躍的上升時間約為500ps。當(dāng)PP008（輸入C=9.5pF）觸測階躍被測信號時，上升時間增加至1.8ns，且在前沿造成顯著失真。使用ZS4000有源探頭（輸入C=0.6pF）時，則沒對被測信號造成顯著失真。

低電容設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是把所有探頭尖端周圍的導(dǎo)體做得小巧。這也與應(yīng)使探頭尖端的體積盡可能小巧的要求一致，只有這樣，探頭才能“游刃”于我們?nèi)諠u擁擠的電路板。

探頭尖端的電容性負(fù)載除加載被測電壓外，還有另一個影響。單端探頭需要一個接地連接。該地線有與其長度相關(guān)的電感。該電感，與探頭的輸入電容相組合，將在LC電路（圖6）的共振頻率上引致振鈴效應(yīng)。

圖6：示波器的地線增加了被測電路的電感。

接地線電感可使用大拇指規(guī)則估算，其值約為20nH/in，進(jìn)而算出諧振頻率。該電感的諧振頻率（fr）為：

為使測量不失真，諧振頻率應(yīng)比擬測量信號的頻率高得多。可通過使用更短的地線或使用更低輸入電容的探頭或兩者兼而用之的方式來提高共振頻率。

作為例子，我們可使用PP008探頭（輸入C=9.5Pf）、6英寸地線（~120nH）進(jìn)行陡變階梯電壓的測量。在這些參數(shù)下，其振鈴頻率約為150MHz，可容易地在所測波形上看到。若將同樣的接地線與輸入電容僅為0.6pF的ZS4000探頭一起使用，這時其共振頻率約為600MHz且平復(fù)要快得多，如圖7中所示。

圖7. 對比由接地線引入、輸入電容的不同值對振鈴產(chǎn)生的影響。輸入電容更低的有源探頭（ZS4000），不僅回復(fù)要快得多，且具有更高頻率。

更高帶寬的探頭配有短的、定長接地導(dǎo)線。用最短的地線配以上述介紹的有源探頭使你在測量階躍電壓時幾乎沒有振鈴現(xiàn)象或上升時間失真。使用中的重要注意事項(xiàng)是：不要試圖延長這些地線，因其會增加電感和電容并將顯著影響探頭性能。

再回到我們開始的問題：“為什么有源探頭的放大器做在探頭尖端，而不在示波器內(nèi)？”答案是：示波器廠家通過將放大器做在探頭尖端附近，可在探頭針尖內(nèi)采用補(bǔ)償?shù)姆謮浩饕栽黾犹筋^的輸入阻抗和輸入電壓范圍。同時，有源探頭可以緩沖連接電纜對探頭的影響。不使用放大器，使用傳輸線探頭，你仍可得到類似結(jié)果，但你必須要能忍受低輸入阻抗帶來的影響。

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