探頭進(jìn)階之——選用單端探頭還是差分探頭？
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(對地參考電壓)，你使用的是單端探頭，而測量差分信號 (正電壓對負(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測量差分信號和單端信號呢？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)可以探測差分信號，也可以探測單端信號，而且基本上使人們不反對使用差分探頭。這些探頭是通過可互換的端頭來提供這種能力的，而各種可互換的頭經(jīng)過優(yōu)化，可以點(diǎn)測、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題：測量單端信號，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)果來定奪。
只要使用Agilent 1134A型 7 GHz 探頭放大器的簡化模型 (圖1) 和已測數(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)?/strong>結(jié)構(gòu)引起的。探頭性能測量是采用 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)問題，請看差分探頭和單端探頭的連線寄生參數(shù)的簡化模型（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 LG (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輸入端有一個(gè)末端電阻器，地線中則沒有電阻器 (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LS和CS引起的諧振所必需的 (參考文獻(xiàn) 1)。
對單端探頭模型的分析表明了電感器和電容器的價(jià)值和 LG 的重要作用。在高頻段，接地電感會(huì)在被測設(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強(qiáng)度。如果你能降低 LG，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，或者是包圍信號線的圓柱體(形成同軸探頭連線)。這些理想的地線對于現(xiàn)實(shí)的探測來說通常都是不切實(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)無法用于實(shí)際測量的同軸夾具中也是不現(xiàn)實(shí)的。
對用差分信號 (VCM=0, VP=VM) 驅(qū)動(dòng)的差分探頭模型的分析表明，由于正信號連線和負(fù)信號連線的固有對稱性，這兩根連線之間存在著一個(gè)凈信號值為零的平面。人們可以把這個(gè)“有效的”地平面看作是與被測設(shè)備接地平面和探頭放大器地線連接的?？紤]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)單端信號源驅(qū)動(dòng)差分探頭時(shí)，人們可以采用疊加原理來確定整個(gè)響應(yīng)特性。在該模型中，你可以通過使 VCM=VP=VM 來施加單端信號。對于疊加的第一項(xiàng)，你要切斷 VCM，而對于第二項(xiàng)，你要切斷 VP 和 VM。第一項(xiàng)就是對單端信號的差分分量的響應(yīng)，所以該響應(yīng)與前面的分析相同。第二項(xiàng)是對單端信號共模分量的響應(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，則對單端信號的總響應(yīng)就是對單端信號的差分分量的響應(yīng)。如果探頭的共模抑制特性不夠好，則其后果就會(huì)以差分信號和單端信號測量值之差的形式表現(xiàn)出來。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)際上沒有差別。
圖 3 示出了探測一個(gè)單端信號的差分探頭 (綠色) 和探測一個(gè)單端信號的單端探頭 (藍(lán)色)的已測頻率響應(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 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大約 100 ps上升時(shí)間輸入階躍的已測時(shí)域響應(yīng)曲線。圖 4b 示出了單端探頭的對大約 100 ps上升時(shí)間輸入階躍的已測時(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，這兩幅圖沒有示出探頭的階躍響應(yīng)，但卻表明了兩種探頭對 100 ps階躍的跟蹤有多好。測量階躍響應(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 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 100 ps上升時(shí)間電壓階躍的響應(yīng)曲線 (紅線) 之間幾乎沒有差別，但是，差分放大器的響應(yīng)沒有過沖現(xiàn)象，并在 75 ps之內(nèi)便進(jìn)入了稍窄的誤差帶。
共模抑制特性對差分探頭和單端探頭來說都是一個(gè)問題。對于差分探頭而言，在正負(fù)兩個(gè)探頭
輸入端加上同一個(gè)信號，不應(yīng)產(chǎn)生任何輸出；而對于單端探頭而言，在信號輸入端和接地輸入端加上同一個(gè)信號也不應(yīng)產(chǎn)生任何輸出。若輸出為零，則所加信號的共模抑制就是無窮大。
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)共模信號時(shí)，LG 值就與這一外部模式阻抗一起組成了一個(gè)分壓器。此分壓器對到達(dá)放大器的地線信號起衰減作用。由于放大器的信號和地線輸入信號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，從而使放大器有輸出信號。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)外部模式信號對內(nèi)部模式信號沒有直接的影響，后者是同軸電纜內(nèi)部正常的探頭輸出信號。但是，反射的外部模式信號確實(shí)會(huì)影響探頭放大器的地線信號，因而間接影響內(nèi)部模式信號。
當(dāng)你給差分探頭加上一個(gè)共模信號時(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。所產(chǎn)生的唯一輸出信號是該放大器抑制特性的函數(shù)，它與連線電感無關(guān)。
在探測一個(gè)疊加在共模噪聲上的單端信號時(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)，用差分探頭來測量更為精確。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。
可重復(fù)性
高頻探頭存在的一個(gè)問題就是其測量的可重復(fù)性。在理想的情況下，探頭、電纜和操作的手三者的位置不應(yīng)引起探頭測量結(jié)果的變化。但不幸的是，這些因素常常影響測量結(jié)果，究其原因，通常是外部模式阻抗發(fā)生了變化。外部模式阻抗比探頭模型所示的更為復(fù)雜，這是因?yàn)樘筋^、手和電纜三者的位置對無屏蔽的傳輸線（或天線）都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。
對外部模式阻抗發(fā)生變化的單端探頭模型的分析表明，這種外部模式阻抗變化會(huì)使響應(yīng)特性發(fā)生變化。此外，由于外部模式阻抗也是共模響應(yīng)特性的一個(gè)因子，所以這一阻抗的變化會(huì)使共模抑制特性發(fā)生變化。地線的電感越大，響應(yīng)特性就越差。
對外部模式阻抗發(fā)生變化的差分探頭模型的分析表明，這種外部模式阻抗變化對響應(yīng)特性幾乎沒有影響。放大器的共模抑制會(huì)使出現(xiàn)在探頭放大器地線上的任何信號受到衰減，從而大大地降低由探頭、手和電纜三者的位置造成的變化。
在圖 3 中，差分探頭的響應(yīng)曲線比單端探頭要平滑。單端探頭的響應(yīng)特性的起伏大多數(shù)是由于外部模式阻抗的變化引起的，當(dāng)這些阻抗變球可以衰減和終止外部模式信號，并減小外部模式阻抗的變化，從而略為減小探頭、手和電纜三者位置產(chǎn)生的影響。
在差分探頭和單端探頭之間的比較可能會(huì)使你認(rèn)為：無論是探測差分信號還是單端信號，差分式探頭的性能都更好。因此要問，為什么還要使用單端探頭呢？單端探頭在許多情況下依然可以獲得令人滿意的測量結(jié)果，而且它采用不大復(fù)雜的末端網(wǎng)絡(luò)，因而價(jià)格低、體積小。小的探頭可在狹窄的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行探測，并可用多個(gè)探頭連接非常近的多個(gè)測試點(diǎn)。從這點(diǎn)來看，擁有一個(gè)既可進(jìn)行差分探測又可進(jìn)行單端探測的探測系統(tǒng)似乎是最好的。
在電子工業(yè)中，許多信號傳輸大多已從單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向差分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以緩解地線信號抖動(dòng)、串音和 EMI 等問題。差分探測是測量設(shè)備在這一新領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮作用所不可或缺的。差分探頭對單端信號的測量效果之所以要比單端探頭好，乃是因?yàn)樵诓罘痔筋^信號連線間的有效接地平面比多數(shù)單端探頭器的可用(非同軸的)地線更理想。新一代的差分探頭使用方便，性能先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，既可探測差分信號又可探測單端信號，性能價(jià)格比很好。
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