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(cè)試中，您基本上無法采用這種方式來測(cè)量。
如果您分析由差分信號(hào)（vcm=0，vp=vm）驅(qū)動(dòng)的差分模型，就會(huì)看到由于正負(fù)信號(hào)連接的固有對(duì)稱性，在連接間就會(huì)存在一個(gè)沒有凈信號(hào)的平面。您可認(rèn)為該“有效”地平面牢固地接到被測(cè)信號(hào)的地平面和探頭放大器的地。考慮到有效地平面的存在，即可分析半電路模型，此時(shí)信號(hào)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(hào)。對(duì)于疊加的第一項(xiàng)，把vcm“關(guān)閉”；對(duì)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(duì)單端信號(hào)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(duì)單端信號(hào)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(duì)單端信號(hào)的總響應(yīng)就只是對(duì)單端信號(hào)差模成分的響應(yīng)。如果探頭的共模抑制不好，就會(huì)看到測(cè)量差分信號(hào)和測(cè)量單端信號(hào)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(cè)單端信號(hào)（綠色）和用單端探頭檢測(cè)單端信號(hào)（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(duì)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(duì)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(duì)于輸入約100ps上升時(shí)間的階躍信號(hào)，差分探頭所測(cè)的時(shí)域響應(yīng)。圖6示出對(duì)于輸入約100ps上升時(shí)間的階躍信號(hào)，單端探頭所測(cè)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(cè)對(duì)象后，被測(cè)信號(hào)地波形)。應(yīng)注意這不是探頭的階躍響應(yīng)，而只是測(cè)量它們是否能跟蹤100ps的階躍。為測(cè)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(duì)100ps階躍的時(shí)域響應(yīng)

圖6 單端探頭對(duì)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(duì)差分探頭來說。共模抑制使加至探頭輸入+ 和 - 的相同信號(hào)

圖7 差分探頭和單端探頭的共模響應(yīng)

當(dāng)您檢測(cè)帶有共模噪聲的單端信號(hào)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(duì)于本例中的差分和單端探測(cè)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(cè)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(hào)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(cè)頭和單端探測(cè)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(cè)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(duì)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(hào)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(duì)單端信號(hào)的輸入阻抗很類似。

測(cè)量的可重復(fù)性

測(cè)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(cè)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(huì)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(huì)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(duì)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(hào)都會(huì)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(hào)減小外模式信號(hào)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(duì)差分探頭和單端探頭的比較，可看到不管是檢測(cè)差分信號(hào)，還是檢測(cè)單端信號(hào)，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(cè)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(hào)取代單端信號(hào)。對(duì)于在這一新領(lǐng)域中使用的測(cè)量設(shè)備，差分檢測(cè)是必不可少的要求。因?yàn)椴罘痔筋^中信號(hào)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(duì)單端信號(hào)的測(cè)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(cè)差分信號(hào)和單端信號(hào)。
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(cè)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(jí)時(shí)序測(cè)量時(shí)，精準(zhǔn)性更高；第二，對(duì)于需要深存儲(chǔ)器的場(chǎng)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(chǔ)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(duì)測(cè)試一些空間很狹小地方的測(cè)試點(diǎn)是很重要的。
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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(hào)相等的成分。
共模抑制 - 對(duì)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(hào)大小相等，極性相反的成分。
差分信號(hào) - 使用兩個(gè)導(dǎo)體的一種電子信號(hào)發(fā)生方式，一個(gè)導(dǎo)體上的信號(hào)與另一個(gè)導(dǎo)體上的信號(hào)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(hào)，vi(s)是作為頻率函數(shù)的輸入信號(hào)。
半電路分析 - 分析對(duì)稱電路的一種方法，對(duì)稱線一邊的所有電流和電壓與另一邊大小相等，極性相反。可把對(duì)稱線上的各結(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?hào)。
外模式阻抗 - 同軸線外導(dǎo)體對(duì)大地或局部地（例如天線）的阻抗。
單端信號(hào) - 使用一個(gè)信號(hào)導(dǎo)體和一個(gè)公共地導(dǎo)體的一種電子信號(hào)發(fā)生方法。通常公共地導(dǎo)體上沒有信號(hào)，信號(hào)導(dǎo)體傳輸相對(duì)地導(dǎo)體的信號(hào)。
階躍響應(yīng) - 網(wǎng)絡(luò)對(duì)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。