示波器差分探頭與差分探頭的詳細(xì)介紹與選擇方法

     新的有源探頭體系結(jié)構(gòu)使GHz級(jí)以上的千兆信號(hào)的完整性測(cè)量變得更加容易、精度也更高，但這只對(duì)于了解探頭的工作原理和探頭的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間優(yōu)劣的用戶而言的。

　　寬帶寬示波器和有源探頭的用戶歷來(lái)可以在單端探頭和差分探頭之間作出選擇。測(cè)量單端信號(hào)(對(duì)地參考電壓)，你使用的是單端探頭，而測(cè)量差分信號(hào) (正電壓對(duì)負(fù)電壓)，你使用的是差分探頭。那么，為什么你不能只買差分探頭來(lái)測(cè)量差分信號(hào)和單端信號(hào)呢？實(shí)際情況是，你可以這樣做，但又存在實(shí)實(shí)在在的理由使你不能這么做。與單端探頭相比，差分探頭價(jià)格較貴，使用不大方便，帶寬也較窄。

　　新的探頭體系結(jié)構(gòu)，如 Agilent 113X 系列的體系結(jié)構(gòu)可以探測(cè)差分信號(hào)，也可以探測(cè)單端信號(hào)，而且基本上使人們不反對(duì)使用差分探頭。這些探頭是通過(guò)可互換的端頭來(lái)提供這種能力的，而各種可互換的頭經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以點(diǎn)測(cè)、插入插座和焊入探頭。這種結(jié)構(gòu)給有源探頭的用戶提出了新問(wèn)題：測(cè)量單端信號(hào)，到底該用差分探頭還是該用單端探頭？答案是應(yīng)由性能和可用性兩個(gè)方面的權(quán)衡結(jié)果來(lái)定奪。

 　　只要使用Agilent 1134A型 7 GHz 探頭放大器的簡(jiǎn)化模型 (圖1) 和已測(cè)數(shù)據(jù)以及焊入的差分和單端探頭端頭 (圖 2)，你就可以比較它們的帶寬、保真度、可用性、共模抑制特性、可重復(fù)性和尺寸大小等方面的差別。這些探頭端頭的物理連線幾何形狀相同，所以它們之間的主要性能差別是由差分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引起的。探頭性能測(cè)量是采用 Agilent E2655A 糾偏/性能驗(yàn)證夾具和 Agilent 8720A 20 GHz 向量網(wǎng)絡(luò)分析儀或者 Agilent Infiniium DCA (數(shù)字通信分析儀)采樣示波器進(jìn)行的。 

　　圖 1 差分探頭和單端探頭的簡(jiǎn)化模型的主要區(qū)別在于，差分探頭的地線電感是與放大器輸入端串聯(lián)的，而不是與探頭的“地”串聯(lián)的。 

　　圖 2 單端探頭端頭和差分焊點(diǎn)埋入探頭端頭的放大圖表明單端探頭既簡(jiǎn)單又尺寸很小。

　　如前所述，單端探頭的帶寬通常比差分式探頭寬。那么，這種差別是由物理學(xué)的某些基本定律決定的，還是實(shí)現(xiàn)差分體系結(jié)構(gòu)這一現(xiàn)實(shí)情況造成的？為了探討這個(gè)問(wèn)題，請(qǐng)看差分探頭和單端探頭的連線寄生參數(shù)的簡(jiǎn)化模型（圖 1）。差分探頭和單端探頭的幾何形狀相同導(dǎo)致它們的電感和電容值也相同。寬、扁的導(dǎo)體(探頭片)可以降低單端探頭的 L_G (接地電感)值,但不明顯。要注意的是，差分探頭的兩個(gè)輸入端都有一個(gè)末端電阻器，而單端探頭只在信號(hào)輸入端有一個(gè)末端電阻器，地線中則沒(méi)有電阻器 (在實(shí)際探頭中為一個(gè)0Ω的電阻器)。這些電阻器是適當(dāng)抑制輸入連線的L_S和C_S引起的諧振所必需的 (參考文獻(xiàn) 1)。

　　對(duì)單端探頭模型的分析表明了電感器和電容器的價(jià)值和 L_G 的重要作用。在高頻段，接地電感會(huì)在被測(cè)設(shè)備地和探頭地之間產(chǎn)生一個(gè)電壓，從而減少衰減器/放大器輸入端的信號(hào)強(qiáng)度。如果你能降低 L_G，探頭的帶寬就可以增大。

　　要減少接地電感，就要縮短地線或者加粗地線。極限條件下，理想的地線是短而寬的平面導(dǎo)體，或者是包圍信號(hào)線的圓柱體(形成同軸探頭連線)。這些理想的地線對(duì)于現(xiàn)實(shí)的探測(cè)來(lái)說(shuō)通常都是不切實(shí)際的，而且還會(huì)大大降低單端探頭的可用性。把單端探頭限制在一個(gè)無(wú)法用于實(shí)際測(cè)量的同軸夾具中也是不現(xiàn)實(shí)的。

　　對(duì)用差分信號(hào) (V_CM=0, V_P=V_M) 驅(qū)動(dòng)的差分探頭模型的分析表明，由于正信號(hào)連線和負(fù)信號(hào)連線的固有對(duì)稱性，這兩根連線之間存在著一個(gè)凈信號(hào)值為零的平面。人們可以把這個(gè)“有效的”地平面看作是與被測(cè)設(shè)備接地平面和探頭放大器地線連接的。考慮到這個(gè)有效的接地平面，你就可以分析半個(gè)電路的模型，在這一模型中，地平面上方的信號(hào)環(huán)路面積大約是整個(gè)環(huán)路的一半，因此，具有單端探頭模型電感的一半。對(duì)這半個(gè)電路模型的分析表明其帶寬寬得多了。此外，這個(gè)有效地平面是理想的地線，而又不妨礙探頭的可用性。 當(dāng)一個(gè)單端信號(hào)源驅(qū)動(dòng)差分探頭時(shí)，人們可以采用疊加原理來(lái)確定整個(gè)響應(yīng)特性。在該模型中，你可以通過(guò)使 V_CM=V_P=V_M 來(lái)施加單端信號(hào)。

　　對(duì)于疊加的第一項(xiàng)，你要切斷 VCM，而對(duì)于第二項(xiàng)，你要切斷 VP 和 VM。第一項(xiàng)就是對(duì)單端信號(hào)的差分分量的響應(yīng)，所以該響應(yīng)與前面的分析相同。第二項(xiàng)是對(duì)單端信號(hào)共模分量的響應(yīng)，所以，探頭的共模抑制特性決定這一響應(yīng)。

如果探頭具有良好的共模抑制特性，則對(duì)單端信號(hào)的總響應(yīng)就是對(duì)單端信號(hào)的差分分量的響應(yīng)。如果探頭的共模抑制特性不夠好，則其后果就會(huì)以差分信號(hào)和單端信號(hào)測(cè)量值之差的形式表現(xiàn)出來(lái)。圖 3 中的紅色曲線和綠色曲線表明這兩種響應(yīng)之間實(shí)際上沒(méi)有差別。

　　圖 3 示出了探測(cè)一個(gè)單端信號(hào)的差分探頭 (綠色) 和探測(cè)一個(gè)單端信號(hào)的單端探頭 (藍(lán)色)的已測(cè)頻率響應(yīng)曲線。兩種探頭用的都是 7GHz 探頭放大器。探頭的帶寬定義為探頭輸出除以探頭輸入所得的值再降低 3 dB 的頻率。很顯然，差分探頭端頭的帶寬比單端探頭寬得多 (7.8 GHz 對(duì) 5.4 GHz)。兩種探頭因其連線都使用了適當(dāng)?shù)淖枘犭娮杵鞫哂辛己玫念l率平坦度。 

　　圖 3 差分探頭和單端探頭頻率響應(yīng)曲線表明差分探頭的響應(yīng)曲線更寬、更平坦。

　　圖 4a 示出了差分探頭的對(duì)大約 100 ps上升時(shí)間輸入階躍的已測(cè)時(shí)域響應(yīng)曲線。圖 4b 示出了單端探頭的對(duì)大約 100 ps上升時(shí)間輸入階躍的已測(cè)時(shí)域響應(yīng)曲線。在這兩幅圖中，紅線是探頭的輸出，而綠線是探頭的輸入。要注意的是，這兩幅圖沒(méi)有示出探頭的階躍響應(yīng)，但卻表明了兩種探頭對(duì) 100 ps階躍的跟蹤有多好。測(cè)量階躍響應(yīng)特性，要求輸入是理想的、上升時(shí)間非?？斓碾A躍。在這種情況下，差分探頭的上升時(shí)間要比單端探頭快。這兩種探頭對(duì) 100 ps階躍的跟蹤都非常好。 

　　圖 4 在差分放大器 (a) 和單端放大器 (b) 對(duì) 100 ps上升時(shí)間電壓階躍的響應(yīng)曲線 (紅線) 之間幾乎沒(méi)有差別，但是，差分放大器的響應(yīng)沒(méi)有過(guò)沖現(xiàn)象，并在 75 ps之內(nèi)便進(jìn)入了稍窄的誤差帶。

　　共模抑制特性對(duì)差分探頭和單端探頭來(lái)說(shuō)都是一個(gè)問(wèn)題。對(duì)于差分探頭而言，在正負(fù)兩個(gè)探頭輸入端加上同一個(gè)信號(hào)，不應(yīng)產(chǎn)生任何輸出；而對(duì)于單端探頭而言，在信號(hào)輸入端和接地輸入端加上同一個(gè)信號(hào)也不應(yīng)產(chǎn)生任何輸出。若輸出為零，則所加信號(hào)的共模抑制就是無(wú)窮大。

　　差分探頭模型和單端探頭模型都示了探頭衰減器/放大器地線到“大地”地線之間有一個(gè)電阻器和一個(gè)電感器 (圖 1)。這兩個(gè)元件構(gòu)成了由探頭電纜屏蔽層和大地地線組成的傳輸線（或“天線”）所產(chǎn)出的阻抗的簡(jiǎn)化模型。這一外部模式阻抗是很重要的，因?yàn)楫?dāng)你給單端探頭加一個(gè)共模信號(hào)時(shí)，L_G 值就與這一外部模式阻抗一起組成了一個(gè)分壓器。此分壓器對(duì)到達(dá)放大器的地線信號(hào)起衰減作用。由于放大器的信號(hào)和地線輸入信號(hào)受到的衰減各不相同，在放大器的輸入端上就出現(xiàn)了一個(gè)凈信號(hào)，從而使放大器有輸出信號(hào)。地線電感越大，共模抑制能力越低，所以當(dāng)使用單端探頭時(shí)，保持地線盡量短是很重要的。同樣重要的是要注意這個(gè)外部模式信號(hào)對(duì)內(nèi)部模式信號(hào)沒(méi)有直接的影響，后者是同軸電纜內(nèi)部正常的探頭輸出信號(hào)。但是，反射的外部模式信號(hào)確實(shí)會(huì)影響探頭放大器的地線信號(hào)，因而間接影響內(nèi)部模式信號(hào)。

　　當(dāng)你給差分探頭加上一個(gè)共模信號(hào)時(shí)，衰減器/放大器的正負(fù)兩個(gè)輸入端都有同一個(gè)信號(hào)。所產(chǎn)生的唯一輸出信號(hào)是該放大器抑制特性的函數(shù)，它與連線電感無(wú)關(guān)。

　　在探測(cè)一個(gè)疊加在共模噪聲上的單端信號(hào)時(shí)，到底是單端探頭還是差分探頭具有更好共模抑制特性呢？答案取決于單端探頭的地線電感和差分探頭放大器的共模抑制特性。就本例的差分探頭和單端探頭而言，圖 5 表明了差分探頭的共模抑制性能要比單端探頭大許多。因此，在存在很大的共模噪音時(shí)，用差分探頭來(lái)測(cè)量更為精確。這是差分探頭與單端探頭之間很典型的區(qū)別，除非單端探頭的接地連接的電感非常小，而這一點(diǎn)在實(shí)際實(shí)踐中是很難做到的。值得注意的是，這里所分析的單端探頭的共模抑制特性與多數(shù)單端探頭同樣好，甚至更好，因?yàn)檫@里用的探頭地線很短。圖 5 所示的共模響應(yīng)特性為：差分共模響應(yīng) = 20 log(VOC/VIC)，式中VIC 是正負(fù)兩個(gè)輸入端上的共同電壓，VOC 是加上 VIC 后探頭的輸出電壓。單端共模響應(yīng) = 20 log(VOC/VIC),式中 VIC 是信號(hào)輸入端和接地輸入端上所施加的共同電壓，而 VOC 是加上 VIC 后探頭的輸出電壓。 

　　圖 5 盡管差分探頭和單端探頭都具備某種共模抑制能力，但差分探頭 (紅色) 的性能則要好得多，它在 5 GHz 時(shí)的最小共模抑制大于 20dB。另一方面，單端探頭 (藍(lán)色) 在 2.5 GHz 時(shí)的共模抑制只有約 7dB。