如何使用低電容探頭最大限度地減少探頭負(fù)載

探測電路總是會對信號產(chǎn)生一定的影響。探頭負(fù)載會改變被探測的信號，可能導(dǎo)致測量問題，甚至可能導(dǎo)致電路執(zhí)行不同的操作。減少電容負(fù)載可以幫助最大限度地減少這些影響。在本應(yīng)用中，您將了解低電容探頭如何改進(jìn)測量。

下面我們概述了傳統(tǒng)無源探頭的一些主要優(yōu)點和缺點，以及TPP1000、TPP0500B和TPP0250等泰克產(chǎn)品如何克服與傳統(tǒng)無源探頭相關(guān)的許多挑戰(zhàn)。

上面我們可以看到傳統(tǒng)無源探頭的主要優(yōu)點和缺點，因為它涉及到電路探測。

以上我們看到了泰克低電容探頭與競爭對手提供的其他傳統(tǒng)探頭相比所具有的優(yōu)勢。

最小化探針負(fù)載簡介

本應(yīng)用說明介紹了泰克的高帶寬、低電容無源電壓探頭如何降低示波器用戶的總擁有成本，提高性能和測量精度，并節(jié)省設(shè)置時間。大多數(shù)示波器標(biāo)配的無源電壓探頭提供了一種低成本的通用探測解決方案。一般來說，這些探頭缺乏有源電壓探頭的性能，但提供了堅固耐用和寬動態(tài)范圍適合可視化信號。表1描述了傳統(tǒng)無源探頭解決方案的優(yōu)點和缺點。

該TPP1000，TPP0500B，和TPP0250重新定義在無源探頭類別的性能，與以前在這個類中未實現(xiàn)的規(guī)格。這些探頭設(shè)計用于泰克4、5和6系列MSO、3系列MDO、MDO3000、MDO4000和MSO/DPO5000系列示波器。

這種水平的性能是通過示波器內(nèi)的電路和探頭的組合獲得的。如表2所示，帶寬、輸入電容和自動探針補(bǔ)償方面的改進(jìn)將傳統(tǒng)無源探測的缺點轉(zhuǎn)化為優(yōu)點。

本應(yīng)用說明將更詳細(xì)地介紹:

降低擁有成本

提高測量精度

縮短設(shè)置時間

降低擁有成本

標(biāo)準(zhǔn)無源探頭的局限性，特別是在1GHz系統(tǒng)上，迫使用戶購買有源探頭，這大大增加了整體投資成本，TPP1000、TPP0500B和TPP0250探頭彌補(bǔ)了傳統(tǒng)無源探頭和更高性能、更高成本的有源探頭之間的差距TPP1000、TPP0500B和TPP0250具有行業(yè)領(lǐng)先的無源探頭規(guī)格和自動化的低頻和高頻補(bǔ)償，可降低用戶的總擁有成本，使示波器投資更具價值。

提高測量精度

有幾個因素會影響探頭向示波器傳遞信號的效果，用戶應(yīng)考慮:

性能規(guī)格:探頭的帶寬和上升時間是多少?

探頭尖端的低輸入電容:探頭附件如何影響性能?

探頭加載:探頭在測試點加載信號的量是多少?

圖3，泰克、勒克羅伊和安捷倫標(biāo)準(zhǔn)無源電壓探頭的上升時間。

性能規(guī)格

通用無源探頭更喜歡堅固性而不是性能。這種折衷已經(jīng)足夠了，因為這些探針主要用于可視化低速信號。這種折衷的另一個原因是，在制造一個堅固耐用、高性能并能測量數(shù)百伏電壓的探頭方面存在重大的設(shè)計挑戰(zhàn)。

有源探頭通常以1GHz帶寬開始，測量電壓小于10V(盡管一些泰克探頭可達(dá)到40V)，并且缺乏無源探頭的堅固性。無源探頭通常為500MHz或更低，測量數(shù)百伏特，并且堅固耐用。TPP1000、TPP0500B和TPP0250是唯一提供高性能、寬動態(tài)范圍和日常使用所需堅固耐用的探頭。

示波器和探頭的主要性能規(guī)范是帶寬。帶寬是頻率響應(yīng)的量度，示波器主要是時域儀器。示波器上顯示的數(shù)據(jù)是幅值與時間的關(guān)系圖，在頻域上看起來很小的差異在時域上可能會有很大的影響。

大多數(shù)示波器用戶需要一個具有出色階躍響應(yīng)的示波器和探頭，因為它能更好地指示探頭的輸出在示波器顯示屏上的樣子。為了正確顯示系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，將快速、干凈的階躍信號注入到測量系統(tǒng)中。探頭上升時間評估需要一個具有比探頭更快的邊緣速率的信號?？紤]圖1中的屏幕截圖，它比較了Tektronix的TPP1000探頭和LeCroy和Agilent的標(biāo)準(zhǔn)無源探頭的上升時間。

每個探頭連接到相同的測試夾具，利用探頭的短接地彈簧，以獲得最佳性能。如上面的屏幕截圖所示，建立了一個快速、清晰的上升時間為240ps的階躍信號，作為與探針的階躍響應(yīng)進(jìn)行比較的參考。參考信號被識別為R1，并且是白色跡線。

泰克公司的TPP1000具有最快的上升時間(443.6ps)，具有與基準(zhǔn)相同的幅度和形狀的波形，只有輕微的過沖。TPP1000是一款無源探頭，能夠以較快的邊緣速率捕獲信號。

圖4,帶長接地引線的標(biāo)準(zhǔn)無源電壓探頭的上升時間。

探頭尖端的低輸入電容

由于標(biāo)準(zhǔn)無源探頭主要用于顯示信號，大多數(shù)用戶將長探頭接地引線連接到接地連接。較長的接地引線使探針更容易在電路板上移動到各個測試點，而無需連接和重新連接接地。

短接地彈簧提供了最好的性能，但接地可能并不總是在彈簧的范圍內(nèi)。長的接地引線，那些是6“或更長，使獲得一個接地連接更容易，但長的接地引線降低性能，由于附加的電感。

隨著接地引線長度的增加，添加到測量中的電感也會增加。電感和電容與頻率有關(guān)，當(dāng)探頭的電感和電容增加時，探頭的性能下降。例如，帶有6"接地引線的探頭比帶有12"接地引線的探頭具有更高的性能和精度。

為了解決由接地線引起的性能問題，可以選擇使用較短的接地線來降低電感，或者選擇具有較低輸入電容的探頭。TPP1000、TPP0500B和TPP0250在探頭尖端提供<4pF的輸入電容，而其他標(biāo)準(zhǔn)無源探頭產(chǎn)品提供9.5pF的輸入電容。

使用這些泰克無源探頭，用戶可以連接更長的接地引線，而不會因具有更高輸入電容的探頭而導(dǎo)致信號下降。圖4顯示了泰克、萊克羅伊和安捷倫標(biāo)準(zhǔn)無源探頭的階躍響應(yīng)，帶有長探頭接地引線。

增加長探針接地引線對性能的影響是巨大的。探頭的上升時間減少，輸出信號有振鈴，過沖增加，更大的振幅不準(zhǔn)確性。TPP1000、TPP0500B和TPP0250為用戶提供了使用更長的探頭接地的便利性，使其在可視化信號時不會明顯損失性能和精度。

圖5,標(biāo)準(zhǔn)無源電壓探頭的探頭負(fù)載影響。

探頭裝載101

無源探針在探針尖端規(guī)格處的輸入電容和輸入電阻非常重要，因為它會影響被測電路。當(dāng)一個外部設(shè)備，如探頭連接到一個測試點，它會出現(xiàn)在信號源上的一個額外的負(fù)載，從電路中吸取電流。這種負(fù)載，或信號電流汲取，改變了測試點后面電路的操作，并改變了在測試點看到的信號。

理想的探頭應(yīng)該具有無窮大的阻抗，但這是不可能的，因為探頭必須吸收少量的信號電流，以便在示波器輸入端產(chǎn)生信號電壓。探針總是會引起一些信號源負(fù)載，挑戰(zhàn)在于盡可能保持低的負(fù)載。

最令人關(guān)注的負(fù)載是由探頭尖端的電容引起的。對于低頻，該電容的電抗非常高，對被測電路影響很小或沒有影響。隨著頻率的增加，容性電抗減小，并且在更高的頻率下，容性負(fù)載更高。

容性負(fù)載通過降低帶寬和增加上升時間來影響測量系統(tǒng)的帶寬和上升時間特性。該TPP1000，TPP0500B和TPP025提供顯著低于任何現(xiàn)有的高阻抗通用無源探頭的輸入電容。這些探頭尖端的輸入電容<4pF，明顯低于非Tek tronix探頭的9.5 pF。圖5顯示了TektronixTPP1000對LeCroy和安捷倫標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的探頭加載情況。

白色跡線是輸入信號波形，其他跡線顯示當(dāng)探頭連接到測試點時，參考波形如何變化。重要的是要記住，這幅圖像中顯示的波形不是探頭的輸出，但它們顯示了探頭如何影響測試點的信號。

藍(lán)色軌跡顯示了TPP1000對源信號的最小負(fù)載影響，因為它與參考波形緊密匹配，并且對上升時間的影響最小。非Tektronix探頭的額外輸入電容會對性能和精度產(chǎn)生影響。如上所述，容抗在較高的頻率下減小，并且容性負(fù)載隨著頻率的增加具有更大的影響。

一個更高的電容探頭將有更大的負(fù)載在更高的頻率，這就解釋了為什么在LeCroy和安捷倫加載信號的圓角，前沿是方波的高頻含量的位置。當(dāng)探測更快的信號時，非Tektronix探頭將更明顯地扭曲源信號并造成測量不準(zhǔn)確。

圖6所示,低頻探頭補(bǔ)償。

圖7所示。高頻探頭補(bǔ)償。

縮短設(shè)置時間

由于探頭和示波器輸入特性的變化，通用無源探頭需要低頻補(bǔ)償。用戶可能沒有意識到需要低頻補(bǔ)償，可能忘記了這個過程，或者可能為了節(jié)省時間而放棄低頻補(bǔ)償。如圖所示6,探頭輸出必須使用調(diào)整工具進(jìn)行補(bǔ)償，直到響應(yīng)平坦，如下面的"適當(dāng)補(bǔ)償"示例所示。

雖然低頻補(bǔ)償是所有無源測頭的必要且常見的用戶調(diào)整，但高頻補(bǔ)償通常需要由制造商的服務(wù)部門進(jìn)行調(diào)整。

高頻補(bǔ)償調(diào)整點通常是用戶無法接近的，可能需要用戶損壞外標(biāo)簽上的補(bǔ)償框，以獲得訪問權(quán)限。這種補(bǔ)償可能還需要特殊的設(shè)備，如校準(zhǔn)發(fā)生器和特殊的探頭適配器，以進(jìn)行必要的調(diào)整。如圖8所示，高頻補(bǔ)償可對前緣和長期平坦度進(jìn)行校正。

圖8所示,自動低頻和高頻探頭補(bǔ)償。

TPP1000、TPP0500B和TPP0250連接到兼容的泰克示波器時，能夠自動進(jìn)行低頻和高頻補(bǔ)償。補(bǔ)償TPP1000、TPP0500B和TPP0250的高頻和低頻補(bǔ)償所需的時間比手動調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)無源測頭進(jìn)行低頻補(bǔ)償所需的時間更短。

對于TPP1000、TPP0500B和TPPO250，當(dāng)?shù)谝淮螌⑻筋^連接到通道時，通過將探頭尖端和接地端固定到示波器的PROBE COMP引腳并選擇"Compensate Probe for"，可以輕松補(bǔ)償探頭。示例選擇如圖6所示。該過程耗時不到5秒，補(bǔ)償結(jié)果存儲在示波器中，以防探頭被移除并重新連接。示波器能夠為每個通道存儲多個探頭的結(jié)果。

波戈針

該TPP1000，TPP0500B和TPP0250船標(biāo)準(zhǔn)與可更換的剛性尖端和彈簧針墨盒。彈簧單高蹺針尖端是彈簧加載的，它需要更少的壓力在針上建立良好的電接觸，這意味著用戶不必按下探針尖端上的硬。由于幾個原因，使良好的接觸所需的力是一個重要的方面。首先，用戶在操作示波器時，不必把注意力集中在保持手在正確的位置上。

安裝彈簧單高蹺針后，探頭保持恒定的壓力，并為用戶提供良好接觸所需的壓力，當(dāng)探頭被用于可視化信號時更舒適。此外，當(dāng)接觸不良或信號未如預(yù)期出現(xiàn)在示波器上時，用戶傾向于更用力地按下探頭。這種力的增加可能會導(dǎo)致探頭不經(jīng)意地滑離測試點，并無意中接觸到鄰近的信號，這可能會損壞測試設(shè)備或被測器件。

MMCX墨盒

該TPP1000和TPP0500B有一個可選的提示，大大減少雜散EMI耦合，幾乎消除了接地引線電感，并重視安全的測試點。

所有這些優(yōu)點都通過稱為MMCX的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)射頻連接器實現(xiàn)。MMCX是一種廉價、現(xiàn)成的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)連接器，通常用于射頻應(yīng)用。MMCX濾芯可擰入TPP1000或TPP0500B探頭。

結(jié)論

TPP1000,TPP0500B和TPP0250重新定義了無源探頭產(chǎn)品類別中的性能，與此產(chǎn)品類別中以前未實現(xiàn)的規(guī)格，將傳統(tǒng)的無源探測缺點轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢。這些探頭通過提供兩種技術(shù)中的最佳技術(shù)，彌補(bǔ)了通用無源探頭和更高成本有源探頭之間的差距:高性能、低成本，能夠測量數(shù)百伏的動態(tài)范圍;低輸入電容;以及日常使用所需的耐用性。

TPP1000、TPP0500B和TPP0250具有行業(yè)領(lǐng)先的無源探頭規(guī)格和自動補(bǔ)償功能，可降低用戶的總擁有成本，并為示波器投資帶來巨大價值。

審核編輯 黃宇