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示波器探头的工作原理 1

示波器探头的工作原理 1

三、有源探头
    我们先来观察一下用600MHz无源探头和1.5GHz有源探头测试1ns上升时间阶跃信号的影响。使用脉冲发生器产生一个1ns的阶跃信号,通过测试夹具后,使用SMA电缆直接连接到一个1.5GHz带宽的示波器上,这样示波器上会显示一个波形(如下图中的兰色信号),把这个波形存为参考波形。然后使用探头点测测试夹具去探测被测信号,通过SMA直连的波形因为受探头负载的影响而变成黄色的波形,探头通道显示的是绿色的波形。然后分别测试上升时间,可以看出无源探头和有源探头对高速信号的影响。

图10   无源探头和有源探头对被测信号和测量结果的影响

    具体测试结果如下:
    使用1165A 600MHz无源探头,使用鳄鱼嘴接地线:受探头负载的影响,上升时间变为:1.9ns;探头通道显示的波形存在振铃,上升时间为:1.85ns;
    使用1156A 1.5GHz有源探头,使用5cm接地线:受探头负载的影响较小,上升时间仍为:1ns;探头通道显示的波形与原始信号一致,上升时间仍为:1ns。

    单端有源探头结构图如下,使用放大器实现阻抗变换的目的。单端有源探头的输入阻抗较高(一般达100Kohm以上),而输入电容较小(一般小于1pf),通过探头放大器后连接到示波器,示波器必须使用50ohm输入阻抗。有源探头带宽宽(现在可达30GHz),而负载小,但是价格相对较高(一般每根探头达到同样带宽示波器价格的10%左右),动态范围较小(这个需要注意,因为超过探头动态范围的信号,不能正确测试。一般动态范围5V左右),比较脆弱,使用需小心。

图11  有源探头结构

     差分探头结构图如下,使用差分放大器实现阻抗变换的目的。差分探头的输入阻抗较高(一般达50Kohm以上),而输入电容较小(一般小于1pf),通过差分探头放大器后连接到示波器,示波器必须使用50ohm 输入阻抗。差分探头带宽非常宽(现在可达30GHz),负载非常小,具有较高共模抑制比,但是价格相对较高(一般每根探头达到同样带宽示波器价格的10%左右),动态范围也较小(这个需要注意,因为超过探头动态范围的信号,不能正确测试。一般动态范围3V左右),比较脆弱,使用需小心。
     差分探头适合测试高速差分信号(测试时不用接地),适合放大器测试,电源测试,适合虚地测试等应用。

图12  差分探头结构


    电流探头也是有源探头,利用霍尔传感器和感应线圈实现直流和交流电流的测量。电流探头把电流信号转换成电压信号,示波器采集电压信号,再显示成电流信号。电流探头可以测试几十毫安到几百安培的电流,使用时需要引出电流线(电流探头是把导线夹在中间进行测试的,不会影响被测电路)。

    电流探头在测试直流和低频交流时的工作原理:
    当电流钳闭合,把一通有电流的导体围在中心时,响应地会出现一个磁场。这些磁场使霍尔传感器内的电子发生偏转,在霍尔传感器的输出产生一个电动势。电流探头根据这个电动势产生一个反向(补偿)电流送至电流探头的线圈,使电流钳中的磁场为零,以防止饱和。电流探头根据反向电流测得实际的电流值。用这个方法,能够非常线性的测量大电流,包括交直流混合的电流。


图13   电流探头测试直流和低频时的工作原理

    电流探头在测试高频时的工作原理:
    随着被测电流频率的增加,霍尔效应逐渐减弱,当测量一个不含直流成分的高频交流电流时,大部分是通过磁场的强弱直接感应到电流探头的线圈。此时,探头就像一个电流变压器,电流探头直接测量的是感应电流,而不是补偿电流,功放的输出为线圈提供一个低阻抗的接地回路。

图14  电流探头测试高频时的工作原理

    电流探头在交叉区域时的工作原理:
    当电流探头工作在20KHz的高低频交叉区域时,部分测量是通过霍尔传感器实现的,另一部分是通过线圈实现的。

图15   电流探头交叉区域的工作原理


四、有源探头附件
    现代的高带宽有源探头都采用分离式的设计方法,即:探头放大器与探头附件部分分开。这样设计的好处是:
    1、支持更多的探头附件,使得探测更加的灵活;
    2、保护投资,最贵的是探头放大器(一个探头放大器可以支持多种探测方式,以前需要几个探头来实现);同时探头附件保护探头放大器(探头附件即使损坏,价格也相对便宜);
    3、这种设计方式容易实现高带宽。


图16  探头附件

    这些探头附件,主要包括以下几种:
        1、点测探头附件(包括:单端点测和差分点测);
        2、焊接探头附件(包括:单端焊接和差分焊接,分离式的ZIF焊接);
        3、插孔探头附件;
        4、差分SMA探头附件(示波器一般直接支持SMA连接,但是如果被测信号需要上拉如HDMI,则必须使用SMA探头附件)。

    探头附件的电路结构如下图所示:
    1、在探头附件尖端部分会有一对阻尼电阻(一般82ohm),这对阻尼电阻的作用是消除探头附件尖端部分的电感的谐振影响;
    2、探头尖端部分的后面是25Kohm的电阻,这个电阻决定了探头的输入阻抗(直流输入阻抗即电阻:单端25Kohm,差分50Kohm),这个电阻使得被测信号传输到探头放大器部分的功率是非常小的,不至于对被测信号有较大影响。
    3、25Kohm的电阻后面是同轴传输线部分,这个传输线负责把小信号传输到放大器。这个传输线的长度可以很长,也可以很短,中间可以加衰减器,也可以加耦合电容。
    4、同轴传输线连接到放大器,放大器是50ohm匹配的(差分100ohm匹配)。

图17  有源探头附件的结构
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