為什么將放大器裝在示波器的探頭尖端？
發(fā)布日期：2015年10月13日 瀏覽次數(shù)：
示波器探頭將示波器的輸入連接到要測量的電壓節(jié)點。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)補償?shù)姆謮浩?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。
我們可通過使用電容性補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)，可進一步降低輸入電容，但這樣做將降低進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)�？墒褂梅謮浩骷哟筮@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)。
這就使我們自然想到有源探頭(圖3)。有源探頭采用補償分壓器驅(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。
低電容設(shè)計的關(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)。
作為例子，我們可使用PP008探頭(輸入C=9.5Pf)、6英寸地線(~120nH)進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。
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。
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)補償?shù)姆謮浩?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
我們可通過使用電容性補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)，可進一步降低輸入電容，但這樣做將降低進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)�？墒褂梅謮浩骷哟筮@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
這就使我們自然想到有源探頭(圖3)。有源探頭采用補償分壓器驅(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
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
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
低電容設(shè)計的關(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
作為例子，我們可使用PP008探頭(輸入C=9.5Pf)、6英寸地線(~120nH)進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。
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。
