差分探頭和單端探頭的性能比較

以前用高帶寬示波器和有源探頭測量時，可以選擇單端探頭或者差分探頭。一般用單端探針測量單端信號(地電壓)，用差分探針測量差分信號(正電壓-負(fù)電壓)。雖然也可以只買一個差分探頭，用它來測量差分信號和單端信號，但是出于一些實際的原因，大多數(shù)人是不會這么做的。原因是，與單端探頭相比，差分探頭通常更貴，更難使用，并且?guī)捀　?/p>

本文從以下幾個方面比較了差分探頭和單端探頭在性能和可用性方面的優(yōu)缺點:

–帶寬、保真度和可用性

–共模抑制

–輸入負(fù)載

–測量重復(fù)性

–物理尺寸

圖 1. 差分探頭和單端探頭的簡化模型

我們使用簡化模型(圖1)來幫助比較，并使用探針放大器來匹配焊接差分探針前端和焊接單端探針前端的測量數(shù)據(jù)。兩種探針前端的物理連接尺寸非常接近，因此它們的性能差異主要是由差分和單端電路元件的布局造成的。

帶寬、保真度和可用性的比較

如前所述，單端探頭的帶寬通常高于差分探頭。但這個結(jié)果是源于一些基本的物理規(guī)律，還是僅僅源于不同架構(gòu)的實際實現(xiàn)方式?

要回答這個問題，讓我們考慮圖1所示差分探頭和單端探頭之間連接的寄生參數(shù)的簡化模型。因為單端探頭和差分探頭前端的幾何尺寸大致相同，所以電感和電容參數(shù)的大小也是相等的。如果使用寬而扁平的導(dǎo)體(如“刀片”)進(jìn)行接地連接，單端探頭的接地電感(lg)會稍低，但不會低很多。需要注意的是，差分探頭的兩個輸入端都有一個端電阻，而單端探頭在信號輸入端只有一個端電阻，地線沒有阻尼(實際探頭中是0 ω電阻)。這些補(bǔ)償阻尼用于消除輸入連接中電感(Ls)和電容(Cs)引起的諧振。要更深入的了解這個話題，可以參考德國科技的應(yīng)用指南《高帶寬電壓探頭1404的保真度》。

從單端模型的分析可以看出，帶寬取決于電感和電容，其中對地電感(lg)非常重要。

在較高頻率下，對地電感將在器件地和探頭地之間產(chǎn)生電壓，從而降低探頭衰減器/放大器輸入端的信號?？梢酝ㄟ^降低對地電感來增加帶寬。這就需要縮短接地線的長度或者增加連接面積。理想的接地線應(yīng)該是一個非常短而寬的導(dǎo)體平面，或者是圍繞信號連接的環(huán)形圓柱體(形成同軸探針連接)。在實際測量條件下，理想的接地線通常是不存在的，它會大大降低單端探頭的可用性。

圖 2. 差分探頭和單端探頭的頻率響應(yīng)

另外，給出同軸夾具中單端探頭的技術(shù)規(guī)格是沒有用的，因為在實際測試中，你基本上無法用這種方式測量。

如果分析差分信號驅(qū)動的差分模型(vcm=0，vp=vm)，會看到由于正負(fù)信號連接的固有對稱性，連接之間會有一個沒有凈信號的平面。您可以將這個“有效”接地層視為牢固地連接到器件的接地層和探頭放大器的接地端?？紤]到有效地平面的存在，可以對半電路模型進(jìn)行分析。此時信號地的環(huán)路面積大約是單端環(huán)路的一半，所以電感要低很多。從半電路模型的分析可以看出，差分模型的帶寬遠(yuǎn)高于單端模型。此外，有效接地層是理想的接地連接，不會影響其可用性。

當(dāng)差分探頭由單端源驅(qū)動時，可以通過疊加法確定總響應(yīng)。當(dāng)vcm = vp = vm時，單端信號施加于電路。疊加第一項，關(guān)閉vcm對于疊加的第二項，“關(guān)閉”vp和vm。第一項是單端信號差分部分的響應(yīng)，因此該響應(yīng)與前面的討論一致。第二項是單端信號共模部分的響應(yīng)，因此其響應(yīng)取決于探頭的共模抑制。如果探針具有良好的共模抑制能力，那么對單端信號的總響應(yīng)僅僅是對單端信號的差模分量的響應(yīng)。如果探頭的共模抑制不好，您會看到測得的差分信號和測得的單端信號之間的響應(yīng)差異。從圖2中可以看出，這些響應(yīng)之間實際上沒有區(qū)別。

圖2顯示了差分探頭檢測的單端信號(綠色)和單端探頭檢測的單端信號(藍(lán)色)的頻率響應(yīng)，兩者都使用相同的7 GHz探頭放大器。探頭的帶寬定義為探頭的輸出幅度相對于輸入幅度下降到-3 dB時的頻率。顯然，差分探頭前端的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單端探頭前端的帶寬(7.8 GHz對5.4 GHz)。這兩個探頭具有高頻平坦度，因為在連接中使用了正確的阻尼電阻。

圖3示出了由差分探頭針對上升時間約為100 ps的階躍信號測量的時域響應(yīng)。圖4顯示了上升時間約為100 ps的階躍信號的單端探頭測得的時域響應(yīng)。在這兩幅圖中，紅色軌跡是探頭的輸出，綠色軌跡是探頭的輸入。需要注意的是，這并不是探頭的階躍響應(yīng)，而只是測量它們能跟蹤100 ps的階躍信號到什么程度。為了測量階躍響應(yīng)，輸入必須是具有極快上升時間的理想階躍信號。此時，差分探頭可以顯示出比單端探頭更快的上升時間。兩種探頭都能很好地跟蹤100 ps的階躍信號。

圖 3. 差分探頭測量 100 ps 階躍信號的時域響應(yīng)

圖 4. 單端探頭測量 100 ps 階躍信號的時域響應(yīng)

共模抑制問題

共模抑制是差分探頭和單端探頭都存在的問題。用于差分探頭。共模抑制可防止施加于+和-探針輸入的同一信號產(chǎn)生輸出。對于單端探頭，共模抑制可防止施加于信號輸入端和接地輸入端的同一信號產(chǎn)生輸出。

差分探頭和單端探頭模型(圖1)顯示了從探頭衰減器/放大器到“地”的電阻和電感。這是由探針電纜屏蔽層和大地組成的傳輸線(或天線)引起的阻抗的簡化模型。這個“外?！弊杩狗浅Ｖ匾?，因為當(dāng)共模信號施加于單端探針時，地電感和外模阻抗形成分壓器，從而衰減放大器獲得的地信號。因為放大器的信號輸入沒有得到與接地輸入相同的衰減，所以它在放大器的輸入端產(chǎn)生凈信號，從而產(chǎn)生輸出。接地電感越高，共模抑制越低，因此使用單端探頭時，必須使接地盡可能短。還需要注意的是，外模信號不會直接影響“內(nèi)?！毙盘?即同軸電纜中正常的探頭輸出信號)，但反射的外模信號會影響探頭放大器的接地，從而間接影響內(nèi)模信號。這將在“測量重復(fù)性”一節(jié)中進(jìn)一步解釋。

當(dāng)共模信號施加于差分探頭時，可以從衰減器/放大器的+和-輸入端看到相同的信號。由此產(chǎn)生的輸出將由放大器的共模抑制決定，而不是由連接電感決定。

圖 5. 差分探頭和單端探頭的共模響應(yīng)

當(dāng)檢測到帶有共模噪聲的單端信號時，需要確定是差分探頭還是單端探頭具有更好的共模抑制能力。這取決于單端探頭接地連接的電感和差分探頭中放大器的共模抑制能力。對于本例中的差分和單端探頭前端，圖5顯示差分探頭的共模抑制比單端探頭高得多，因此可以在高共模噪聲環(huán)境中進(jìn)行更好的測量。這是兩種探頭最常見的情況，除非單端探頭以極低的電感接地，現(xiàn)實中很難實現(xiàn)。需要注意的是，這里分析的單端探頭比許多其他單端探頭具有更好的共模抑制能力，因為它的接地線非常短。圖5中的共模響應(yīng)定義為:

差分共模響應(yīng)= 20[log(voc/vic)]

Vic是+和-輸入的公共電壓。

Voc是施加vic時探頭輸出端的電壓

單端共模響應(yīng)= 20[log(voc/vic)]

這里，vic信號輸入和接地輸入的公共電壓

Voc是施加vic時探頭輸出端的電壓

圖 6. 差分探頭和單端探頭的輸入阻抗

輸入負(fù)載效應(yīng)比較

如果使用差分探頭前端和單端探頭前端的電感和電容值來分析圖1中的電路模型，您會發(fā)現(xiàn)，從單端源來看，每個探頭前端的輸入阻抗沒有太大差異。分析的另一個方面是了解外部模式阻抗如何影響差分和單端探頭。在單端探針放大器模型中，外模阻抗遠(yuǎn)高于接地連接阻抗(由于lg的存在)，所以對輸入阻抗沒有明顯影響。然而，由于外部模式阻抗，進(jìn)入差分探頭的單端信號將會看到較高頻率的容抗值略低于較低頻率的容抗值。

圖6是差分探頭和單端探頭的輸入阻抗(幅度)圖。紅色軌跡是施加差分源時差分探頭的阻抗。綠色軌跡是應(yīng)用單端源時的差分探頭阻抗，藍(lán)色軌跡是應(yīng)用單端源時的單端探頭阻抗。這三種情況的DC電阻、電容和最小電感值如圖6所示。需要注意的是，差分探頭和單端探頭對單端信號的輸入阻抗非常相似。

測量的可重復(fù)性

測量的可重復(fù)性是一個與高頻探頭相關(guān)的問題。理想情況下，探頭位置、電纜位置和手的位置不應(yīng)該引起探頭測量結(jié)果的變化。但很多情況下并非如此。常見的原因是外模阻抗的變化。實際上，這個阻抗遠(yuǎn)比圖中所示的探頭模型復(fù)雜，因為探頭、手和電纜的位置會極大地影響無屏蔽傳輸線(或天線)。

如果通過改變外模阻抗來分析單端模型，會發(fā)現(xiàn)會引起響應(yīng)變化。另外，由于外模阻抗也是共模響應(yīng)的一個因素，這個阻抗的變化也會引起共模抑制的變化。接地連接的阻抗越高，響應(yīng)變化越大。

通過改變外模阻抗分析的差分模型，可以發(fā)現(xiàn)這種改變只引起很小的響應(yīng)變化。探頭放大器接地端出現(xiàn)的任何信號都將被放大器的共模抑制。因此，由探頭、手和電纜的位置引起的響應(yīng)變化可以被大大衰減。從圖2可以看出，差分探頭的響應(yīng)比單端探頭平滑得多。在單探針的響應(yīng)中存在許多由外模阻抗的變化引起的“干擾和失真”。當(dāng)阻抗改變時，響應(yīng)也會改變。探頭電纜上的鐵磁珠可以通過衰減和限制外模信號來減少外模阻抗的變化，從而緩解這個問題。可以減少探頭、手、電纜位置引起的響應(yīng)變化。

物理尺寸考慮

通過對比差分探頭和單端探頭可以看出，無論是檢測差分信號還是單端信號，差分探頭在各方面的性能都優(yōu)于單端探頭。但是，有時仍然可以考慮單端探針。單端探頭在很多測量場合都能提供可接受的結(jié)果，而且價格低廉，而且由于探頭前端簡單，體積也小。物理上，小探頭可以伸入狹窄的地方進(jìn)行探測，也可以將多個探頭連接到非常密集的被測點。因此，在檢測系統(tǒng)中，探針應(yīng)該能夠進(jìn)行差分檢測和單端檢測。

總結(jié)

由于地跳、串?dāng)_和EMI，電子行業(yè)正在用差分信號取代單端信號。對于這個新領(lǐng)域中使用的測量設(shè)備，差分檢測是一項基本要求。因為差分探頭中信號連接之間的有效接地層比單端探頭中的大多數(shù)實際連接(非同軸)更理想，所以差分探頭比單端探頭更好地測量單端信號。新一代差分探頭易于使用，性能高，價格低。您可以用它們來檢測差分信號和單端信號。

以上就是關(guān)于示波器差分和單端有源電壓探頭性能比較，如您使用中還有其他問題，歡迎登陸西安普科電子科技。

審核編輯：湯梓紅