转载---芯片之家2021-08-31 12:15
由于探头的存在，示波器扩大了示波器的应用范围，使示波器能够在线测试和分析被测电子电路，如下图所示：
图1示波器探头的作用
第一：由于探头具有负载效应，探头会直接影响被测信号和被测电路；
第二：探头是整个示波器测量系统的一部分，会直接影响仪器的信号保真度和测试结果
探头检测到被测电路后，探头成为被测电路的一部分。探头的负载效应包括以下三部分： 1. 阻性负载效应； 2. 容性负载效应； 3. 感性负载效应。
图2探头的负载效应
电阻负载相当于在被测电路上并联电阻，对被测信号进行分压，影响被测信号的范围和直流偏置。有时，当添加探头时，故障电路可能会变得正常。一般推荐探头的电阻R>被测源电阻的10倍，以保持小于10%的范围误差。
图3探头的阻性负载
容性负载相当于在被测电路上并联一个电容器，对被测信号进行滤波，影响被测信号的升降时间、传输延迟和传输互连通道的带宽。有时，当添加探头时，故障电路变得正常，电容效应起着关键作用。一般建议使用电容负载尽可能小的探头，以减少对被测信号边缘的影响。
图4探头的容性负载
感性负载来源于探头地线的电感效应，这地线电感会与容性负载和阻性负载形成谐振，从而使显示的信号上出现振铃。如果显示的信号上出现明显的振铃，需要检查确认是被测信号的真实特征还是由于接地线引起的振铃，检查确认的方法是使用尽量短的接地线。一般推荐使用尽量短的地线，一般地线电感=1nH/mm。
图5探头的感性负载
示波器探头可分为两类：无源探头和有源探头。顾名思义，无源有源是否需要为探头供电。
1. 低阻电阻分压探头； 2. 高阻无源探头(最常用的无源探头)有补偿； 3. 高压探头
1. 单端有源探头； 2. 差分探头； 3. 电流探头
对比最常用的高阻无源探头和有源探头如下：
表1对比有源探头和无源探头
低阻电阻分压探头具有较低的电容负载（<1pf)，较高的带宽（>1.5GHz），价格较低，但电阻负荷很大，一般只有500ohm或1Kohm，因此，只适用于测试低源阻抗或只关注时间参数测试的电路。
图6低输入电阻探头结构
带补偿的高阻无源探头是最常用的无源探头，一般示波器标配的探头都是此类探头。带补偿的高阻无源探头输入电阻高(一般1Mohm以上)，可调补偿电容，与示波器输入相匹配，动态范围高，可测试信号(几十幅以上)，价格也低。但不知道的是输入电容过大(一般10)pf以上），带宽较低（一般500MHz以内）。
图7中常用的无源探头结构
带补偿的高阻无源探头有补偿电容器。当连接到示波器时，通常需要调整电容值（探头需要用小螺丝刀调整，探头连接到示波器补偿输出测试位置），以匹配示波器输入电容器，以消除低频或高频增益。下图左侧为高频或低频增益，调整后的补偿信号显示波形如下图右侧所示。
图8无源探头补偿
高压探头是在补偿无源探头的基础上增加输入电阻，增加衰减（如100:1或1000:1等）。由于需要使用耐高压元件，高压探头的物理尺寸一般较大。
图9高压探头结构
让我们来看看600MHz无源探头和1.5GHz有源探头测试1ns上升时间阶跃信号的影响。使用脉冲发生器产生一个1ns测试夹具后，使用阶跃信号SMA电缆直接连接到1.5GHz在带宽的示波器上，在示波器上显示一个波形(如下图所示的蓝色信号)，并将其存储为参考波形。然后用探头点测试夹具检测被测信号SMA由于探头负载的影响，直连波形变成黄色波形，探头通道显示绿色波形。然后分别测试上升时间，可以看到无源探头和有源探头对高速信号的影响。
图10无源探头和有源探头对被测信号和测量结果的影响
使用1165A 600MHz使用鳄鱼嘴接地线的无源探头：受探头负响，上升时间为：1.9ns；探头通道显示的波形有振铃，上升时间为:1.85ns;
使用1156A 1.5GHz使用5个有源探头cm接地线：受探头负载影响较小，上升时间仍为：1ns；探头通道显示的波形与原始信号一致，上升时间仍为：1ns。
采用放大器实现阻抗变换的目的，单端有源探头结构图如下。单端有源探头输入阻抗高(一般100Kohm但输入电容较小(一般小于1)，pf)，通过探头放大器连接到示波器后，示波器必须使用50ohm输入阻抗。有源探头带宽(现在可达30GHz），负载小，但价格相对较高（一般每个探头的价格约为同一带宽示波器的10%），动态范围较小（需要注意的是，超出探头动态范围的信号无法正确测试。一般动态范围5V左右)，比较脆弱，使用时要小心。
图11有源探头结构
差分探头结构图如下，使用差分放大器实现阻抗变换。差分探头输入阻抗高(一般50Kohm但输入电容较小(一般小于1)，pf)，通过差分探头放大器连接到示波器后，示波器必须使用50ohm 输入阻抗。差分探头带宽很宽(现在可达30)GHz），负载很小，共模抑制比高，但价格比较高(一般每个探头的价格在同一带宽示波器的10%左右)，动态范围也比较小(需要注意的是，超出探头动态范围的信号无法正确测试。一般动态范围3V左右)，比较脆弱，使用时要小心。
差分探头适用于测试高速差分信号(测试时无接地)、放大器测试、电源测试、虚地测试等应用。
图12差异探头结构
电流探头也是利用霍尔传感器和感应线圈测量直流和交流电流的有源探头。电流探头将电流信号转换为电压信号，示波器收集电压信号，然后显示为电流信号。电流探头可以测试几十毫安到几百安培的电流，使用时需要引出电流线(电流探头夹在中间测试，不会影响被测电路)。
当电流钳关闭，中心周围有电流的导体时，磁场会相应出现。这些磁场偏转霍尔传感器中的电子，在霍尔传感器的输出中产生电势。根据电势，电流探头产生反向（补偿）电流到电流探头的线圈，使电流钳中的磁场为零，以防止饱和。根据反向电流测量实际电流值。这种方法可以非常线性地测量大电流，包括交直流混合电流。
图13电流探头测试直流和低频的工作原理
随着被测电流频率的增加，霍尔效应逐渐减弱。当测量不含直流成分的高频交流电流时，电流探头的线圈大多通过磁场的强度直接感应到。此时，探头就像一个电流变压器。电流探头直接测量感应电流，而不是补偿电流。功率放大器的输出为线圈提供了低阻抗接地电路。
图14电流探头测试高频时的工作原理
当电流探头工作20KHz部分测量是通过霍尔传感器实现的，另一部分是通过线圈实现的。
图15电流探头交叉区的工作原理
现代高带宽有源探头采用分离式设计方法，即探头放大器与探头附件分离。这种设计的优点是：
1.支持更多的探头附件，使检测更加灵活； 2.最昂贵的保护投资是探头放大器（探头放大器可以支持多种探测方法，以前需要几个探头）；同时，探头附件保护探头放大器（即使探头附件损坏，价格也相对便宜）； 这种设计方法很容易实现高带宽。
图16探头附件
1.点测探头附件(包括单端点测和差分点测)； 2、焊接探头附件（包括：单端焊接和差分焊接，分离式的ZIF焊接）； 3、插孔探头附件； 4、差分SMA探头附件（示波器一般直接支持SMA连接，但是如果被测信号需要上拉如HDMI，则必须使用SMA探头附件）。
1、在探头附件尖端部分会有一对阻尼电阻（一般82ohm），这对阻尼电阻的作用是消除探头附件尖端部分的电感的谐振影响； 2、探头尖端部分的后面是25Kohm的电阻，这个电阻决定了探头的输入阻抗（直流输入阻抗即电阻：单端25Kohm，差分50Kohm），这个电阻使得被测信号传输到探头放大器部分的功率是非常小的，不至于对被测信号有较大影响。 3、25Kohm的电阻后面是同轴传输线部分，这个传输线负责把小信号传输到放大器。这个传输线的长度可以很长，也可以很短，中间可以加衰减器，也可以加耦合电容。 4、同轴传输线连接到放大器，放大器是50ohm匹配的（差分100ohm匹配）。
图17有源探头附件的结构
有源探头为了保持探头的精确度，需要工作在恒温状态，所以探头放大器不能放置到高低温箱里进行高低温环境下被测电路板的测试。从探头附件结构中可见中间的50ohm传输线的长短不影响探测，所以可以用很长的同轴电缆或扩展同轴电缆，让这个同轴电缆伸进高低温箱里进行高低温换进下被测电路板的测试。如下图是N5450A扩展电缆，使用N5381A焊接探头附件，可以工作在-55°到150°温度范围。
图18高低温探头结构原理
使用N5450A扩展电缆和N5381A探头附件，使用1169A 12GHz探头放大器，在-55°和150°环境下的频响曲线如下图所示，可见能够满足高速信号测试的要求。
图19高低温探头在高低温下的频响
下图是一个例子：被测信号是一个频率456MHz，边沿时间约65ps的时钟信号，分别使用不同类型的探头和探头附件的测试结果。
A图是使用12GHz的1169A差分探头和N5381A 12GHz焊接探头附件的测试结果，几乎完全复现被测信号；
B图是使用500MHz的无源探头的测试结果，显示的信号完全失真； C图是使用12GHz的1169A差分探头和较长的测试引线的测试结果，显示的信号出现很大的过冲； D图是使用4GHz的1158A单端探头和较长的测试引线的测试结果，显示的信号几乎是正弦波，失真较大。
图20不同探头附件测试结果对比
从图中可见探头和探头附件对测试精确度的影响是非常大的，是我们测试高速信号应该重点注意的内容之一。那我们应该如何验证探头和探头附件呢？
验证探头和探头附件需要使用一台脉冲码型发生器（如:81134A，3.35GHz速率，60ps边沿的脉冲码型发生器），如果示波器自带高速信号输出功能，也可以使用示波器的这个辅助输出口代替脉冲码型发生器（如: Infiniium示波器的AUX OUT端口可以发一个高速时钟：456MHz频率，约65ps边沿）。另外，需要同轴电缆和测试夹具（Infiniium示波器配置的探头校准夹具可以作为探头和探头附件验证测试夹具）。测试夹具的外表是地(Ground)，里面走线是信号(Signal)，如下图所示。使用时，通过同轴电缆把一端接到脉冲码型发生器或示波器的辅助输出AUX OUT端口，另外一端通过适配器连接到示波器的通道1上。
图21探头验证夹具
然后把被验证的探头连接到通道2上，探头通过探头附件可以接触到测试夹具的信号和地（如果是差分探头，那么把+端连接到测试夹具的信号线，把-端连接到测试夹具的地上）。
1、如果探头不接触信号线，则屏幕上会出现一个原始波形，存为参考波形； 2、当用探头探测信号线时，通道1的波形会发生变化，这个变化后的波形就是被探头和探头附件影响后的被测信号； 3、这时，连接探头的通道2会出现一个波形，这个波形是探头测试到的波形；
4、通过对比参考波形，通道1的波形，和连接探头的通道2的波形，就可以直观的看出或通过测试参数读出三者的差别，可以验证探头和探头附件的影响。
图22探头验证连接和原理
下图是实际验证的一个例子，图A把示波器的AUX OUT通过同轴电缆连接到测试夹具，测试夹具的另一端通过SMA-PBNC适配器连接到示波器的一个通道上（此例连接到通道3），把探头连接到通道1上，此时调整屏幕上的波形，使得出现一个边沿阶跃波形，如图C所示，并把此波形存为参考波形。如图B把被验证探头和附件点测到测试夹具上，如图D所示，屏幕上出现3个波形，兰色的是参考波形，绿色的是受探头影响后的被测波形，黄色的是探头显示的波形，通过测试上升时间参数，过冲参数等，可确认探头和探头附件的性能。
图23探头验证实例