探头进阶之——探头技术探讨 电路板, 示波器, 放大器, 技术, 带宽

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频率达数千兆赫兹的信号能被高保真地捕获检测吗？

假如你要测试的是数千兆赫的信号，那么选择合适的测试探头并确保你的印制电路板适合这些探头可能就像选择合适的示波器一样重要。实际上，你对探头的选择也许决定了你对示波器的选择。
　　假如你的信号甚至在到达你新的 6 GHz 带宽实时采样数字示波器的输入放大器之前就已失真得无法识别，则你所在公司的管理部门就会断言：在示波器花大约 6 万美元去买一台示波器来做测试实在是一个馊主意。在你推荐购买这样一台示波器之前，你本应该解决有关如何将信号输入到示波器的一些棘手问题。如果你未做这样的基础工作，那么过去与你共事的人很可能会记住你就是那个出馊主意的人。简而言之，要成功地捕获到频率高至 5 GHz 和超过5GHz的信号要比探测频率较低的信号棘手得多。
　　对信号探测的疏忽可能会使你必须重新进行高速印制电路板的版图设计。元件不断小型化，引线间距日益缩小，低压差分技术愈来愈多地用来实现更高速率的数字数据传输，这一切都要求你从电路板设计开始，就要把信号探测牢记心上。如果你不这样做，就可能要付出代价，丧失你的项目甚至会丢掉你的工作。
　　幸运的是，示波器制造商已敏锐地意识到了信号探测的重要性和越来越大的难度。他们设计和生产的新型探头的应用目标就是减轻那些必须查看数千兆赫信号的电路板设计师的负担，不过负担的减轻会伴随着高昂的成本：即带宽为5GHz或6GHz的差分有源探头，一套四件的价格通常要达到不带探头的整个 6 GHz 带宽示波器的将近一半。而如果你增加高端示波器常用的大量选件中的任何一件，并且订购的是附带有四个宽带差分探头的高端示波器，则你的采购费用总额可能要超过 10 万美元。

　　差分的差别
　　探测宽带差分信号实际上必须使用有源差分探头（参考文献 1）。在较低频率下，使用单端探头来获取一对对通道上两个信号之差证明是可行的，但在较高频率下，这种方法则几乎注定要失败。除非你把单端探头的地线长度限制在几毫米之内，否则，流过地线电感的相当大的高频电流就会导致相当大的交流压降，从而使信号失真到不能使用的毫无意义的程度。获取一对单端探头的输出之差几乎无望挽救这种局面。地线连线的交流压降和示波器通道的高频特性都不可能适当地加以匹配。另外，这种方法要用2个示波器通道才能获得一路差分信号，从而就把你的四通道示波器实际上降为双通道示波器了。
　　宽带差分探头可排除或大大减轻这些问题。考虑到相关的频率，这种探头的 CMRR （共模抑制比）好得惊人，在数千兆赫的信号下通常超过 26 dB (CMRR为20:1)。再则，这种探头的两条信号连线通常已够用，因此，你无需再用另一根连线将探头接地连接到你的电路接地上。当你确实需要这样一根连线时，它传送的电流通常足够小，使该连线长度通常可放宽到超过一英寸长，而且不需要不方便的几何形状，换句话说，这根连线不必是一块又宽又平的金属片连线。
　　差分探头的主要缺点在于它们的尺寸和成本都比单端探头稍大一些。有几种宽带差分探头有一个可能出人意料的优点，就是当你把它们用于单端探测时，你可以不必连接其中的一个输入，不需要把它接地或以其它方式端接之。

　　电阻值是奥妙所在
　　使用带宽超过约 3 GHz 的示波器带来的问题是，此类仪器一般不把较窄带宽示波器的1MΩ输入阻抗（实际上就是并行 R-C 输入电路的电阻分量）作为标准功能来提供。宽带示波器具有一个纯电阻性的50Ω输入阻抗。那些具有1MΩ输入阻抗的宽带示波器可通过一些与示波器的宽带输入连接器配对的适配器选件来做到这一点。安装这些适配器通常会使示波器带宽减少到 500 MHz。一些带宽为 3 GHz 以下的示波器可使你在 50Ω和1MΩ两种内部输入电路之间切换，在输入阻抗为1MΩ时带宽仍然是 500 MHz。3 GHz 带宽极限是多条错综复杂信号路径带来的后果，因为多条错综复杂的信号路径必定要进行阻抗切换。这些信号路径使人们不能如实地获得频率超过 3 GHz 的、包含很大能量的信号。
　　在大量的宽带示波器应用中，50Ω 输入阻抗使人们必须使用某种探头。在许多此类应用中，通常会使用无源衰减器探头。这样的探头始终是单端探头。超宽带无源探头通常具有 500Ω 的直流输入电阻和1/10 的信号衰减，或者具有1000Ω直流输入电阻 （和1/20 的衰减）。
　　一个关键参数是探头的输入电容。最好的宽带无源探头的输入电容小于0.25pF 。在频率达到6GHz 时，这一电容的电抗略高于100Ω。这一电抗是与500Ω或1000Ω电阻并联的，从而就大多数用途而言，可将它忽略不计，但有可能导致与你为了帮助探头及其地线连接到测试点而增加的某些引线的电感发生串联谐振。在一些宽带有源探头中，输入电容并不单独与探头的输入电阻并联。这一特点代表了某些有源宽带探头的另一个优势。

　　不同的理念
　　目前，世界三家主要的宽带数字示波器制造商--安捷伦 (Agilent)公司、LeCroy公司和泰克 (Tektronix) 公司，不仅制造示波器也提供探头。这三家公司都把示波器和探头的组合看作是一个系统。虽然你有时候可以把一家制造商生产的宽带探头，与另一家制造商生产的示波器一起使用，但这种组合几乎总是造成性能的折衷和操作不方便。假如你使用的探头是制造商为了与你的示波器配套使用而设计的，那么这些问题就不会发生。例如，虽然主要的模拟信号接线可以使用兼容的连接器，但那些能使示波器为探头供电并把衰减比率等辅助信息从探头传送到示波器的连接器在不同制造商的产品之间一般是不兼容的。
　　由于这些制造商最近采用了明显不同的宽带探头设计理念，因此，如果有人说你对探头的选择可能决定了你对示波器的选择，这未必是言过其实或者是本末倒置。近来，最重大的发展就是安捷伦公司和 LeCroy 公司认识到，设计具有高速系统设计师需要的所有属性的有源探头，需要对探头的输入电容和信号源与探头输入端之间的连线电感之间产生的谐振进行电阻性阻尼。阻尼电阻必须靠近信号源；如果你像一些探头设计已经尝试过的那样，把阻尼电阻放在离探头体最近的连线一端，那么你就无法实现预期的好处。
　　这一认识连同其它许多设计要求，导致安捷伦公司设计了 InfiniiMax 探头系列（图 1）。这些探头均把一个微小的无源阻尼电阻器和电阻分压器放置在距离信号源几毫米的范围内，并使用几英寸长的柔性同轴电缆把这套微型组件连接到探头体的有源电路上。泰克公司坚持说，安捷伦公司并没有创新宽带探头中的电阻阻尼，而泰克公司已经使用该技术多年了。安捷伦公司反驳说，泰克公司并没有始终把阻尼电阻器放在信号源附近，并且至少到目前，该公司还是不愿意把阻尼电阻器与探头体分开。据安捷伦公司说，由此产生的单件式设计迫使用户努力使探头体非常靠近测试点，以至于探头无法适应，尤其是在探头必须接触间距很近的引脚上的差分信号时更是如此。


图1 安捷伦公司的InfiniiMax探头有各种构置形式（从上到下）：差分浏览器、差分焊合、差分插座、单端焊合、单端浏览器。探头本体（此处没有显示）与照片右侧的连接器匹配，包括探头放大器。该放大器为同轴电缆右手端提供来自探测头（左手远端）的Z0端接。所有的探头形式中，探测头中的衰减器为同轴电缆左手端提供Z1端接。
　　泰克公司最新的差分有源探头是带宽为5 GHz的P7350，它通过有源电子元件的极端小型化解决了这个问题（图 2）。对于包含如此复杂的电子元件的部件来说，这种探头的体积小得令人吃惊，即使是这种探头设计就象安捷伦的 InfiniiMax 探头一样，接触测试点的部分和包含放大器的部分之间也不允许存在几英寸长的柔性电缆连接。


图2 泰克公司的5GHz带宽97350差分探头把有源器件置放在靠近探测头顶尖的地方，而且仍保持探测头做得非常小。两个探针的中心仅为0.1英寸，右上所示长方形连接器用于该公司的TekConnect系统，此系统为示波器提供辅助信息，如探头的衰减量。

　　探针方式
　　用过传统窄带示波器探头--甚至是无源探头--的人都很熟悉浏览器配置，这种浏览器配置可用来迅速接触并观察大量信号。人们历来一边手握探头一边浏览，但是，目前你必须探测的高速元件的微小几何结构要求用比人手更稳定的装置来夹持探头。现在，电气工程师们浏览时，探头通常是安装在小型操纵器或支架上的（图 3）。