如果您使用高帶寬有源電壓探頭，可能會試過通過某些創造性的方法來探測電路中難以觸及的信號點。比如在探頭輸入端上連接一段導線，以觸及被測點并焊接在上面。您也許會使用長的探針形引腳，這樣能更容易看到探頭觸針，并把它順利地接到所關注的節點。您也可能出于同樣的目的，專門在電路板上引出測試點，以方便連接探頭。

研發實驗室中的工程師經常會運用這些創造性的方法來完成工作，而忽略其不利影響。如果您也像他們一樣，就會知道這樣做會影響到改善探頭的可用性――這些連接方式會導致測量系統的電氣性能下降。

這篇應用指南將探討三種實現高帶寬、有源探頭體系結構的方法。
首先討論與傳統探頭體系結構相關的一些性能和可用性問題。
然后探討改進傳統體系結構所做的一些工作。
最后詳細介紹能有效消除傳統體系結構探頭所有問題的創新探頭體系結構。

我們的討論假定高帶寬有源探頭用戶有三項基本的電性能要求 :

1. 希望在所有頻率上探頭對被測電路的影響盡可能小。

2. 希望探頭能盡可能精確地示出所代表的被測信號。示波器本身可精確顯示探頭給被測信號帶來的負載效應，從而能判定是否會造成問題。

3. 希望盡可能看到對信號的精準顯示和表述。

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傳統示波器有源探頭

傳統示波器探頭被設計成如同“點測探頭”。這些器件最適合握在手中，從一個被測點移到另一個被測點進行故障診斷或調試。

對于單端探頭，點測探頭一般配有兩個插孔，一個插孔用于連接信號路徑附件，另一個插孔用于連接接地路徑附件。使用這些插孔有兩個原因。第一，附件會損壞，因此需要更換。第二，制造商知道您可能使用其他連接方式，這樣插孔就可以用于其他附件，包括脫手的插孔連接探測方式和脫手的焊入式連接探測方式。

但今天市場上的點測探頭設計并不完全適合點測。為了最大限度減小探頭的輸入寄生效應，制造商把探頭設計得盡可能小，以獲得更高帶寬的傳輸響應。在傳統有源探頭的設計中，有源電子部件通常位于探頭內部，工程師在探測時正好會握住這個地方。而被測電路一般體積很小－通常約為 50 mm x 6 mm x 13 mm(2 英寸 x 0.25 英寸 x 0.5 英寸 )― 因此探頭對于緊湊的空間往往顯得太大，而對于幾小時的探測使用又太小，使用起來很不舒適。

實現有誤導性的“指標規定的”帶寬

制造商用兩種方法制作高帶寬的單端有源探頭。第一種方法是提供與探頭集成在一起的信號路徑和接地路徑插孔。但這些插孔和附件所形成的寄生電感和電容會產生輸入阻抗諧振。除非制造商通過相應的設計方法防止“插孔式”探頭中的諧振 ( 這將在后面討論 )，否則總會在某些頻率上給被測信號造成明顯影響 ( 見圖 1)。

對傳統的插孔式探頭，制造商通常試圖提供可以插入插孔中的附件，以使信號路徑和接地路徑足夠短 ( 即電感足夠低 )，從而將諧振頻率移到探頭額定帶寬之外。

但目前市場上的各種插孔式探頭由于各種可用性方面的考慮而提供足夠長的附件，這就不可能將諧振點移到頻段之外。把長附件插入插孔時，諧振點幾乎總是在帶寬以內。即使是未插入附件的插孔，也可能產生明顯的帶內諧振。在信號插孔中插入一個引腳，并在接地插孔中插入一個彈簧引腳，將會產生更為嚴重的帶內信號失真問題，如圖 1 所示。

圖 1. 使用傳統 4 GHz 探頭，引腳接信號插座，彈簧引腳接地時的頻率與幅度關系。注意 2.25 GHz 上的 Vout/Vin 峰值 >+4 dB，衰減 = 4 dB。

由于有這樣的電氣特性，所以您就會了解為什么探頭制造商通常規定的帶寬是指探頭在使用專門夾具時的帶寬，因為這樣能夠最大限度增加諧振頻率。對于插孔型探頭的規定帶寬 ( 定義為相對直流時的 20 log (V out / V in) = –3 dB) 在日常使用的實際配置下是不可能實現的。( 本文中的各圖由 Keysight 8720ES* 50 MHz 至 20 GHz 矢量網絡分析儀得到。 Vasource (Vs) 在 50 MHz 至 20 GHz 范圍內為 0 dB(1 V)，未在圖中顯示。Vin 是被測信號，可以看到探頭對被測信號的負載效應。Vout 是探頭輸出端的信號。Vout/Vin 是探頭的傳遞函數。)

制造商制作傳統示波器探頭的另一種方法是用集成的固定引腳替代信號路徑插孔。這樣做是因為它降低了信號路徑中的電感，可把阻尼電阻直接放在信號探針的后面。在這種情況下，探頭進行的測量就能實際達到所規定的探頭帶寬。但這種設計依賴于所關注的被測點總是相隔同樣的固定距離，因為沒有辦法改變探頭中信號和地之間的距離。這一限制大大降低了探頭的可用性。為實現可變的節距，有一家制造商提供了特殊的附件，它在輸入信號引腳的末端加上一個插孔。您可以插入其他附件，實現不同間距的測量。但在示波器探頭和被測點之間的所有金屬會造成更壞的諧振，使傳輸響應在探頭帶寬內出現 8 dB 的峰值 ( 見圖 2)。

為什么本已不好的諧振變得更糟

如果您決定增加接線，或用又長又細的針形附件探測難以觸及的探測點，這就和在輸入端串聯電感完全相同。隨著與輸入串聯的電感增加，上述諧振頻率將會移到更低的頻率。因此，這些附件往往將低阻抗諧振移入我們所關注的頻譜中。

圖 2. 配備插孔附件的 6 GHz“點測”探頭的頻響特性。注意在 3.3 GHz 處的 +8 dB 峰值。

注：8720ES 現已停產。Keysight PNA-L 系列網絡分析儀是推薦的替代產品。

除非制造商通過適當的設計避免這一問題，否則這些附件引起的帶內諧振總是造成測量結果不精確。圖 3 顯示了用 51 mm(2 英寸 ) 接線探測相對較快信號的結果。

盡管此類方法一直在使用，但是我們希望被測信號的表示能夠足夠精確。然而實際情況往往并非如此。

圖 3. 配備插孔附件和引線附件的 6 GHz“點測”探頭的頻響特性。注意在 800 MHz 處的 +14 dB 峰值。

圖 4. Keysight 1158A 4 GHz 探頭，在信號插孔內插有阻尼電阻器，并使用接地彈簧引腳附件測得的頻響特性。

經改進的傳統示波器探頭

如前所述，配有附件的傳統單端有源探頭存在帶內諧振，除非制造商采取適當措施加以避免。

是德科技對 1150 系列單端有源探頭采取了以下措施。1150 系列的附件包括一個緊靠探針的阻尼電阻器，從而保證了被測點上的最小阻抗不會低于該阻尼電阻器的值。如圖 4 所示，當探頭接上時，被測信號只有極小的變化。此外，探頭的輸出信號正是被測信號的精確表示。

圖 5. 配備適當阻尼接線的 Keysight 1158A 探頭

當您需要使用長引線探測非常難以觸及的被測點，或需要脫手進行測量時，是德科技提供了阻尼接線附件。在使用這些附件時，被測信號幾乎不受影響，Vout 是輸入信號經低通濾波后的良好表示，如圖 5 所示。這種方法雖然不可避免會顯著降低測量系統的帶寬，但保持了信號的真實性。對于為點測優化的傳統有源探頭來說，這是它所能達到的最好結果。

為所有使用方式而優化的示波器探頭

隨著與 In?niium 系列示波器一起使用的 In?niiMax 探測系統的推出，是德科技為有源探頭體系結構的發展作出了榜樣。In?niiMax 系統解決了前面談到的許多電性能限制。

是德科技為 In?niium 系列示波器設計的主機體系結構針對所有探頭使用方式作了優化。 InfmiiMax 探測系統在探頭前端和探頭放大器之間使用了高性能射頻連接器，因此您能選擇為特定類型的測量而優化的高性能探頭前端。并為您提供適合各類探頭前端的阻尼附件。

為說明這種體系結構如何取得性能和可用性之間的平衡，讓我們看看各種使用方式，以及您在每一種方式中所能實現的性能。

點測單端信號

單端探頭前端針對有源探頭的一種最常見應用 ( 即點測單端信號 ) 進行了優化。點測探頭通常配有信號插孔和接地插孔，插孔可接納 0.64 mm(0.025 英寸 ) 方形引腳或 0.84 mm(0.033 英寸 ) 圓形引腳，因此您可以將附件插入探針中。是德科技點測探頭配有比傳統探頭的插孔更短且直徑更小的信號路徑插孔。該探頭用一個接地環和彈簧引腳附件代替了接地路徑插孔。用具有適當阻值的電阻器探針附件來降低點測探頭輸入寄生參數的影響。信號引腳有一個角度，因此當您旋轉接地環時，就可以改變信號引腳與接地彈簧引腳間的跨距。這些特性提供可變跨距，比固定跨距探頭有更高的可用性，同時保證點測探頭實現出色的測量保真性和帶寬。

圖 6a. 配有固定引腳和彈簧接地附件的 6 GHz 探頭的頻響曲線。短粗的固定引腳在大約 3.5 GHz 處造成 +3 dB 峰值

圖 6b. 配有阻尼信號引腳和彈簧接地附件的 In?niiMax 單端點測探頭前端的頻響曲線

圖 6a 和 6b 比較了傳統 6 GHz 探頭和是德科技 In?niiMax 單端點測探頭的性能比較，前者是為點測使用方式而優化，配有固定的金屬信號路徑引腳和彈簧接地引腳，后者使用單端點測探頭前端和適當的阻尼電阻器引腳。

是德科技把點測探頭設計得盡可能小，使得輸入寄生效應減至最小。由于點測探頭內部采用最小的電路元件，因此比市場上大多數傳統探頭的體積小得多。這樣的設計使點測探頭能深入非常緊湊的空間，觸及難以檢測的被測點。但許多工程師需要使用探頭進行長達數小時的點測，此時這種探頭則顯得過小而不便于使用。為解決這一問題，探頭配備了一個能將點測探頭置入其中的筆套型附件，從而使工程師能夠舒適地長時間握在手中。

點測差分或單端信號

這種靈活的 In?niiMax 探頭體系結構使您能進行差分或單端測量。像單端點測探頭一樣，差分點測探頭前端配有剛好能接納專用阻尼電阻器輸入引腳的微型插孔。應注意該差分探頭前端也具有可變的跨距和 Z 軸一致性。這意味著在配置探頭時，您不需要在輸入端加入增加電感的附件 ( 例如彈簧引腳 )，就使得可用性很好。

應注意這種探頭的響應與為實現可變跨距而配有附件的傳統差分探頭的響應有很大的差異 ( 見圖 7a 和 7b)。傳統差分探頭的信號引腳不提供任何彈性，這樣在您接觸兩種信號時可以改善可用性。

圖 7a.3.5 GHz 差分探頭的頻響曲線。該探頭配有可改變跨距的附件。但額外的附件會導致諧振輸入和包括峰值的傳輸響應

圖 7b. 配有阻尼信號引腳的 In?niiMax 差分點測探頭前端。響應是平坦的，Vout 波形接近 Vin 波形

必須注意的是，對于任何高速探測，差分探頭都是最好的工具。與單端探頭相比，差分探頭本身可以提供更高的共模抑制和帶寬。雖然市場上的某些單端探頭給出非常高的帶寬指標，但其帶寬指標往往要求其輸入端不使用任何附件，并且使用專用夾具，以最大限度減小輸入寄生效應。差分探頭對輸入端寄生效應不敏感，只要它們是平衡的。因而在與電路建立極高帶寬連接時有更多的選擇。In?niiMax 差分點測探頭的帶寬為 12 GHz，并且有可變間距和 Z 軸一致性功能。

點測差分或單端信號

這種靈活的In?niiMax 探頭體系結構使您能進行差分或單端測量。像單端點測探頭一樣，差分點測探頭前端配有剛好能接納專用阻尼電阻器輸入引腳的微型插孔。應注意該差分探頭前端也具有可變的跨距和 Z 軸一致性。這意味著在配置探頭時，您不需要在輸入端加入增加電感的附件 ( 例如彈簧引腳 )，就使得可用性很好。

應注意這種探頭的響應與為實現可變跨距而配有附件的傳統差分探頭的響應有很大的差異 ( 見圖 7a 和 7b)。傳統差分探頭的信號引腳不提供任何彈性，這樣在您接觸兩種信號時可以改善可用性。

必須注意的是，對于任何高速探測，差分探頭都是最好的工具。與單端探頭相比，差分探頭本身可以提供更高的共模抑制和帶寬。雖然市場上的某些單端探頭給出非常高的帶寬指標，但其帶寬指標往往要求其輸入端不使用任何附件，并且使用專用夾具，以最大限度減小輸入寄生效應。差分探頭對輸入端寄生效應不敏感，只要它們是平衡的。因而在與電路建立極高帶寬連接時有更多的選擇。In?niiMax 差分點測探頭的帶寬為 12 GHz，并且有可變間距和 Z 軸一致性功能。

用可以脫手的插孔連接方式測量差分或單端信號

過去為了進行脫手測量，您需要把引線附件插入探頭長插孔中。通常探頭配有這些附件，以通過 0.64 mm(0.025 英寸 ) 的方頭引腳接到被測點。圖 3 顯示配備無阻尼插孔引線的 6 GHz 探頭的明顯諧振和出現明顯峰值的響應。顯然，這種方法不適合測量具有 400 MHz 以上成分的信號。

為使用In?niiMax 探頭進行類似的測量，插孔連接型差分探頭前端通過短的軸向引線電阻器－代替前端引腳 ― 接到被測點，從而得到明顯提高的保真性和更高的帶寬 ( 見圖 8)。這是創新探頭體系結構遠遠超過傳統體系結構的最生動例子。

圖 8. In?niiMax 差分插孔連接式探頭前端的頻響特性。Vout 與 Vin 非常接近，而且相對平坦。請注意，帶寬 > 8 GHz

用可以脫手的焊入式連接測量差分或單端信號

In?niiMax 焊入式差分探頭前端與是德科技插孔連接型探頭的唯一區別是在探針上用微型軸向引線電阻器代替插孔。這些電阻器上的引線非常適合焊到小封裝引線和被測電路板過孔上。這種探頭前端在可用性方面的優點與前述的插孔型探頭相似。

應注意這種探頭與插孔型探頭在可用性方面的另一共同優點是其尺寸。這對于將探頭擠入緊湊空間探測難以觸及的被測點是非常重要的。例如要探測已插入插座的 DIMM 封裝 RAM 上的引腳，傳統探頭是不可能完成這一任務的。而這種探頭可取下點測探頭前端，換上極細的探頭前端(6.4 mm x 12.7 mm x 2.5 mm(0.25 英寸 x 0.5 英寸 x 0.1 英寸))，從而更容易進入緊湊的空間。而為了使用傳統點測探頭，您必須接上長長的引線附件，這將會降低測量的性能和保真度。

用無需手持的焊入式連接測量單端信號

為擠入更緊湊的空間，新系統提供了單端焊入式探頭前端。探頭前端的觸針端非常小(3.8 mm x 12.7 mm x 2.5 mm(0.15 英寸 x 0.5 英寸 x 0.1 英寸 ))。如圖 9 所示，這種探頭前端能夠實現優異的測量性能和保真度。其測量性能要比使用阻尼線附件的傳統單端有源探頭高得多。
應注意單端 ( 圖 9) 和差分焊入式探頭前端 ( 圖 8) 之間的測量性能差異。從這個簡單的比較中，可以明顯看到差分探頭和單端探頭間的差別。使用單端型進行高帶寬測量，因為它的外形尺寸最小。但是對于絕對最高帶寬的測量，建議使用差分型探頭。

圖 9. In?niiMax 單端焊入式探頭前端。帶寬為 5 GHz 左右

總結
Keysight In?niiMax 探頭體系結構克服了傳統高帶寬探頭的嚴重缺點。傳統點測探頭體系結構僅為點測做了優化，但對于空間非常緊湊的探測環境來說體積太大，而對于長時間的使用又顯得體積過小而很不舒適。此外，當通過其他連接方法使用點測探頭時，還必須增加其他附件，從而影響性能和信號保真度。

In?niiMax 探頭體系結構提供了為各種使用要求而優化的可更換探頭前端，包括在緊湊空間中的點測、長時間點測、無需手持的插座式連接探測，以及無需手持的焊入式連接探測。這種體系結構為所有這些使用方式提供了最高帶寬和最高信號保真度的測量。此外，由于某些探頭前端的體積很小，所以 In?niiMax 能夠在最難以觸及的被測點進行無與倫比的高性能測量。最后，此系統還可以靈活地用于差分測量或單端測量。