有源示波器探头简介

编者按：这篇有关有源探头的文章是关于探头及其正确使用方法的三部曲系列文章的第二篇。第 1 部分介绍了高阻抗无源探头。本文将讨论单端、差分、高压差分有源探头。第 3 部分将介绍电流探头。

与无源探头相比，有源探头可提供更大的带宽和更低的输入电容。在本文中，我们将对照无源探头来介绍有源探头的特征。我们将同时对单端和差分探头进行研究，另外还将介绍探头配件的正确使用方法。

为什么使用有源探头？

无源探头非常适合带宽在 50 MHz 以下的测量应用。这是因为无源探头的输入电容在 9 或 10 皮法 (pF) 范围内。这样可以加载受测试器件。这些负载效应随着频率提高而增加。为了避免这种负载效应，有源探头在无源探头的补偿衰减器和示波器输入之间插入了一个放大器（图 1）。

该放大器对连接电缆进行缓冲，让电缆能够端接到标称值为 50 Ω 的特征阻抗。这样可将探头与电缆的容性负载和示波器的输入电路隔离开。该放大器旨在最大程度减小输入电容，标称值为 4 pF。而补偿衰减器进一步减小了此电容。为实现 10:1 衰减，预期的输入电容约为 0.4 pF。但是，输入保护电路和探头尖端五金额外增加了电容。

Teledyne LeCroy ZS1000 1 GHz 单端有源探头是典型的有源探头，具有 0.9 pF 的输入电容和 1 MΩ 的输入电阻。

图 1：高阻抗无源探头和单端有源探头的简化原理图，放大器对连接电缆和示波器输入进行缓冲，同时提供低输入电容。（图片来源：DigiKey）

低输入电容扩大了有源探头的有用频率范围。在图 2 中可以看到这一点，该图将 10:1 高阻抗无源探头的输入阻抗与 ZS1000 的输入阻抗进行了比较。

图 2：高阻抗无源探头和 ZS1000 单端有源探头的频率输入阻抗函数曲线。（图片来源：DigiKey）

相比无源探头的 10 MΩ 输入阻抗和 9.·5 pF 输入电容，ZS1000 的输入阻抗为 1 MΩ，输入电容为 0.9 pF。在高于 20 kHz 的频率下，ZS1000 的输入阻抗高得多，因而信号负载较小。在 500 MHz 的频率下，ZS1000 的输入阻抗为 354 Ω，而无源探头的输入阻抗则为 34 Ω。

也许最好的比较方式是查看不同探头对快速边沿的响应差异（图 3）。

图 3：使用 50 Ω 直接连接、无源探头、ZS 系列有源探头时，示波器对快速边沿的响应。（图片来源：Teledyne LeCroy）

50 Ω 直接连接的响应被用作参考波形。有源探头响应与参考波形几乎无法区分。由于输入电容较高，无源探头响应有圆角。注意测量的上升时间。参考波形的上升时间（参数读数 P1）为 456 皮秒 (ps)，有源探头 (P2) 的上升时间则为 492 皮秒。无源探头的上升时间 (P3) 为 1.8 纳秒 (ns)。

在带宽相同的情况下，有源探头的性能通常优于无源探头。但还必须记住，有源探头需要电源。由于这个原因，有源探头几乎针对不同制造商的示波器均提供了专用连接器。对于 ZS1000 有源探头，它配备了 Teledyne LeCroy ProBus 接口，用于从示波器为探头供电。该接口让探头与示波器连为一体，因而示波器的前面板可以感应和完全控制探头。 

与无源探头相比，有源探头的输入电压范围也比较小。对这一点需要特别注意，以防止损坏探头。ZS1000 探头的输入电压范围为 ±8 伏特，最大无损电压为 20 伏特。此电压范围大于当前使用的任何逻辑电平的电压需求，因而这些探头非常适用于高速逻辑测量。

探头配件

ZS1000 探头附带了多种配件（图 4）。请注意，大多数探头尖端和接地引线非常小。物理尺寸较小意味着电容和电感较低，这意味着受测试电路的负载较小。较长的接地引线和微型夹适用于低频应用，它们增加的电抗并不会影响测量。

图 4：ZS1000 1 GHz 有源探头附带了大量配件，包括适用于低频信号的长接地引线，还有各种尖端，它们让用户能够更容易对测试点进行操作。（图片来源：Teledyne LeCroy）

标准探头尖端是针对常规探测而设计的。弹针式尖端和接地引线提供了垂直顺性，确保了有效接触，而不产生不适当的机械压力。除了在最尖端处之处，IC 尖端是绝缘的，旨在防止相邻的 IC 引脚意外短路。弯曲尖端非常适合在相邻元器件下方进行探测，适用于探头必须与板保持平行的应用。方针适配器传送信号和接地引线，采用标准的 2.54 mm 引脚间距。

接地引线包括窄型和宽型接地片。接地片具有低电感接地连接的优点。它们通常与铜垫配合使用。铜垫背侧具有粘性，粘贴到 IC 上。然后，它可以直接焊接到 IC 接地引线，提供接地电感很低的连接。偏移接地的目的是连接到探头接地插座并环绕探头。这使探头尖端和接地都能保持小间距，同时让接地引线非常短。

差分探头

差分探头可测量两个输入端之间的电压差。单端探头可测量单个点和地面之间的电压，而差分探头无需接地即可测量两个输入端之间的电压。当需要在不以地面为基准的开关模式电源中的线路端电路上进行测量时，这是非常有用的。

由于差分探头测量两个输入端之间的差值，因此两个输入端共同的信号，称为共模信号，将被抵消或幅度显著减小。这意味着两个输入端共同的偏置电平、噪声、串扰可能被抵消，至少幅度会显著减小。

下面显示了差分探头的概念框图（图 5）。图中包括一个受测试器件，模型为差分源，具有共模元件。

图 5：差分探头与受测器件概念图，其中受测器件模型化为具有共模元件的差分源。（图片来源：DigiKey）

差分探头的核心元件是差分放大器。差分放大器输出是 + 和 – 输入端之差。在差分放大器前面，电路看起来像是两个单端有源探头。如图所示，差分探头输入端连接到通用差分源，包括两个差分元件 V_p 和 V_n，还有一个共模源 V_com。

理想的差分探头的工作方式如下：上方 (+) 探头输入端的电压为 V_p + V_com。下方 (-) 探头输入端的电压为 – V_n + V_com。将这些输入施加到差分放大器上，会产生 V_p+V_n 的输出，假定单位增益。共模信号现已消除。

共模信号在差分探头中衰减的程度取决于共模抑制比 (CMRR)。CMRR 是差分探头的差分增益与共模增益的功率比，以分贝 (dB) 表示。CMRR 通常取决于频率，随着频率提高而降低，且通常指定为多个频率。

Teledyne LeCroy ZD1000 探头就是一例 1 GHz 带宽差分探头，差分输入范围为 ±8 伏特，在 60 Hz 频率下 CMRR 为 60 dB（图 6）。该探头旨在用于 Teledyne LeCroy 示波器。其差分输入电阻为 120 kΩ，差分输入电容小于 1 pF。

图 6：使用小型 IC 适配器的 ZD1000 差分探头。这些探头尖端一侧有绝缘，以防止与相邻 IC 引脚短路。它们还具有低电感电阻补偿，以减少电感峰值。（图片来源：Teledyne LeCroy）

ZD1000 还包括多个探头尖端适配器，以满足很多探测应用的需求。要记住，差分探头的探测配置应该是对称的，两个输入端都使用相同的适配器，以达到尽可能最好的 CMRR。

高电压差分探头

差分探头的关键优点是输入不以地面为基准，具有衰减共模信号的能力。在测试开关模式电源器件时，这些特性也可能是非常有用的，在这种情况下，线路侧不以地面为基准。高压差分探头，例如 Teledyne LeCroy HVD3106，适用于此类应用（图 7）。

图 7：Teledyne LeCroy HVD3106 探头和相关配件的设计目的是按照 IEC/EN 61010-31:2015 标准进行安全的高压探测。（图片来源：Teledyne LeCroy）

该探头的最大差分电压为 1500 伏特。实现如此宽的电压范围的方法是在差分放大器前面使用 500:1 衰减。在 60 Hz 的频率下，探头的 CMRR 为 85 dB。此外，探头及其配件的物理配置的目的是小心探测高电压，安全等级符合 IEC/EN 61010-31:2015 标准。 

结论

有源探头具有增加带宽和降低探头负载的优点。差分探头的价值在于增加地面隔离能力，减少共模信号。而专有接口可将这些探头完全集成到示波器用户接口中，使得安装和操作更加简单。