探头进阶之——差分和单端有源探头的性能差别 测量, 带宽

yuchengze

引言

过去在使用高带宽示波器和有源探头进行测量时，您可以选择单端探头或差分探头。一般是用单端探头测量单端信号（对地电压），用差分探头测量差分信号（正电压—负电压）。虽然也可以只买差分探头，用差分探头测量差分信号和单端信号，但出于一些实际考虑，多数人并不这样做。理由是，在安捷伦推出革新性方案之前，差分探头和单端探头是两套探头，通常价格高和难以使用，而且带宽也比单端探头低。
新的Agilent InfiniiMax探头系统既可用于差分检测，又可用于单端检测，从而排除了过去拒绝差分探头的理由。新的探头系统使用可更换的探测接头，适于点测、插孔连接和焊点埋入连接的测量方式。
对于这种新的探测方式，您需要确定是用差分探头还是单端探头测量单端信号。为作出最好的决定，需要考虑差分探头与单端探头在性能和可用性方面的优缺点。

这篇应用指南在如下几方面比较了差分探头和单端探头的优缺点：
　· 带宽、保真度和可用性
· 共模抑制
· 探头负载效应
· 测量的可重复性
· 物理尺寸


单端探头模型



差分探头模型

图1 差分探头和单端探头简化模型


我们用简化模型（图1）帮助比较，对于Agilent 1134A 7GHz探头放大器，分别使用焊点埋入连接的差分探测头和

单端探测头测量数据。这两种探测头有非常接近的物理连接尺寸，因此主要是差分和单端电路元件的布局带来的性能差别。图2和图3是这些探头的照片。
为测量探头性能，我们使用Agilent E2655A去时滞∕性能验证夹具，Agilent 8720A 20GHz矢量网络分析仪和Agilent Infiniium DCA86100取样示波器。

带宽、保真度和可用性比较

如前所述，在安捷伦未推出革新性方案前，单端探头通常有比差分探头更高的带宽。但这一结果是来自某些基本物理定律，还仅仅是来自不同结构的实际实现方法？
为回答这一问题，让我们考虑图1差分探头和单端探头连接中寄生参数的简化模型。由于单端和差分探测头的几何尺寸大致相同，因此电感和电容分布参数的量值也相当。如果接地连接使用又宽又平的导体（就像“刀片”），单端探头的接地电感（lg）会稍低一些，但也低不到哪里去。应注意差分探头在其两个输入上都有补偿阻尼，而单端探头只在信号输入上有补偿阻尼，地线上没有阻尼（在实际探头中是0Ω电阻器）。这些补偿阻尼用于消除输入连接中电感器（Ls）和电容器（Cs）所造成的谐振。要更深入了解这一话题，请参看Agilent应用指南1404“高带宽探头的保真度”。



2 Agilent 1134A单端焊点埋入探测头（上）和差分焊点埋入探测头（下）



图3 开盖的单端（上）和差分（下）焊点埋入探测头

从对单端模型的分析，可看到带宽决定于电感和电容值，其中对地电感（lg）起着重要的作用。在较高频率下，对地电感会在被测信号地与探头地之间产生一个电压，从而减小了探头衰减器∕放大器处的信号。您可通过减小对地电感来增加带宽。这就需要缩短接地线的长度，或增加连接的面积。理想的接地线应是非常短、又比较宽的导体平面或围绕信号连接的环形圆柱体（形成同轴的探头连接）。在实际的测量条件下，理想的接地线通常是不现实的，而且会大大降低单端探头的可用性。


图4 差分探头和单端探头的频率响应

此外，在使用圆柱接地环地条件下给出指标的单端探头带宽指标，是不具备实际意义的，因为在实际测试中，您基本上无法采用这种方式来测量。
如果您分析由差分信号（vcm=0，vp=vm）驱动的差分模型，就会看到由于正负信号连接的固有对称性，在连接间就会存在一个没有净信号的平面。您可认为该“有效”地平面牢固地接到被测信号的地平面和探头放大器的地。考虑到有效地平面的存在，即可分析半电路模型，此时信号地的环路面积近似为单端环路面积的一半，所以电感要低得多。从半电路模型分析可看到差分模型的带宽要远高于单端模型。此外，有效地平面是理想的接地连接，而且毫不影响其可用性。
当差分探头受单端源驱动时，您可用叠加法确定总响应。当vcm=vp=vm时，即电路中施加了单端信号。对于叠加的第一项，把vcm“关闭”；对于叠加的第二项，把vp和vm“关闭”。第一项是差分部分对单端信号的响应，因此该响应和前面的讨论一致。第二项是共模部分对单端信号的响应，因此其响应决定于探头的共模抑制。如果探头有好的共模抑制能力，那么对单端信号的总响应就只是对单端信号差模成分的响应。如果探头的共模抑制不好，就会看到测量差分信号和测量单端信号的差异。从图4可看到这些响应实际上并无差别。
图4示出用差分探头检测单端信号（绿色）和用单端探头检测单端信号（蓝色）的频率响应，两者都使用同样的7GHz探头差分放大器。探头的带宽定义为探头输出幅度相对输入幅度下降到-3dB处的频率。显然，差分探头的带宽要比单端探头高得多（7.8GHz对5.4GHz）。这两种探头都有很高的频率平坦度，因为在连接中使用了正确的阻尼电阻。
图5示出对于输入约100ps上升时间的阶跃信号，差分探头所测的时域响应。图6示出对于输入约100ps上升时间的阶跃信号，单端探头所测的时域响应。在这两个图中，红色迹线是探头的输出(即示波器屏幕上显示地波形)，绿色迹线是探头的输入(即探头探上被测对象后，被测信号地波形)。应注意这不是探头的阶跃响应，而只是测量它们是否能跟踪100ps的阶跃。为测量阶跃响应，必须有非常完美的输入，即有极快上升时间的阶跃，此时差分探头能显示出比单端探头更快的上升时间。这两种探头都能很好跟踪100ps的阶跃。



图5 差分探头对100ps阶跃的时域响应



图6 单端探头对100 ps阶跃的时域响应


共模抑制问题

共模抑制是差分探头和单端探头都存在的问题。对差分探头来说。共模抑制使加至探头输入+ 和 - 的相同信号
不产生输出。对单端探头来说，共模抑制使加至信号输入和地输入的相同信号不产生输出。
差分探头和单端探头模型（图1）示出从探头衰减器∕放大器地到“大地”的电阻和电感。这是由探头电缆屏蔽和大地构成的传输线（或天线）所造成阻抗的简化模型。这一“外模式”阻抗是重要的，因为在单端探头上施加共模信号时，地电感就与该外模式阻抗构成分压器，从而衰减了放大器得到的地信号。由于放大器的信号输入没有得到与地输入同样的衰减，这就在放大器的输入端造成一个净信号，并由此产生一个输出。地电感越高，共模抑制就越低，因此您在使用单端探头时，务必使地线尽可能短。还应注意该外模式信号并不直接影响“内模式”信号（即同轴电缆内的正常探头输出信号），但反射的外模式信号将影响探头放大器的地，从而间接影响内模式信号。“测量可重复性”部分对此有进一步的说明。
当共模信号施加至差分探头时，在 + 和 - 输入端至衰减器∕放大器上可看到同样的信号。所产生的输出将是放大器共模抑制能力的函数，而并非由连接感抗造成。



图7 差分探头和单端探头的共模响应

当您检测带有共模噪声的单端信号时，需要确定是差分探头，还是单端探头有更好的共模抑制能力。这取决于单端探头的接地连接电感，以及差分探头中放大器的共模抑制能力。对于本例中的差分和单端探测头，图7示出差分探头的共模抑制要比单端探头高得多，因此能在高共模噪声环境中进行更好的测量。这是两种探头的一般情况，除非单端探头有极低电感的接地连接，但这在现实中是难以实现的。应注意这里分析的单端探头，是安捷伦InfiniiMax 1130系列，远好于其它的许多单端探头的共模抑制能力，因为它的地线很短。图7中的共模响应定义为：
差分共模响应= 20[log(voc/vic)]
这里vic是+和-输入的公共电压，voc是施加vic时探头输出处的电压
单端共模响应= 20[log(voc/vic)]
这里vic是信号输入和地输入的公共电压，voc是施加vic时探头输出处的电压