示波器探頭基礎(chǔ)入門(mén)指南(上)

圖7傳輸線探頭的典型應(yīng)用

需要注意的是，由于傳輸線探頭的低阻抗，它的負(fù)載效應(yīng)會(huì)比較明顯。因此，此類探頭僅適用于與低輸出阻抗（幾十至100歐姆）的電路測(cè)試。對(duì)于更高輸出阻抗的電路，我們可以選擇使用高阻有源探頭的方案，將在后續(xù)詳述。

圖8 R&S RT-ZZ80 8.0GHz無(wú)源傳輸線探頭

介紹完無(wú)源探頭，我們接下來(lái)看看有源探頭。顧名思義，有源探頭區(qū)別于無(wú)源探頭最大的特點(diǎn)是“有源”，即它需要提供電源才能工作。如今大多數(shù)有源探頭都配備有特殊借口，通過(guò)與示波器連接從示波器獲得電源，而不需要額外提供外置電源（某些型號(hào)除外）。下圖所示為有源單端探頭原理圖：

圖9 有源單端探頭原理圖

有源單端探頭一般具備高阻抗（1M?上下），低寄生電容。其前端有一個(gè)高帶寬的放大器，有源探頭的供電主要用于此放大器。放大器驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)50?傳輸線到達(dá)示波器，示波器的輸入阻抗需選擇為50?作匹配。由于其較低的寄生電容和50歐姆傳輸，有源單端探頭可以提供比無(wú)源探頭更高的帶寬，因此主要應(yīng)用在高頻信號(hào)的測(cè)量領(lǐng)域。

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)往往是并存的，有源單端探頭亦是如此。能夠測(cè)量更高帶寬的信號(hào)是其優(yōu)點(diǎn)，但由于需要集成有源放大器，因而其成本相對(duì)于無(wú)源探頭來(lái)說(shuō)更高，一個(gè)幾GHz帶寬的有源單端探頭價(jià)格可達(dá)數(shù)萬(wàn)人民幣。除此之外，由于高帶寬放大器的信號(hào)輸入范圍十分有限，因而其動(dòng)態(tài)范圍有限，一般有源單端探頭的動(dòng)態(tài)范圍僅在幾伏范圍之內(nèi)，探頭所能承受的最大電壓也只有幾十伏。

相對(duì)于前面所說(shuō)的無(wú)源傳輸線探頭，有源單端探頭同樣可以應(yīng)用在低阻抗高頻率信號(hào)的測(cè)量環(huán)境，且由于其輸入阻抗相對(duì)于無(wú)源傳輸線探頭更高，因此它的負(fù)載效應(yīng)更小。不僅如此，R&S有源單端探頭還可以與RT-ZA9（N型轉(zhuǎn)換接頭，USB供電）附件連接，進(jìn)而用在射頻信號(hào)源和頻譜分析儀上，用來(lái)測(cè)試特殊環(huán)境下的信號(hào)，如傳統(tǒng)50歐姆同軸線纜無(wú)法連接的探測(cè)點(diǎn)處，或者需要使用高阻探頭探測(cè)待測(cè)點(diǎn)信號(hào)頻譜時(shí)。

圖10 R&S RT-ZS系列單端有源探頭與RT-ZA9 N型轉(zhuǎn)換頭相連

除了有源單端探頭之外，有源差分探頭是另外一類重要的有源探頭。我們可以從字面上來(lái)理解這兩種探頭的區(qū)別，有源單端的前端有兩處連接點(diǎn)：信號(hào)點(diǎn)和地。有源差分顧名思義主要用來(lái)測(cè)試差分信號(hào)，探頭前端有三處連接點(diǎn)：信號(hào)正、信號(hào)負(fù)、地。

圖11 有源單端探頭前端（左）與有源差分探頭前端（右）

有源差分探頭的原理圖如下：

圖12有源差分探頭原理圖

與有源單端探頭相比，其最大不同在于使用了差分放大器。有源差分探頭同樣具備低寄生電容和高帶寬特性，所不同的是，有源差分探頭具有高共模抑制比（CMRR），對(duì)共模噪聲的抑制能力比較強(qiáng)。有源差分探頭主要用來(lái)測(cè)試差分信號(hào)，即測(cè)試兩路信號(hào)（一般為相位相差180度的正反信號(hào)）的相對(duì)電壓差，與地?zé)o關(guān)。

圖13差分信號(hào)測(cè)試原理示意圖

上圖顯示了用有源差分探頭測(cè)試差分信號(hào)的原理，圖中紅色波形顯示的為差分信號(hào)Vin+，藍(lán)色波形顯示為差分信號(hào)Vin-，二者幅度相同，相位相差180度。Vin+和Vin-經(jīng)由差分探頭正、負(fù)探測(cè)點(diǎn)探測(cè)后經(jīng)過(guò)差分放大器放大，然后傳輸至示波器，最后得到如圖綠色差分波形。