拆個示波器無源探頭，看看里面到底有啥秘密

01

哪根筋搭錯了要去研究一下無源探頭

一切都起源于一個問題：能不能把1X的無源探頭當同軸線去匹配50歐姆或者75歐姆的系統(tǒng)？有經(jīng)驗的人會立刻回答不能，因為就算是1X的探頭上面也串接了一個不小的電阻。我手邊正好有一個報廢的探頭，拿萬用表測了一測，內(nèi)芯的電阻有300多歐姆！外導體倒是正常的零點幾歐姆。這樣一條“同軸線”顯然不能拿去匹配50歐姆或者75歐姆的系統(tǒng)。

問題看起來是解決了，可這又加深了我對無源探頭的疑問：問什么探頭上要串那么大的電阻，又為什么1X探頭的帶寬比10X探頭小那么多？

02

拆根探頭看看里面有啥

要說這無源探頭還真不太好拆，整體注塑的還特別硬，沒辦法用水口鉗一點一點把塑料夾下來吧，塑料外殼去掉了里面還有個金屬套筒，沒辦法繼續(xù)夾吧。廢了九牛二虎之力，手上也搞出了幾處傷，終于拆除了這樣一個玩意：

無源探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

一根探針，一塊電路板，幾個電阻電容，一個單刀雙擲開關(guān)，一根同軸線，就這樣。

然后電路長成這個樣子：

無源探頭等效電路圖

03

探頭上的阻尼電阻

果然探頭上串接了不小的電阻，可為什么要串這樣一個電阻？簡單建模仿真看看：

示波器測量系統(tǒng)簡單模型

其中RS1為源內(nèi)阻，這里取經(jīng)驗值25歐姆；RD1是無源探頭的輸入阻尼電阻，仿真的時候會掃參這個電阻值；L1是探頭線纜的寄生電感，取經(jīng)驗值500nH；C1是探頭線纜寄生電容和示波器輸入電容的和，也是根據(jù)經(jīng)驗取100pF；R1是示波器的輸入阻抗，為1M歐姆。

把RD的取值作為掃描的參數(shù)，取1、25、50、75、100、150和200歐姆，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和階躍響應(yīng)如下：

這個阻尼電阻主要作用就是抵消探頭寄生電感帶來的系統(tǒng)頻響上的尖峰，阻尼電阻過小尖峰很大，時域波形會出現(xiàn)較大的過沖，阻尼電阻過大又會導致系統(tǒng)帶寬不足，實際的取值往往是根據(jù)探頭和示波器特性，經(jīng)過調(diào)試權(quán)衡出來的一個中間值。

04

為什么10X探頭比1X探頭擁有更高的帶寬

上一節(jié)可以看到，由于寄生電容電感和阻尼電阻的存在，1X探頭下系統(tǒng)的帶寬是比較低的，10X探頭卻可以通過在衰減網(wǎng)絡(luò)上增加補償電路來獲得更高的系統(tǒng)帶寬，簡化的系統(tǒng)模型如下：

10X探頭下示波器測量系統(tǒng)簡化模型

這里把阻尼電阻RD1設(shè)置為100歐姆，在1X下帶寬大約是17MHz；阻尼電阻和示代表線纜的寄生電感之間串接了一個衰減和補償網(wǎng)絡(luò)，其中C2是一個可調(diào)電容（還記得探頭上那個補償旋鈕么）。適當調(diào)節(jié)C1、C2、R2和R3的取值，就可以獲得一個較為理想的系統(tǒng)頻響。

當然真實的情況比這個模型要復雜不少。用過高帶寬無源探頭的朋友應(yīng)該會注意到，相比低帶寬探頭，高帶寬探頭除了調(diào)節(jié)低頻（1kHz方波）的那個可調(diào)點（這里是C2）外，還會有一到兩個調(diào)節(jié)高頻的補償點（可能是這里的R2和R3）用來調(diào)節(jié)高頻的過沖。

05

非一般的同軸線

探頭上的東西探索的差不多了，下面回到一開始那個問題：能不能把1X的無源探頭當同軸線去匹配50歐姆或者75歐姆的系統(tǒng)？不能，因為探頭上串接了較大的阻尼電阻。那么我把探頭剪掉（探頭不便宜，這么做還是挺心疼的），用后面那一截同軸線去匹配50歐姆或者75歐姆的系統(tǒng)行不行？這個問題能回答正確的人就不多了。

先把這一截同軸線拿到VNA上測測看是個什么結(jié)果。

同軸線S11參數(shù)

同軸線S21參數(shù)

什么鬼？！根本就不像是一條同軸線嘛。然后我又測了很多次，排除VNA故障，排除校準問題，排除測試方法不當，排除同軸線斷了....反正真的就是這么丑。

說到這細心的讀者可能會發(fā)現(xiàn)，我一開始說用萬用表測出來探頭內(nèi)芯的電阻有300多歐姆，但是后面探頭簡化的原理圖上，阻尼電阻怎么算都不到200歐姆吧，被我吃掉的100多歐姆難道在這同軸線上？是的沒錯，拿萬用表測這條同軸線芯的電阻，1m多長的線居然有近180歐姆的電阻。

這么大的電阻當然不是線纜壞掉了，肯定有它存在的道理，不廢話上TDR看看。

同軸線TDR測試

一條斜線，說明阻抗在線上是均勻分布的，這難道是傳說中的阻抗?jié)u近線？不過跟普通的阻抗?jié)u近線還有點不一樣，這條線的插入損耗特別大，因為存在較大成分的電阻成分。

被測源、無源探頭和示波器組成的一個系統(tǒng)，源端阻抗未知，終端阻抗1M歐姆，探頭這個傳輸線要怎么去匹配這個系統(tǒng)呢？那索性就不匹配了吧，再搞個高損耗的傳輸線把反射降低一下，就這么簡單粗暴。（我對射頻這部分并不是太了解，不知道這樣的說法對不對，不恰當?shù)牡胤竭€希望讀者不吝指出。）