探頭進(jìn)階之——差分和單端有源探頭的性能差別
過去在使用高帶寬示波器和有源探頭進(jìn)行測(cè)量時(shí)，您可以選擇單端探頭或差分探頭。一般是用單端探頭測(cè)量單端信號(hào)（對(duì)地電壓），用差分探頭測(cè)量差分信號(hào)（正電壓—負(fù)電壓）。雖然也可以只買差分探頭，用差分探頭測(cè)量差分信號(hào)和單端信號(hào)，但出于一些實(shí)際考慮，多數(shù)人并不這樣做。理由是，在安捷倫推出革新性方案之前，差分探頭和單端探頭是兩套探頭，通常價(jià)格高和難以使用，而且?guī)捯脖葐味颂筋^低。
新的Agilent InfiniiMax探頭系統(tǒng)既可用于差分檢測(cè)，又可用于單端檢測(cè)，從而排除了過去拒絕差分探頭的理由。新的探頭系統(tǒng)使用可更換的探測(cè)接頭，適于點(diǎn)測(cè)、插孔連接和焊點(diǎn)埋入連接的測(cè)量方式。
對(duì)于這種新的探測(cè)方式，您需要確定是用差分探頭還是單端探頭測(cè)量單端信號(hào)。為作出最好的決定，需要考慮差分探頭與單端探頭在性能和可用性方面的優(yōu)缺點(diǎn)。
這篇應(yīng)用指南在如下幾方面比較了差分探頭和單端探頭的優(yōu)缺點(diǎn)：
· 帶寬、保真度和可用性
· 共模抑制
· 探頭負(fù)載效應(yīng)
· 測(cè)量的可重復(fù)性
· 物理尺寸
單端探頭模型
差分探頭模型
圖1 差分探頭和單端探頭簡(jiǎn)化模型
我們用簡(jiǎn)化模型（圖1）幫助比較，對(duì)于Agilent 1134A 7GHz探頭放大器，分別使用焊點(diǎn)埋入連接的差分探測(cè)頭和
單端探測(cè)頭測(cè)量數(shù)據(jù)。這兩種探測(cè)頭有非常接近的物理連接尺寸，因此主要是差分和單端電路元件的布局帶來的性能差別。圖2和圖3是這些探頭的照片。
為測(cè)量探頭性能，我們使用Agilent E2655A去時(shí)滯∕性能驗(yàn)證夾具，Agilent 8720A 20GHz矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和Agilent Infiniium DCA86100取樣示波器。
帶寬、保真度和可用性比較
如前所述，在安捷倫未推出革新性方案前，單端探頭通常有比差分探頭更高的帶寬。但這一結(jié)果是來自某些基本物理定律，還僅僅是來自不同結(jié)構(gòu)的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方法？
為回答這一問題，讓我們考慮圖1差分探頭和單端探頭連接中寄生參數(shù)的簡(jiǎn)化模型。由于單端和差分探測(cè)頭的幾何尺寸大致相同，因此電感和電容分布參數(shù)的量值也相當(dāng)。如果接地連接使用又寬又平的導(dǎo)體（就像“刀片”），單端探頭的接地電感（lg）會(huì)稍低一些，但也低不到哪里去。應(yīng)注意差分探頭在其兩個(gè)輸入上都有補(bǔ)償阻尼，而單端探頭只在信號(hào)輸入上有補(bǔ)償阻尼，地線上沒有阻尼（在實(shí)際探頭中是0Ω電阻器）。這些補(bǔ)償阻尼用于消除輸入連接中電感器（Ls）和電容器（Cs）所造成的諧振。要更深入了解這一話題，請(qǐng)參看Agilent應(yīng)用指南1404“高帶寬探頭的保真度”。
2 Agilent 1134A單端焊點(diǎn)埋入探測(cè)頭（上）和差分焊點(diǎn)埋入探測(cè)頭（下）
圖3 開蓋的單端（上）和差分（下）焊點(diǎn)埋入探測(cè)頭
從對(duì)單端模型的分析，可看到帶寬決定于電感和電容值，其中對(duì)地電感（lg）起著重要的作用。在較高頻率下，對(duì)地電感會(huì)在被測(cè)信號(hào)地與探頭地之間產(chǎn)生一個(gè)電壓，從而減小了探頭衰減器∕放大器處的信號(hào)。您可通過減小對(duì)地電感來增加帶寬。這就需要縮短接地線的長(zhǎng)度，或增加連接的面積。理想的接地線應(yīng)是非常短、又比較寬的導(dǎo)體平面或圍繞信號(hào)連接的環(huán)形圓柱體（形成同軸的探頭連接）。在實(shí)際的測(cè)量條件下，理想的接地線通常是不現(xiàn)實(shí)的，而且會(huì)大大降低單端探頭的可用性。
圖4 差分探頭和單端探頭的頻率響應(yīng)
此外，在使用圓柱接地環(huán)地條件下給出指標(biāo)的單端探頭帶寬指標(biāo)，是不具備實(shí)際意義的，因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)試中，您基本上無法采用這種方式來測(cè)量。
如果您分析由差分信號(hào)（vcm=0，vp=vm）驅(qū)動(dòng)的差分模型，就會(huì)看到由于正負(fù)信號(hào)連接的固有對(duì)稱性，在連接間就會(huì)存在一個(gè)沒有凈信號(hào)的平面。您可認(rèn)為該“有效”地平面牢固地接到被測(cè)信號(hào)的地平面和探頭放大器的地?？紤]到有效地平面的存在，即可分析半電路模型，此時(shí)信號(hào)地的環(huán)路面積近似為單端環(huán)路面積的一半，所以電感要低得多。從半電路模型分析可看到差分模型的帶寬要遠(yuǎn)高于單端模型。此外，有效地平面是理想的接地連接，而且毫不影響其可用性。
當(dāng)差分探頭受單端源驅(qū)動(dòng)時(shí)，您可用疊加法確定總響應(yīng)。當(dāng)vcm=vp=vm時(shí)，即電路中施加了單端信號(hào)。對(duì)于疊加的第一項(xiàng)，把vcm“關(guān)閉”；對(duì)于疊加的第二項(xiàng)，把vp和vm“關(guān)閉”。第一項(xiàng)是差分部分對(duì)單端信號(hào)的響應(yīng)，因此該響應(yīng)和前面的討論一致。第二項(xiàng)是共模部分對(duì)單端信號(hào)的響應(yīng)，因此其響應(yīng)決定于探頭的共模抑制。如果探頭有好的共模抑制能力，那么對(duì)單端信號(hào)的總響應(yīng)就只是對(duì)單端信號(hào)差模成分的響應(yīng)。如果探頭的共模抑制不好，就會(huì)看到測(cè)量差分信號(hào)和測(cè)量單端信號(hào)的差異。從圖4可看到這些響應(yīng)實(shí)際上并無差別。
圖4示出用差分探頭檢測(cè)單端信號(hào)（綠色）和用單端探頭檢測(cè)單端信號(hào)（藍(lán)色）的頻率響應(yīng)，兩者都使用同樣的7GHz探頭差分放大器。探頭的帶寬定義為探頭輸出幅度相對(duì)輸入幅度下降到-3dB處的頻率。顯然，差分探頭的帶寬要比單端探頭高得多（7.8GHz對(duì)5.4GHz）。這兩種探頭都有很高的頻率平坦度，因?yàn)樵谶B接中使用了正確的阻尼電阻。
圖5示出對(duì)于輸入約100ps上升時(shí)間的階躍信號(hào)，差分探頭所測(cè)的時(shí)域響應(yīng)。圖6示出對(duì)于輸入約100ps上升時(shí)間的階躍信號(hào)，單端探頭所測(cè)的時(shí)域響應(yīng)。在這兩個(gè)圖中，紅色跡線是探頭的輸出(即示波器屏幕上顯示地波形)，綠色跡線是探頭的輸入(即探頭探上被測(cè)對(duì)象后，被測(cè)信號(hào)地波形)。應(yīng)注意這不是探頭的階躍響應(yīng)，而只是測(cè)量它們是否能跟蹤100ps的階躍。為測(cè)量階躍響應(yīng)，必須有非常完美的輸入，即有極快上升時(shí)間的階躍，此時(shí)差分探頭能顯示出比單端探頭更快的上升時(shí)間。這兩種探頭都能很好跟蹤100ps的階躍。
圖5 差分探頭對(duì)100ps階躍的時(shí)域響應(yīng)
圖6 單端探頭對(duì)100 ps階躍的時(shí)域響應(yīng)
共模抑制問題
共模抑制是差分探頭和單端探頭都存在的問題。對(duì)差分探頭來說。共模抑制使加至探頭輸入+ 和 - 的相同信號(hào)
差分探頭和單端探頭模型（圖1）示出從探頭衰減器∕放大器地到“大地”的電阻和電感。這是由探頭電纜屏蔽和大地構(gòu)成的傳輸線（或天線）所造成阻抗的簡(jiǎn)化模型。這一“外模式”阻抗是重要的，因?yàn)樵趩味颂筋^上施加共模信號(hào)時(shí)，地電感就與該外模式阻抗構(gòu)成分壓器，從而衰減了放大器得到的地信號(hào)。由于放大器的信號(hào)輸入沒有得到與地輸入同樣的衰減，這就在放大器的輸入端造成一個(gè)凈信號(hào)，并由此產(chǎn)生一個(gè)輸出。地電感越高，共模抑制就越低，因此您在使用單端探頭時(shí)，務(wù)必使地線盡可能短。還應(yīng)注意該外模式信號(hào)并不直接影響“內(nèi)模式”信號(hào)（即同軸電纜內(nèi)的正常探頭輸出信號(hào)），但反射的外模式信號(hào)將影響探頭放大器的地，從而間接影響內(nèi)模式信號(hào)。“測(cè)量可重復(fù)性”部分對(duì)此有進(jìn)一步的說明。
當(dāng)共模信號(hào)施加至差分探頭時(shí)，在 + 和 - 輸入端至衰減器∕放大器上可看到同樣的信號(hào)。所產(chǎn)生的輸出將是放大器共模抑制能力的函數(shù)，而并非由連接感抗造成。
圖7 差分探頭和單端探頭的共模響應(yīng)
當(dāng)您檢測(cè)帶有共模噪聲的單端信號(hào)時(shí)，需要確定是差分探頭，還是單端探頭有更好的共模抑制能力。這取決于單端探頭的接地連接電感，以及差分探頭中放大器的共模抑制能力。對(duì)于本例中的差分和單端探測(cè)頭，圖7示出差分探頭的共模抑制要比單端探頭高得多，因此能在高共模噪聲環(huán)境中進(jìn)行更好的測(cè)量。這是兩種探頭的一般情況，除非單端探頭有極低電感的接地連接，但這在現(xiàn)實(shí)中是難以實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)注意這里分析的單端探頭，是安捷倫InfiniiMax 1130系列，遠(yuǎn)好于其它的許多單端探頭的共模抑制能力，因?yàn)樗牡鼐€很短。圖7中的共模響應(yīng)定義為：
差分共模響應(yīng)= 20[log(voc/vic)]
這里vic是+和-輸入的公共電壓，voc是施加vic時(shí)探頭輸出處的電壓
單端共模響應(yīng)= 20[log(voc/vic)]
這里vic是信號(hào)輸入和地輸入的公共電壓，voc是施加vic時(shí)探頭輸出處的電壓
圖8 差分探頭和單端探頭的輸入阻抗
探頭負(fù)載效應(yīng)比較
如果您用差分探測(cè)頭和單端探測(cè)頭的電感和電容值分析圖1中的電路模型，您將發(fā)現(xiàn)從單端源看過去的各探測(cè)頭輸入阻抗沒有多少差別。分析的另一方面是了解外模式阻抗如何影響差分和單端探頭。在單端探頭放大器模型中，外模式阻抗要比接地連接阻抗高得多（由于存在lg），因此它對(duì)輸入阻抗并沒有明顯影響。但由于存在外模式阻抗，進(jìn)入差分探頭的單端信號(hào)將看到較高頻率比較低頻率有略低的容抗值。
圖8是差分探頭和單端探頭的輸入阻抗（幅值）圖。紅色跡線是施加差分源時(shí)所看到的差分探頭阻抗。綠色跡線是施加單端源時(shí)看到的差分探頭阻抗，藍(lán)色跡線是施加單端源時(shí)看到的單端探頭阻抗。在圖8中標(biāo)注了這三種情況的DC電阻、電容和最小電感值。應(yīng)注意差分探頭和單端探頭對(duì)單端信號(hào)的輸入阻抗很類似。
測(cè)量的可重復(fù)性
測(cè)量的可重復(fù)性是與高頻探頭相關(guān)的問題。在理想情況下，探頭位置，電纜位置和手的位置都不應(yīng)造成探頭測(cè)量結(jié)果的變化。但許多情況下都并非如此。通常的原因是外模式阻抗的改變。這一阻抗實(shí)際上遠(yuǎn)比所示的探頭模型復(fù)雜，因?yàn)槲唇?jīng)屏蔽的傳輸線（或天線），探頭、手和電纜位置都會(huì)造成極大的影響。
如果您通過改變外模式阻抗分析單端模型，就發(fā)現(xiàn)它會(huì)造成響應(yīng)的變化。此外，由于外模式阻抗也是共模響應(yīng)中的一個(gè)因素，因此該阻抗的變化也造成共模抑制的變化。接地連接的阻抗越高，對(duì)響應(yīng)的影響就越大。
通過改變外模式阻抗分析差分模型，可發(fā)現(xiàn)這一變化只引起響應(yīng)的很小變化。在探頭放大器地上出現(xiàn)的任何信號(hào)都會(huì)受到放大器的共模抑制。因此，由探頭、手和電纜位置引起的響應(yīng)變化可得到很大的衰減。
從上面的圖4中可看到差分探頭的響應(yīng)要比單端探頭平滑得多。單端探頭響應(yīng)中有許多由外模式阻抗的變化所造成的“擾動(dòng)和扭曲”。當(dāng)阻抗變化時(shí)，響應(yīng)也隨之變化。探頭電纜上的鐵電磁珠能通過衰減和限制外模式信號(hào)減小外模式信號(hào)的變化量，從而緩解這一問題。它能減小探頭、手和電纜位置造成的響應(yīng)變化。
物理尺寸考慮
通過前面對(duì)差分探頭和單端探頭的比較，可看到不管是檢測(cè)差分信號(hào)，還是檢測(cè)單端信號(hào)，差分探頭在各方面的性能都優(yōu)于單端探頭。但有時(shí)仍可考慮使用單端探頭。單端探頭在許多測(cè)量情況下能夠提供可接受的結(jié)果，它價(jià)格低，由于探
總結(jié)
由于地跳、串?dāng)_和EMI問題，電子行業(yè)正在用差分信號(hào)取代單端信號(hào)。對(duì)于在這一新領(lǐng)域中使用的測(cè)量設(shè)備，差分檢測(cè)是必不可少的要求。因?yàn)椴罘痔筋^中信號(hào)連接間的有效地平面比單端探頭中的大多數(shù)實(shí)際地連接（非同軸）更為理想，所以差分探頭對(duì)單端信號(hào)的測(cè)量比單端探頭更好。新一代差分探頭易于使用、性能高、價(jià)格低，您可用來檢測(cè)差分信號(hào)和單端信號(hào)。
我們寫這篇文章的目的是，與您共同分享安捷倫科技的最新技術(shù)突破，若您正面臨著高速數(shù)字設(shè)計(jì)測(cè)量方面的挑戰(zhàn)，安捷倫最新推出的兩款高性能示波器(6GHz帶寬的54855A和4GHz帶寬的54854A)以全新的技術(shù)站在了業(yè)界的最前沿，她的前沿性具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，每個(gè)通道后面都采用一個(gè)20GSa/s 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一方面能保證在四個(gè)通道同時(shí)使用時(shí)，每個(gè)通道都可實(shí)現(xiàn)20GSa/s的采樣速率，而無需使用交叉采集的方式，用多個(gè)低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器湊成高采樣速率，另一方面，在作抖動(dòng)分析等高級(jí)時(shí)序測(cè)量時(shí)，精準(zhǔn)性更高；第二，對(duì)于需要深存儲(chǔ)器的場(chǎng)合，四個(gè)通道同時(shí)使用時(shí)，每個(gè)通道后面最多可提供32M的存儲(chǔ)深度，為業(yè)界樹立了新標(biāo)準(zhǔn)；第三，打破了多年來，探頭連接技術(shù)帶給用戶的困擾，將業(yè)界的差分探頭技術(shù)由3.5GHz帶寬提升到7GHz,配合示波器使用可真正實(shí)現(xiàn)6GHz的系統(tǒng)帶寬，在探頭技術(shù)方面的另一突破是，您可使用各種各樣的前端附件，而且保證不犧牲探頭的整體帶寬，即使您使用10cm長(zhǎng)的前端連接，這對(duì)測(cè)試一些空間很狹小地方的測(cè)試點(diǎn)是很重要的。
若您想了解更詳細(xì)的信息，可訪問 www.agilent.com/find/InfiniiMax ，并歡迎您和我們聯(lián)系并討論任何相關(guān)的問題。
術(shù)語表
帶寬 - 頻率響應(yīng)的幅度等于-3 db（0.707）處的頻率。
共模成分 - 兩信號(hào)相等的成分。
共模抑制 - 對(duì)提供輸入1－輸入2功能的電路，輸入1和輸入2的共模成分不產(chǎn)生輸出。
差模成分 - 兩信號(hào)大小相等，極性相反的成分。
差分信號(hào) - 使用兩個(gè)導(dǎo)體的一種電子信號(hào)發(fā)生方式，一個(gè)導(dǎo)體上的信號(hào)與另一個(gè)導(dǎo)體上的信號(hào)大小相等，極性相反。
頻率響應(yīng) - vo(s)/vi(s)，其中vo(s)是作為頻率函數(shù)的輸出信號(hào)，vi(s)是作為頻率函數(shù)的輸入信號(hào)。
半電路分析 - 分析對(duì)稱電路的一種方法，對(duì)稱線一邊的所有電流和電壓與另一邊大小相等，極性相反。可把對(duì)稱線上的各結(jié)點(diǎn)連到一起，把它作為分析中的公共結(jié)點(diǎn)或地結(jié)點(diǎn)。
外模式 - 在同軸線外導(dǎo)體上傳輸?shù)男盘?hào)。
外模式阻抗 - 同軸線外導(dǎo)體對(duì)大地或局部地（例如天線）的阻抗。
單端信號(hào) - 使用一個(gè)信號(hào)導(dǎo)體和一個(gè)公共地導(dǎo)體的一種電子信號(hào)發(fā)生方法。通常公共地導(dǎo)體上沒有信號(hào)，信號(hào)導(dǎo)體傳輸相對(duì)地導(dǎo)體的信號(hào)。
階躍響應(yīng) - 網(wǎng)絡(luò)對(duì)理想階躍的響應(yīng)。理想階躍的上升時(shí)間為零。
疊加 - 在線性系統(tǒng)中，由多個(gè)獨(dú)立的源激勵(lì)產(chǎn)生的系統(tǒng)輸出，可以通過把每個(gè)源單獨(dú)激勵(lì)產(chǎn)生的系統(tǒng)輸出相加得到。
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