有源探頭前端對(duì)測(cè)量的影響

很多人使用探頭測(cè)試時(shí)以為只要探頭的帶寬足夠，測(cè)量的結(jié)果就是正確的，其實(shí)并不是這樣的。具體使用環(huán)境下的很多因素都會(huì)影響到測(cè)量的結(jié)果，其中最常見(jiàn)的就是探頭和被測(cè)件之間的連接方式。通常的探頭為了使用的方便都會(huì)提供很多種可選的連接方式(比如前面介紹過(guò)的無(wú)源探頭的各種附件)，每種連接方式適用于不同的測(cè)試場(chǎng)合，但是不同的連接方式提供的系統(tǒng)帶寬可能會(huì)不一樣。更極端地，有些用戶為了連接的方便，可能還會(huì)額外引入一些引線，這有可能會(huì)減小系統(tǒng)的帶寬或者引入信號(hào)的變形。

下圖是典型的有源探頭的前端部分的等效電路圖。放大器前面的連接部分是一段阻抗不受控的連接線，有很多的等效電容和等效電感，這部分對(duì)系統(tǒng)帶寬、高頻下的輸入阻抗、頻響特性影響很大;放大器后面通常都是50Ω的傳輸線，這部分是阻抗受控的，對(duì)于系統(tǒng)帶寬的影響較小。

減小引線對(duì)系統(tǒng)帶寬影響的最簡(jiǎn)單方法是縮短探頭和被測(cè)件的連接線的長(zhǎng)度。下圖是一個(gè)例子，測(cè)試中使用2GHz單端有源探頭，在使用不同的連接附件時(shí)，系統(tǒng)的帶寬是不一樣的，使用的前端附件越短，系統(tǒng)的帶寬越高。

下圖是使用這幾種不同的連接方式對(duì)同一個(gè)1ns的上升時(shí)間信號(hào)的測(cè)量結(jié)果，可以看到，用的連接方式越短，系統(tǒng)的帶寬越高，測(cè)得的上升沿越陡。

但是在有些場(chǎng)合下，為了使用的方便，探頭的放大器距離測(cè)試點(diǎn)必須有一定的距離，這一段連接線通常表現(xiàn)為感性，如果不對(duì)這段引線引起的電感效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，這段長(zhǎng)的連接線很容易引起信號(hào)的震蕩。下面兩張圖是用4GHz的單端有源探頭經(jīng)過(guò)2英寸長(zhǎng)的引線對(duì)同一個(gè)500MHz、上升時(shí)間為100ps的時(shí)鐘信號(hào)測(cè)量的結(jié)果。左邊的圖中2英寸長(zhǎng)的引線沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何匹配，測(cè)量到的時(shí)鐘信號(hào)震蕩和變形非常嚴(yán)重;右邊的圖中在2英寸長(zhǎng)引線的源端通過(guò)一個(gè)合適的電阻進(jìn)行了匹配，信號(hào)的震蕩和變形明顯減弱。

因此，在探頭和被測(cè)件的引線長(zhǎng)度已經(jīng)不能再縮短時(shí)，采用合適的電阻在靠近測(cè)試點(diǎn)的一端對(duì)信號(hào)進(jìn)行匹配可以改善引線電感造成的影響，具體使用的匹配電阻的大小應(yīng)該根據(jù)引線的長(zhǎng)度等特性進(jìn)行仿真和計(jì)算。下圖是兩種差分探頭使用的差分焊接和點(diǎn)測(cè)探頭，可以看到，在高頻的情況下，為了提高信號(hào)測(cè)量的保真度，即使對(duì)很短的引線也需要進(jìn)行合適的匹配。關(guān)于電阻匹配需要注意的一點(diǎn)是，這個(gè)匹配電阻只是減小了長(zhǎng)線引起的信號(hào)的震蕩，對(duì)于帶寬的提升有限，如果前端引線長(zhǎng)度太長(zhǎng)，系統(tǒng)的帶寬還是會(huì)下降的。

如前所述，要提高有源探頭的帶寬，除了需要使用高帶寬的放大器以外，還需要盡可能減小測(cè)試點(diǎn)到探頭放大器這段阻抗不受控的傳輸線的長(zhǎng)度以及在連接線的前端進(jìn)行電阻匹配。但是通常高帶寬的放大器需要進(jìn)行復(fù)雜的屏蔽、匹配和供電，體積不會(huì)特別小，如果這個(gè)放大器設(shè)計(jì)得距離測(cè)試點(diǎn)太近，會(huì)造成使用很不方便。為了同時(shí)保證使用的方便以及很高的測(cè)量帶寬，現(xiàn)在市面上很多高帶寬的探頭都采用了分體式結(jié)構(gòu)。

這種探頭由探頭放大器和探頭前端兩部分組成，中間通過(guò)50Ω的同軸連接器連接。通常的探頭放大器前面部分的阻抗是不受控的，所以這部分長(zhǎng)度對(duì)信號(hào)影響很大，而InfiniiMax探頭的前端中只有前面很短的一段(約5mm左右)是阻抗不受控的，這部分引線很短從而可以保證高的測(cè)量帶寬;而探頭前端后面的部分(約10cm)都是50Ω的同軸傳輸線，這部分的長(zhǎng)度對(duì)于系統(tǒng)帶寬影響不大。因此采用了這種結(jié)構(gòu)以后，一方面探頭帶寬可以做的比較寬，另一方面探頭放大器又可以距離測(cè)試點(diǎn)比較遠(yuǎn)一些，使得探頭前端的尺寸較小從而方便使用。同時(shí)這樣分體式的結(jié)構(gòu)方便了用戶可以根據(jù)不同的測(cè)試需要更換不同的測(cè)試前端，比如點(diǎn)測(cè)的、焊接的、插孔的等等。