一文了解有源示波器探頭/無源示波器探頭

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了解、選擇和使用無源示波器探頭

探頭將示波器的輸入端連接到受測試器件 (DUT) 上的測試點。探頭分為很多類型，包括：高阻抗無源、低電容、單端有源、差分有源、高電壓和電流探頭。本文是有關(guān)探頭選擇和應(yīng)用的三篇系列文章的第一篇，重點介紹無源探頭。 第 2 部分和第 3 部分將分別介紹有源探頭和電流探頭。

無源探頭是一種將示波器連接到受測試器件或電路的很好方法。它們具有低成本和高可靠性的優(yōu)點，當(dāng)正確使用時，還提供合理的信號完整性。本文將從工作原理入手，通過基本調(diào)節(jié)和使用，對無源探頭進行探討。我們將討論影響正確測量的無源探頭特征，旨在了解這些裝置的最有效應(yīng)用。

示波器通常提供 50 Ω 或 1 MΩ 的輸入端接。50 Ω 端接通常與匹配的同軸電纜配合使用，以連接到帶 50 Ω 電流源的電路元件。這樣，不但可以實現(xiàn)高質(zhì)量的互連，而且只產(chǎn)生最小的信號失真。使用 1 MΩ 輸入端接來連接電路時，源阻抗更高。這種連接可以通過多種方式實現(xiàn)，包括直接使用電纜或 X1 探頭，或者使用高阻抗探頭（圖 1）。

圖 1： 將信號連接到示波器的 1 MΩ 輸入端時，直接連接 (a) 與使用高阻抗探頭 (b) 進行連接的電路簡化圖。

1 MΩ 輸入端還包括從 15 至 25 pF 的分路電容。使用直接連接時，不匹配的電纜會增加額外的電容，每英尺電纜長度增加 10 至 30 微微法拉 (pF)。在 3 英尺長度電纜的典型情況下，電纜的探頭端的負載為 1 MΩ，并聯(lián)電容大約為 90 pF（圖 1a）。對于低頻率測量，電容負載可以忽略不計。例如，在 1 kHz 的頻率下，容抗約為 1.8 MΩ。但是，對于更高頻率的信號，效果會很差。在 100 MHz 的頻率下，容抗降低至大約 18 Ω，這將大幅衰減信號。

如高阻抗探頭（圖 1b）所示可以減小示波器和連接電纜的輸入電容的影響。此探頭基本上是補償衰減器。輸入電阻器，標(biāo)稱為 9 MΩ，形成 10:1 衰減器，示波器使用 1 MΩ 輸入端接。電容器 Cin 和 Ccomp 被用于補償衰減器，并形成全通網(wǎng)絡(luò)。當(dāng) Cin 和 Rin 的 RC 乘積等于 Ro 的 RC 乘積以及 Cin 和 Ccomp 的電纜電容的總和時，補償比較理想。Ccomp 用于調(diào)節(jié)補償。輸入端的電容取決于 Cin，約為電路中的其他電容器的總和的十分之一。在本例中大約為 10 pF。

高阻抗無源探頭幾乎所有主要示波器供應(yīng)商都在他們的設(shè)備中包括了一系列高阻抗探頭。 Teledyne LeCroy 的 HDO4104A 四通道、1 GHz 示波器帶有四個 PP018-1 探頭。它們是 10:1 高阻抗無源探頭，帶寬為 500 MHz，輸入電容為 10 pF。這些探頭可處理至少 350 Vrms 的輸入電壓。

圖 2： PP018 高阻抗探頭的帶寬為 500 MHz，輸入電容為 10 pF。此處還顯示了它附帶提供的配件。

大多數(shù)無源探頭使用衰減檢測引腳，通知示波器自動縮放波形，而無需用戶輸入。

高阻抗探頭的低頻率補償高阻抗探頭通過低頻率補償過程，與它們連接到的通道相匹配。對于這個過程，所有示波器都提供低頻率方波，一般頻率為 1 kHz，通常稱為 CAL 輸出。要利用這項功能，請首先將探頭連接到所需的通道，然后將探頭尖端連接到 CAL 輸出端。觸發(fā)示波器并在屏幕上查看選定通道軌跡。使用調(diào)節(jié)工具，在探頭連接器盒中更改補償調(diào)節(jié)，以獲取方波軌跡上的方角，如中間的軌跡所示（圖 3）。

圖 3： 通過調(diào)節(jié)補償調(diào)節(jié)，獲取 CAL 方波上的方角，對探頭進行低頻補償，如中間的軌跡所示。

每當(dāng)探頭連接到不同通道時，就應(yīng)該進行補償，特別是在任何關(guān)鍵測量之前。很多高阻抗探頭還提供高頻補償調(diào)節(jié)。通常不需要執(zhí)行這種調(diào)節(jié)。探頭手冊提供了此測試的詳細信息。

智能探測要正確應(yīng)用高阻抗探頭，必須注意它的基本原理，避免導(dǎo)致測量的波形出現(xiàn)失真。例如，探頭的輸入電容將對測量產(chǎn)生什么影響？

為了找到問題答案，請計算探頭在信號的最高頻率分量處的容抗 (1/2πfCin)。受測試電路是否支持該負載？如果支持，請繼續(xù)測試。如果不支持，請尋找不同的探測解決方案，例如有源探頭（本系列文章的第 2 部分）。一條很好的經(jīng)驗法則是，高阻抗探頭的使用應(yīng)限于 25 MHz 以下頻率的信號。探頭手冊通常提供了探頭輸入阻抗與頻率的曲線圖，以幫助評估探頭在任何特定頻率下的適用性。

探頭配件也可能導(dǎo)致問題，特別是在高頻率下。一種情況是接地引線電感。圖 2 顯示的接地引線長度約為 4.3 英寸 (11 cm)。它有很大的電感。當(dāng)探頭連接時，電感兩端的任何電壓都將與信號串行。讓接地路徑長度盡可能短是可取的做法。為此，探頭附帶提供了多種配件。其中包括探頭尖端接地和 BNC 適配器，可用于這種目的。圖 4 比較了使用不同接地配件來測量階躍信號的結(jié)果，上升時間為 3 納秒 (ns)。

圖 4： 顯示接地引線電感對信號的影響：讓接地引線盡可能短是可取的做法，因為它與信號串行產(chǎn)生電感。

圖 4 中的黃色軌跡是來自發(fā)生器的信號，它使用 50 Ω 輸入端接進行測量得到，將作為信號質(zhì)量的基準(zhǔn)。紅色軌跡為使用 11 cm 接地引線的結(jié)果。引線電感兩端形成的信號的高頻分量導(dǎo)致了可觀察到的波形過沖。探頭尖端接地和 BNC 適配器具有大致相同的響應(yīng)，但過沖卻小得多，因為接地路徑長度更短，且各自串聯(lián)電感也比較低。

正如上文所述，只有在信號具有很大的高頻分量時，才會出現(xiàn)這種效果。如果使用正弦波進行相同的測量，差異可能根本不明顯。在使用探頭時，請牢記這些效應(yīng)。

探頭配件及其用途表 1 列出了 PP018-1-ND 探頭附帶提供的配件及其用途。

表 1： PP018 探頭附帶提供的配件及其用途（請參考圖 2）。

為示波器選擇備選探頭有些時候，測量應(yīng)用可能需要不同的示波器探頭。例如，電源測試既需要直接連接，以便進行紋波測量，又需要 x10 高阻抗探頭，以便測量電壓軌。如果必須在兩個探頭之間切換，那將會耗費很多時間，但 Digi-Key 列出了多個 x1/x10 可切換探頭。這意味著用戶無需更換探頭，但如何確定適當(dāng)?shù)奶娲�探頭呢？

第一個步驟是確定測量所需的帶寬。在本例中，100 MHz 以下的探頭帶寬即可滿足需求。確定探頭的最大額定電壓，以確保它符合測量要求。最后，確認示波器的輸入電容在探頭 x10 規(guī)范的補償范圍內(nèi)。

SP300B x1/x10 可切換探頭非常適合與具有 15 pF 輸入電容的 HDO 4104A 示波器配合使用，帶寬為 300 MHz，最大輸入為 300 伏特，補償范圍為 10 至 35 pF。

結(jié)論要正確應(yīng)用高阻抗無源探頭，就需要掌握有關(guān)測試問題和技術(shù)的基本知識，還需要具備一些經(jīng)驗，此類探頭是一種很好的通用工具，用于將示波器連接到測試電路。請記住，它們并不是探測問題的唯一解決方案，但提供了經(jīng)濟高效的著手點。

了解、選擇和有效使用有源示波器探頭

編者按：這篇有關(guān)有源探頭的文章是關(guān)于探頭及其正確使用方法的三部曲系列文章的第二篇。第 1 部分介紹了高阻抗無源探頭。本文將討論單端、差分、高壓差分有源探頭。第 3 部分將介紹電流探頭。

與無源探頭相比，有源探頭可提供更大的帶寬和更低的輸入電容。在本文中，我們將對照無源探頭來介紹有源探頭的特征。我們將同時對單端和差分探頭進行研究，另外還將介紹探頭配件的正確使用方法。

為什么使用有源探頭？無源探頭非常適合帶寬在 50 MHz 以下的測量應(yīng)用。這是因為無源探頭的輸入電容在 9 或 10 皮法 (pF) 范圍內(nèi)。這樣可以加載受測試器件。這些負載效應(yīng)隨著頻率提高而增加。為了避免這種負載效應(yīng)，有源探頭在無源探頭的補償衰減器和示波器輸入之間插入了一個放大器（圖 1）。

該放大器對連接電纜進行緩沖，讓電纜能夠端接到標(biāo)稱值為 50 Ω 的特征阻抗。這樣可將探頭與電纜的容性負載和示波器的輸入電路隔離開。該放大器旨在最大程度減小輸入電容，標(biāo)稱值為 4 pF。而補償衰減器進一步減小了此電容。為實現(xiàn) 10:1 衰減，預(yù)期的輸入電容約為 0.4 pF。但是，輸入保護電路和探頭尖端五金額外增加了電容。

Teledyne LeCroy ZS1000 1 GHz 單端有源探頭是典型的有源探頭，具有 0.9 pF 的輸入電容和 1 MΩ 的輸入電阻。

圖 1：高阻抗無源探頭和單端有源探頭的簡化原理圖，放大器對連接電纜和示波器輸入進行緩沖，同時提供低輸入電容。

低輸入電容擴大了有源探頭的有用頻率范圍。在圖 2 中可以看到這一點，該圖將 10:1 高阻抗無源探頭的輸入阻抗與 ZS1000 的輸入阻抗進行了比較。

圖 2：高阻抗無源探頭和 ZS1000 單端有源探頭的頻率輸入阻抗函數(shù)曲線。

相比無源探頭的 10 MΩ 輸入阻抗和 9.·5 pF 輸入電容，ZS1000 的輸入阻抗為 1 MΩ，輸入電容為 0.9 pF。在高于 20 kHz 的頻率下，ZS1000 的輸入阻抗高得多，因而信號負載較小。在 500 MHz 的頻率下，ZS1000 的輸入阻抗為 354 Ω，而無源探頭的輸入阻抗則為 34 Ω。

也許最好的比較方式是查看不同探頭對快速邊沿的響應(yīng)差異（圖 3）。

圖 3：使用 50Ω直接連接、無源探頭、ZS 系列有源探頭時，示波器對快速邊沿的響應(yīng)。

50 Ω 直接連接的響應(yīng)被用作參考波形。有源探頭響應(yīng)與參考波形幾乎無法區(qū)分。由于輸入電容較高，無源探頭響應(yīng)有圓角。注意測量的上升時間。參考波形的上升時間（參數(shù)讀數(shù) P1）為 456 皮秒 (ps)，有源探頭 (P2) 的上升時間則為 492 皮秒。無源探頭的上升時間 (P3) 為 1.8 納秒 (ns)。

在帶寬相同的情況下，有源探頭的性能通常優(yōu)于無源探頭。但還必須記住，有源探頭需要電源。由于這個原因，有源探頭幾乎針對不同制造商的示波器均提供了專用連接器。對于 ZS1000 有源探頭，它配備了 Teledyne LeCroy ProBus 接口，用于從示波器為探頭供電。該接口讓探頭與示波器連為一體，因而示波器的前面板可以感應(yīng)和完全控制探頭。

與無源探頭相比，有源探頭的輸入電壓范圍也比較小。對這一點需要特別注意，以防止損壞探頭。ZS1000 探頭的輸入電壓范圍為 ±8 伏特，最大無損電壓為 20 伏特。此電壓范圍大于當(dāng)前使用的任何邏輯電平的電壓需求，因而這些探頭非常適用于高速邏輯測量。

探頭配件ZS1000 探頭附帶了多種配件（圖 4）。請注意，大多數(shù)探頭尖端和接地引線非常小。物理尺寸較小意味著電容和電感較低，這意味著受測試電路的負載較小。較長的接地引線和微型夾適用于低頻應(yīng)用，它們增加的電抗并不會影響測量。

圖 4：ZS1000 1 GHz 有源探頭附帶了大量配件，包括適用于低頻信號的長接地引線，還有各種尖端，它們讓用戶能夠更容易對測試點進行操作。

標(biāo)準(zhǔn)探頭尖端是針對常規(guī)探測而設(shè)計的。彈針式尖端和接地引線提供了垂直順性，確保了有效接觸，而不產(chǎn)生不適當(dāng)?shù)臋C械壓力。除了在最尖端處之處，IC 尖端是絕緣的，旨在防止相鄰的 IC 引腳意外短路。彎曲尖端非常適合在相鄰元器件下方進行探測，適用于探頭必須與板保持平行的應(yīng)用。方針適配器傳送信號和接地引線，采用標(biāo)準(zhǔn)的 2.54 mm 引腳間距。

接地引線包括窄型和寬型接地片。接地片具有低電感接地連接的優(yōu)點。它們通常與銅墊配合使用。銅墊背側(cè)具有粘性，粘貼到 IC 上。然后，它可以直接焊接到 IC 接地引線，提供接地電感很低的連接。偏移接地的目的是連接到探頭接地插座并環(huán)繞探頭。這使探頭尖端和接地都能保持小間距，同時讓接地引線非常短。

差分探頭差分探頭可測量兩個輸入端之間的電壓差。單端探頭可測量單個點和地面之間的電壓，而差分探頭無需接地即可測量兩個輸入端之間的電壓。當(dāng)需要在不以地面為基準(zhǔn)的開關(guān)模式電源中的線路端電路上進行測量時，這是非常有用的。

由于差分探頭測量兩個輸入端之間的差值，因此兩個輸入端共同的信號，稱為共模信號，將被抵消或幅度顯著減小。這意味著兩個輸入端共同的偏置電平、噪聲、串?dāng)_可能被抵消，至少幅度會顯著減小。

下面顯示了差分探頭的概念框圖（圖 5）。圖中包括一個受測試器件，模型為差分源，具有共模元件。

圖 5：差分探頭與受測器件概念圖，其中受測器件模型化為具有共模元件的差分源。

差分探頭的核心元件是差分放大器。差分放大器輸出是 + 和 – 輸入端之差。在差分放大器前面，電路看起來像是兩個單端有源探頭。如圖所示，差分探頭輸入端連接到通用差分源，包括兩個差分元件 Vp 和 Vn，還有一個共模源 Vcom。

理想的差分探頭的工作方式如下：上方 (+) 探頭輸入端的電壓為 Vp + Vcom。下方 (-) 探頭輸入端的電壓為 – Vn + Vcom。將這些輸入施加到差分放大器上，會產(chǎn)生 Vp+Vn 的輸出，假定單位增益。共模信號現(xiàn)已消除。

共模信號在差分探頭中衰減的程度取決于共模抑制比 (CMRR)。CMRR 是差分探頭的差分增益與共模增益的功率比，以分貝 (dB) 表示。CMRR 通常取決于頻率，隨著頻率提高而降低，且通常指定為多個頻率。

Teledyne LeCroy ZD1000 探頭就是一例 1 GHz 帶寬差分探頭，差分輸入范圍為 ±8 伏特，在 60 Hz 頻率下 CMRR 為 60 dB（圖 6）。該探頭旨在用于 Teledyne LeCroy 示波器。其差分輸入電阻為 120 kΩ，差分輸入電容小于 1 pF。

圖 6：使用小型 IC 適配器的 ZD1000 差分探頭。這些探頭尖端一側(cè)有絕緣，以防止與相鄰 IC 引腳短路。它們還具有低電感電阻補償，以減少電感峰值。

ZD1000 還包括多個探頭尖端適配器，以滿足很多探測應(yīng)用的需求。要記住，差分探頭的探測配置應(yīng)該是對稱的，兩個輸入端都使用相同的適配器，以達到盡可能最好的 CMRR。

高電壓差分探頭差分探頭的關(guān)鍵優(yōu)點是輸入不以地面為基準(zhǔn)，具有衰減共模信號的能力。在測試開關(guān)模式電源器件時，這些特性也可能是非常有用的，在這種情況下，線路側(cè)不以地面為基準(zhǔn)。高壓差分探頭，例如 Teledyne LeCroy HVD3106，適用于此類應(yīng)用（圖 7）。

圖 7：Teledyne LeCroy HVD3106 探頭和相關(guān)配件的設(shè)計目的是按照 IEC/EN 61010-31:2015 標(biāo)準(zhǔn)進行安全的高壓探測。

該探頭的最大差分電壓為 1500 伏特。實現(xiàn)如此寬的電壓范圍的方法是在差分放大器前面使用 500:1 衰減。在 60 Hz 的頻率下，探頭的 CMRR 為 85 dB。此外，探頭及其配件的物理配置的目的是小心探測高電壓，安全等級符合 IEC/EN 61010-31:2015 標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)論有源探頭具有增加帶寬和降低探頭負載的優(yōu)點。差分探頭的價值在于增加地面隔離能力，減少共模信號。而專有接口可將這些探頭完全集成到示波器用戶接口中，使得安裝和操作更加簡單。

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