探頭進(jìn)階之——差分和單端有源探頭的性能差別

圖4 差分探頭和單端探頭的頻率響應(yīng)

此外，在使用圓柱接地環(huán)地條件下給出指標(biāo)的單端探頭帶寬指標(biāo)，是不具備實(shí)際意義的，因?yàn)樵趯?shí)際測試中，您基本上無法采用這種方式來測量。
如果您分析由差分信號（vcm=0，vp=vm）驅(qū)動(dòng)的差分模型，就會看到由于正負(fù)信號連接的固有對稱性，在連接間就會存在一個(gè)沒有凈信號的平面。您可認(rèn)為該“有效”地平面牢固地接到被測信號的地平面和探頭放大器的地?？紤]到有效地平面的存在，即可分析半電路模型，此時(shí)信號地的環(huán)路面積近似為單端環(huán)路面積的一半，所以電感要低得多。從半電路模型分析可看到差分模型的帶寬要遠(yuǎn)高于單端模型。此外，有效地平面是理想的接地連接，而且毫不影響其可用性。
當(dāng)差分探頭受單端源驅(qū)動(dòng)時(shí)，您可用疊加法確定總響應(yīng)。當(dāng)vcm=vp=vm時(shí)，即電路中施加了單端信號。對于疊加的第一項(xiàng)，把vcm“關(guān)閉”；對于疊加的第二項(xiàng)，把vp和vm“關(guān)閉”。第一項(xiàng)是差分部分對單端信號的響應(yīng)，因此該響應(yīng)和前面的討論一致。第二項(xiàng)是共模部分對單端信號的響應(yīng)，因此其響應(yīng)決定于探頭的共模抑制。如果探頭有好的共模抑制能力，那么對單端信號的總響應(yīng)就只是對單端信號差模成分的響應(yīng)。如果探頭的共模抑制不好，就會看到測量差分信號和測量單端信號的差異。從圖4可看到這些響應(yīng)實(shí)際上并無差別。
圖4示出用差分探頭檢測單端信號（綠色）和用單端探頭檢測單端信號（藍(lán)色）的頻率響應(yīng)，兩者都使用同樣的7GHz探頭差分放大器。探頭的帶寬定義為探頭輸出幅度相對輸入幅度下降到-3dB處的頻率。顯然，差分探頭的帶寬要比單端探頭高得多（7.8GHz對5.4GHz）。這兩種探頭都有很高的頻率平坦度，因?yàn)樵谶B接中使用了正確的阻尼電阻。
圖5示出對于輸入約100ps上升時(shí)間的階躍信號，差分探頭所測的時(shí)域響應(yīng)。圖6示出對于輸入約100ps上升時(shí)間的階躍信號，單端探頭所測的時(shí)域響應(yīng)。在這兩個(gè)圖中，紅色跡線是探頭的輸出(即示波器屏幕上顯示地波形)，綠色跡線是探頭的輸入(即探頭探上被測對象后，被測信號地波形)。應(yīng)注意這不是探頭的階躍響應(yīng)，而只是測量它們是否能跟蹤100ps的階躍。為測量階躍響應(yīng)，必須有非常完美的輸入，即有極快上升時(shí)間的階躍，此時(shí)差分探頭能顯示出比單端探頭更快的上升時(shí)間。這兩種探頭都能很好跟蹤100ps的階躍。

圖5 差分探頭對100ps階躍的時(shí)域響應(yīng)

圖6 單端探頭對100 ps階躍的時(shí)域響應(yīng)

共模抑制問題

共模抑制是差分探頭和單端探頭都存在的問題。對差分探頭來說。共模抑制使加至探頭輸入+ 和 - 的相同信號

圖7 差分探頭和單端探頭的共模響應(yīng)

當(dāng)您檢測帶有共模噪聲的單端信號時(shí)，需要確定是差分探頭，還是單端探頭有更好的共模抑制能力。這取決于單端探頭的接地連接電感，以及差分探頭中放大器的共模抑制能力。對于本例中的差分和單端探測頭，圖7示出差分探頭的共模抑制要比單端探頭高得多，因此能在高共模噪聲環(huán)境中進(jìn)行更好的測量。這是兩種探頭的一般情況，除非單端探頭有極低電感的接地連接，但這在現(xiàn)實(shí)中是難以實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)注意這里分析的單端探頭，是安捷倫InfiniiMax 1130系列，遠(yuǎn)好于其它的許多單端探頭的共模抑制能力，因?yàn)樗牡鼐€很短。圖7中的共模響應(yīng)定義為：
差分共模響應(yīng)= 20[log(voc/vic)]
這里vic是+和-輸入的公共電壓，voc是施加vic時(shí)探頭輸出處的電壓
單端共模響應(yīng)= 20[log(voc/vic)]
這里vic是信號輸入和地輸入的公共電壓，voc是施加vic時(shí)探頭輸出處的電壓

圖8 差分探頭和單端探頭的輸入阻抗

探頭負(fù)載效應(yīng)比較

如果您用差分探測頭和單端探測頭的電感和電容值分析圖1中的電路模型，您將發(fā)現(xiàn)從單端源看過去的各探測頭輸入阻抗沒有多少差別。分析的另一方面是了解外模式阻抗如何影響差分和單端探頭。在單端探頭放大器模型中，外模式阻抗要比接地連接阻抗高得多（由于存在lg），因此它對輸入阻抗并沒有明顯影響。但由于存在外模式阻抗，進(jìn)入差分探頭的單端信號將看到較高頻率比較低頻率有略低的容抗值。
圖8是差分探頭和單端探頭的輸入阻抗（幅值）圖。紅色跡線是施加差分源時(shí)所看到的差分探頭阻抗。綠色跡線是施加單端源時(shí)看到的差分探頭阻抗，藍(lán)色跡線是施加單端源時(shí)看到的單端探頭阻抗。在圖8中標(biāo)注了這三種情況的DC電阻、電容和最小電感值。應(yīng)注意差分探頭和單端探頭對單端信號的輸入阻抗很類似。

測量的可重復(fù)性

測量的可重復(fù)性是與高頻探頭相關(guān)的問題。在理想情況下，探頭位置，電纜位置和手的位置都不應(yīng)造成探頭測量結(jié)果的變化。但許多情況下都并非如此。通常的原因是外模式阻抗的改變。這一阻抗實(shí)際上遠(yuǎn)比所示的探頭模型復(fù)雜，因?yàn)槲唇?jīng)屏蔽的傳輸線（或天線），探頭、手和電纜位置都會造成極大的影響。
如果您通過改變外模式阻抗分析單端模型，就發(fā)現(xiàn)它會造成響應(yīng)的變化。此外，由于外模式阻抗也是共模響應(yīng)中的一個(gè)因素，因此該阻抗的變化也造成共模抑制的變化。接地連接的阻抗越高，對響應(yīng)的影響就越大。
通過改變外模式阻抗分析差分模型，可發(fā)現(xiàn)這一變化只引起響應(yīng)的很小變化。在探頭放大器地上出現(xiàn)的任何信號都會受到放大器的共模抑制。因此，由探頭、手和電纜位置引起的響應(yīng)變化可得到很大的衰減。
從上面的圖4中可看到差分探頭的響應(yīng)要比單端探頭平滑得多。單端探頭響應(yīng)中有許多由外模式阻抗的變化所造成的“擾動(dòng)和扭曲”。當(dāng)阻抗變化時(shí)，響應(yīng)也隨之變化。探頭電纜上的鐵電磁珠能通過衰減和限制外模式信號減小外模式信號的變化量，從而緩解這一問題。它能減小探頭、手和電纜位置造成的響應(yīng)變化。

物理尺寸考慮

通過前面對差分探頭和單端探頭的比較，可看到不管是檢測差分信號，還是檢測單端信號，差分探頭在各方面的性能都優(yōu)于單端探頭。但有時(shí)仍可考慮使用單端探頭。單端探頭在許多測量情況下能夠提供可接受的結(jié)果，它價(jià)格低，由于探

總結(jié)

由于地跳、串?dāng)_和EMI問題，電子行業(yè)正在用差分信號取代單端信號。對于在這一新領(lǐng)域中使用的測量設(shè)備，差分檢測是必不可少的要求。因?yàn)椴罘痔筋^中信號連接間的有效地平面比單端探頭中的大多數(shù)實(shí)際地連接（非同軸）更為理想，所以差分探頭對單端信號的測量比單端探頭更好。新一代差分探頭易于使用、性能高、價(jià)格低，您可用來檢測差分信號和單端信號。
我們寫這篇文章的目的是，與您共同分享安捷倫科技的最新技術(shù)突破，若您正面臨著高速數(shù)字設(shè)計(jì)測量方面的挑戰(zhàn)，安捷倫最新推出的兩款高性能示波器(6GHz帶寬的54855A和4GHz帶寬的54854A)以全新的技術(shù)站在了業(yè)界的最前沿，她的前沿性具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，每個(gè)通道后面都采用一個(gè)20GSa/s 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一方面能保證在四個(gè)通道同時(shí)使用時(shí)，每個(gè)通道都可實(shí)現(xiàn)20GSa/s的采樣速率，而無需使用交叉采集的方式，用多個(gè)低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器湊成高采樣速率，另一方面，在作抖動(dòng)分析等高級時(shí)序測量時(shí)，精準(zhǔn)性更高；第二，對于需要深存儲器的場合，四個(gè)通道同時(shí)使用時(shí)，每個(gè)通道后面最多可提供32M的存儲深度，為業(yè)界樹立了新標(biāo)準(zhǔn)；第三，打破了多年來，探頭連接技術(shù)帶給用戶的困擾，將業(yè)界的差分探頭技術(shù)由3.5GHz帶寬提升到7GHz,配合示波器使用可真正實(shí)現(xiàn)6GHz的系統(tǒng)帶寬，在探頭技術(shù)方面的另一突破是，您可使用各種各樣的前端附件，而且保證不犧牲探頭的整體帶寬，即使您使用10cm長的前端連接，這對測試一些空間很狹小地方的測試點(diǎn)是很重要的。
若您想了解更詳細(xì)的信息，可訪問 www.agilent.com/find/InfiniiMax ，并歡迎您和我們聯(lián)系并討論任何相關(guān)的問題。

術(shù)語表

帶寬 - 頻率響應(yīng)的幅度等于-3 db（0.707）處的頻率。
共模成分 - 兩信號相等的成分。
共模抑制 - 對提供輸入1－輸入2功能的電路，輸入1和輸入2的共模成分不產(chǎn)生輸出。
差模成分 - 兩信號大小相等，極性相反的成分。
差分信號 - 使用兩個(gè)導(dǎo)體的一種電子信號發(fā)生方式，一個(gè)導(dǎo)體上的信號與另一個(gè)導(dǎo)體上的信號大小相等，極性相反。
頻率響應(yīng) - vo(s)/vi(s)，其中vo(s)是作為頻率函數(shù)的輸出信號，vi(s)是作為頻率函數(shù)的輸入信號。
半電路分析 - 分析對稱電路的一種方法，對稱線一邊的所有電流和電壓與另一邊大小相等，極性相反?？砂褜ΨQ線上的各結(jié)點(diǎn)連到一起，把它作為分析中的公共結(jié)點(diǎn)或地結(jié)點(diǎn)。
外模式 - 在同軸線外導(dǎo)體上傳輸?shù)男盘枴?br />外模式阻抗 - 同軸線外導(dǎo)體對大地或局部地（例如天線）的阻抗。
單端信號 - 使用一個(gè)信號導(dǎo)體和一個(gè)公共地導(dǎo)體的一種電子信號發(fā)生方法。通常公共地導(dǎo)體上沒有信號，信號導(dǎo)體傳輸相對地導(dǎo)體的信號。
階躍響應(yīng) - 網(wǎng)絡(luò)對理想階躍的響應(yīng)。理想階躍的上升時(shí)間為零。
疊加 - 在線性系統(tǒng)中，由多個(gè)獨(dú)立的源激勵(lì)產(chǎn)生的系統(tǒng)輸出，可以通過把每個(gè)源單獨(dú)激勵(lì)產(chǎn)生的系統(tǒng)輸出相加得到。