2021年05月31日 | 提升示波器高带宽、有源探头的性能

如果您使用高带宽有源电压探头，可能会试过通过某些创造性的方法来探测电路中难以触及的信号点。比如在探头输入端上连接一段导线，以触及被测点并焊接在上面。您也许会使用长的探针形引脚，这样能更容易看到探头触针，并把它顺利地接到所关注的节点。您也可能出于同样的目的，专门在电路板上引出测试点，以方便连接探头。

研发实验室中的工程师经常会运用这些创造性的方法来完成工作，而忽略其不利影响。如果您也像他们一样，就会知道这样做会影响到改善探头的可用性――这些连接方式会导致测量系统的电气性能下降。

这篇应用指南将探讨三种实现高带宽、有源探头体系结构的方法。
首先讨论与传统探头体系结构相关的一些性能和可用性问题。
然后探讨改进传统体系结构所做的一些工作。
最后详细介绍能有效消除传统体系结构探头所有问题的创新探头体系结构。

我们的讨论假定高带宽有源探头用户有三项基本的电性能要求 :

1. 希望在所有频率上探头对被测电路的影响尽可能小。

2. 希望探头能尽可能精确地示出所代表的被测信号。示波器本身可精确显示探头给被测信号带来的负载效应，从而能判定是否会造成问题。

3. 希望尽可能看到对信号的精准显示和表述。

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传统示波器有源探头

传统示波器探头被设计成如同“点测探头”。这些器件最适合握在手中，从一个被测点移到另一个被测点进行故障诊断或调试。

对于单端探头，点测探头一般配有两个插孔，一个插孔用于连接信号路径附件，另一个插孔用于连接接地路径附件。使用这些插孔有两个原因。第一，附件会损坏，因此需要更换。第二，制造商知道您可能使用其他连接方式，这样插孔就可以用于其他附件，包括脱手的插孔连接探测方式和脱手的焊入式连接探测方式。

但今天市场上的点测探头设计并不完全适合点测。为了最大限度减小探头的输入寄生效应，制造商把探头设计得尽可能小，以获得更高带宽的传输响应。在传统有源探头的设计中，有源电子部件通常位于探头内部，工程师在探测时正好会握住这个地方。而被测电路一般体积很小－通常约为 50 mm x 6 mm x 13 mm(2 英寸 x 0.25 英寸 x 0.5 英寸 )― 因此探头对于紧凑的空间往往显得太大，而对于几小时的探测使用又太小，使用起来很不舒适。

实现有误导性的“指标规定的”带宽

制造商用两种方法制作高带宽的单端有源探头。第一种方法是提供与探头集成在一起的信号路径和接地路径插孔。但这些插孔和附件所形成的寄生电感和电容会产生输入阻抗谐振。除非制造商通过相应的设计方法防止“插孔式”探头中的谐振 ( 这将在后面讨论 )，否则总会在某些频率上给被测信号造成明显影响 ( 见图 1)。

对传统的插孔式探头，制造商通常试图提供可以插入插孔中的附件，以使信号路径和接地路径足够短 ( 即电感足够低 )，从而将谐振频率移到探头额定带宽之外。

但目前市场上的各种插孔式探头由于各种可用性方面的考虑而提供足够长的附件，这就不可能将谐振点移到频段之外。把长附件插入插孔时，谐振点几乎总是在带宽以内。即使是未插入附件的插孔，也可能产生明显的带内谐振。在信号插孔中插入一个引脚，并在接地插孔中插入一个弹簧引脚，将会产生更为严重的带内信号失真问题，如图 1 所示。

图 1. 使用传统 4 GHz 探头，引脚接信号插座，弹簧引脚接地时的频率与幅度关系。注意 2.25 GHz 上的 Vout/Vin 峰值 >+4 dB，衰减 = 4 dB。

由于有这样的电气特性，所以您就会了解为什么探头制造商通常规定的带宽是指探头在使用专门夹具时的带宽，因为这样能够最大限度增加谐振频率。对于插孔型探头的规定带宽 ( 定义为相对直流时的 20 log (V out / V in) = –3 dB) 在日常使用的实际配置下是不可能实现的。( 本文中的各图由 Keysight 8720ES* 50 MHz 至 20 GHz 矢量网络分析仪得到。 Vasource (Vs) 在 50 MHz 至 20 GHz 范围内为 0 dB(1 V)，未在图中显示。Vin 是被测信号，可以看到探头对被测信号的负载效应。Vout 是探头输出端的信号。Vout/Vin 是探头的传递函数。)

制造商制作传统示波器探头的另一种方法是用集成的固定引脚替代信号路径插孔。这样做是因为它降低了信号路径中的电感，可把阻尼电阻直接放在信号探针的后面。在这种情况下，探头进行的测量就能实际达到所规定的探头带宽。但这种设计依赖于所关注的被测点总是相隔同样的固定距离，因为没有办法改变探头中信号和地之间的距离。这一限制大大降低了探头的可用性。为实现可变的节距，有一家制造商提供了特殊的附件，它在输入信号引脚的末端加上一个插孔。您可以插入其他附件，实现不同间距的测量。但在示波器探头和被测点之间的所有金属会造成更坏的谐振，使传输响应在探头带宽内出现 8 dB 的峰值 ( 见图 2)。

为什么本已不好的谐振变得更糟

如果您决定增加接线，或用又长又细的针形附件探测难以触及的探测点，这就和在输入端串联电感完全相同。随着与输入串联的电感增加，上述谐振频率将会移到更低的频率。因此，这些附件往往将低阻抗谐振移入我们所关注的频谱中。

图 2. 配备插孔附件的 6 GHz“点测”探头的频响特性。注意在 3.3 GHz 处的 +8 dB 峰值。

注：8720ES 现已停产。Keysight PNA-L 系列网络分析仪是推荐的替代产品。

除非制造商通过适当的设计避免这一问题，否则这些附件引起的带内谐振总是造成测量结果不精确。图 3 显示了用 51 mm(2 英寸 ) 接线探测相对较快信号的结果。

尽管此类方法一直在使用，但是我们希望被测信号的表示能够足够精确。然而实际情况往往并非如此。

图 3. 配备插孔附件和引线附件的 6 GHz“点测”探头的频响特性。注意在 800 MHz 处的 +14 dB 峰值。

图 4. Keysight 1158A 4 GHz 探头，在信号插孔内插有阻尼电阻器，并使用接地弹簧引脚附件测得的频响特性。

经改进的传统示波器探头

如前所述，配有附件的传统单端有源探头存在带内谐振，除非制造商采取适当措施加以避免。

是德科技对 1150 系列单端有源探头采取了以下措施。1150 系列的附件包括一个紧靠探针的阻尼电阻器，从而保证了被测点上的最小阻抗不会低于该阻尼电阻器的值。如图 4 所示，当探头接上时，被测信号只有极小的变化。此外，探头的输出信号正是被测信号的精确表示。

图 5. 配备适当阻尼接线的 Keysight 1158A 探头

当您需要使用长引线探测非常难以触及的被测点，或需要脱手进行测量时，是德科技提供了阻尼接线附件。在使用这些附件时，被测信号几乎不受影响，Vout 是输入信号经低通滤波后的良好表示，如图 5 所示。这种方法虽然不可避免会显著降低测量系统的带宽，但保持了信号的真实性。对于为点测优化的传统有源探头来说，这是它所能达到的最好结果。

为所有使用方式而优化的示波器探头

随着与 Infiniium 系列示波器一起使用的 InfiniiMax 探测系统的推出，是德科技为有源探头体系结构的发展作出了榜样。InfiniiMax 系统解决了前面谈到的许多电性能限制。

是德科技为 Infiniium 系列示波器设计的主机体系结构针对所有探头使用方式作了优化。 InfmiiMax 探测系统在探头前端和探头放大器之间使用了高性能射频连接器，因此您能选择为特定类型的测量而优化的高性能探头前端。并为您提供适合各类探头前端的阻尼附件。

为说明这种体系结构如何取得性能和可用性之间的平衡，让我们看看各种使用方式，以及您在每一种方式中所能实现的性能。

点测单端信号

单端探头前端针对有源探头的一种最常见应用 ( 即点测单端信号 ) 进行了优化。点测探头通常配有信号插孔和接地插孔，插孔可接纳 0.64 mm(0.025 英寸 ) 方形引脚或 0.84 mm(0.033 英寸 ) 圆形引脚，因此您可以将附件插入探针中。是德科技点测探头配有比传统探头的插孔更短且直径更小的信号路径插孔。该探头用一个接地环和弹簧引脚附件代替了接地路径插孔。用具有适当阻值的电阻器探针附件来降低点测探头输入寄生参数的影响。信号引脚有一个角度，因此当您旋转接地环时，就可以改变信号引脚与接地弹簧引脚间的跨距。这些特性提供可变跨距，比固定跨距探头有更高的可用性，同时保证点测探头实现出色的测量保真性和带宽。

图 6a. 配有固定引脚和弹簧接地附件的 6 GHz 探头的频响曲线。短粗的固定引脚在大约 3.5 GHz 处造成 +3 dB 峰值

图 6b. 配有阻尼信号引脚和弹簧接地附件的 InfiniiMax 单端点测探头前端的频响曲线

图 6a 和 6b 比较了传统 6 GHz 探头和是德科技 InfiniiMax 单端点测探头的性能比较，前者是为点测使用方式而优化，配有固定的金属信号路径引脚和弹簧接地引脚，后者使用单端点测探头前端和适当的阻尼电阻器引脚。

是德科技把点测探头设计得尽可能小，使得输入寄生效应减至最小。由于点测探头内部采用最小的电路元件，因此比市场上大多数传统探头的体积小得多。这样的设计使点测探头能深入非常紧凑的空间，触及难以检测的被测点。但许多工程师需要使用探头进行长达数小时的点测，此时这种探头则显得过小而不便于使用。为解决这一问题，探头配备了一个能将点测探头置入其中的笔套型附件，从而使工程师能够舒适地长时间握在手中。

点测差分或单端信号

这种灵活的 InfiniiMax 探头体系结构使您能进行差分或单端测量。像单端点测探头一样，差分点测探头前端配有刚好能接纳专用阻尼电阻器输入引脚的微型插孔。应注意该差分探头前端也具有可变的跨距和 Z 轴一致性。这意味着在配置探头时，您不需要在输入端加入增加电感的附件 ( 例如弹簧引脚 )，就使得可用性很好。

应注意这种探头的响应与为实现可变跨距而配有附件的传统差分探头的响应有很大的差异 ( 见图 7a 和 7b)。传统差分探头的信号引脚不提供任何弹性，这样在您接触两种信号时可以改善可用性。

图 7a.3.5 GHz 差分探头的频响曲线。该探头配有可改变跨距的附件。但额外的附件会导致谐振输入和包括峰值的传输响应

图 7b. 配有阻尼信号引脚的 InfiniiMax 差分点测探头前端。响应是平坦的，Vout 波形接近 Vin 波形

必须注意的是，对于任何高速探测，差分探头都是最好的工具。与单端探头相比，差分探头本身可以提供更高的共模抑制和带宽。虽然市场上的某些单端探头给出非常高的带宽指标，但其带宽指标往往要求其输入端不使用任何附件，并且使用专用夹具，以最大限度减小输入寄生效应。差分探头对输入端寄生效应不敏感，只要它们是平衡的。因而在与电路建立极高带宽连接时有更多的选择。InfiniiMax 差分点测探头的带宽为 12 GHz，并且有可变间距和 Z 轴一致性功能。

点测差分或单端信号

这种灵活的InfiniiMax 探头体系结构使您能进行差分或单端测量。像单端点测探头一样，差分点测探头前端配有刚好能接纳专用阻尼电阻器输入引脚的微型插孔。应注意该差分探头前端也具有可变的跨距和 Z 轴一致性。这意味着在配置探头时，您不需要在输入端加入增加电感的附件 ( 例如弹簧引脚 )，就使得可用性很好。

应注意这种探头的响应与为实现可变跨距而配有附件的传统差分探头的响应有很大的差异 ( 见图 7a 和 7b)。传统差分探头的信号引脚不提供任何弹性，这样在您接触两种信号时可以改善可用性。

必须注意的是，对于任何高速探测，差分探头都是最好的工具。与单端探头相比，差分探头本身可以提供更高的共模抑制和带宽。虽然市场上的某些单端探头给出非常高的带宽指标，但其带宽指标往往要求其输入端不使用任何附件，并且使用专用夹具，以最大限度减小输入寄生效应。差分探头对输入端寄生效应不敏感，只要它们是平衡的。因而在与电路建立极高带宽连接时有更多的选择。InfiniiMax 差分点测探头的带宽为 12 GHz，并且有可变间距和 Z 轴一致性功能。

用可以脱手的插孔连接方式测量差分或单端信号

过去为了进行脱手测量，您需要把引线附件插入探头长插孔中。通常探头配有这些附件，以通过 0.64 mm(0.025 英寸 ) 的方头引脚接到被测点。图 3 显示配备无阻尼插孔引线的 6 GHz 探头的明显谐振和出现明显峰值的响应。显然，这种方法不适合测量具有 400 MHz 以上成分的信号。

为使用InfiniiMax 探头进行类似的测量，插孔连接型差分探头前端通过短的轴向引线电阻器－代替前端引脚 ― 接到被测点，从而得到明显提高的保真性和更高的带宽 ( 见图 8)。这是创新探头体系结构远远超过传统体系结构的最生动例子。

图 8. InfiniiMax 差分插孔连接式探头前端的频响特性。Vout 与 Vin 非常接近，而且相对平坦。请注意，带宽 > 8 GHz

用可以脱手的焊入式连接测量差分或单端信号

InfiniiMax 焊入式差分探头前端与是德科技插孔连接型探头的唯一区别是在探针上用微型轴向引线电阻器代替插孔。这些电阻器上的引线非常适合焊到小封装引线和被测电路板过孔上。这种探头前端在可用性方面的优点与前述的插孔型探头相似。

应注意这种探头与插孔型探头在可用性方面的另一共同优点是其尺寸。这对于将探头挤入紧凑空间探测难以触及的被测点是非常重要的。例如要探测已插入插座的 DIMM 封装 RAM 上的引脚，传统探头是不可能完成这一任务的。而这种探头可取下点测探头前端，换上极细的探头前端(6.4 mm x 12.7 mm x 2.5 mm(0.25 英寸 x 0.5 英寸 x 0.1 英寸))，从而更容易进入紧凑的空间。而为了使用传统点测探头，您必须接上长长的引线附件，这将会降低测量的性能和保真度。

用无需手持的焊入式连接测量单端信号

为挤入更紧凑的空间，新系统提供了单端焊入式探头前端。探头前端的触针端非常小(3.8 mm x 12.7 mm x 2.5 mm(0.15 英寸 x 0.5 英寸 x 0.1 英寸 ))。如图 9 所示，这种探头前端能够实现优异的测量性能和保真度。其测量性能要比使用阻尼线附件的传统单端有源探头高得多。
应注意单端 ( 图 9) 和差分焊入式探头前端 ( 图 8) 之间的测量性能差异。从这个简单的比较中，可以明显看到差分探头和单端探头间的差别。使用单端型进行高带宽测量，因为它的外形尺寸最小。但是对于绝对最高带宽的测量，建议使用差分型探头。

图 9. InfiniiMax 单端焊入式探头前端。带宽为 5 GHz 左右

总结
Keysight InfiniiMax 探头体系结构克服了传统高带宽探头的严重缺点。传统点测探头体系结构仅为点测做了优化，但对于空间非常紧凑的探测环境来说体积太大，而对于长时间的使用又显得体积过小而很不舒适。此外，当通过其他连接方法使用点测探头时，还必须增加其他附件，从而影响性能和信号保真度。

InfiniiMax 探头体系结构提供了为各种使用要求而优化的可更换探头前端，包括在紧凑空间中的点测、长时间点测、无需手持的插座式连接探测，以及无需手持的焊入式连接探测。这种体系结构为所有这些使用方式提供了最高带宽和最高信号保真度的测量。此外，由于某些探头前端的体积很小，所以 InfiniiMax 能够在最难以触及的被测点进行无与伦比的高性能测量。最后，此系统还可以灵活地用于差分测量或单端测量。