為什么將放大器裝在示波器的探頭尖端？
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示波器探頭將示波器的輸入連接到要測(cè)量的電壓節(jié)點(diǎn)。傳統(tǒng)上，常用的探頭分為三種類型：高阻抗無(wú)源探頭、低容抗傳輸線探頭和有源探頭。
最常見(jiàn)的探頭類型是高阻抗無(wú)源探頭。圖1是其簡(jiǎn)化示意圖。該探頭使用經(jīng)補(bǔ)償?shù)姆謮浩?電阻和電容匹配的分壓器)以驅(qū)動(dòng)探頭線纜和示波器輸入電容。這些探頭有500MHz額定帶寬，但你應(yīng)考慮由輸入電容所帶來(lái)的限制。
圖1：采用電容和電阻匹配的分壓器的高阻無(wú)源探頭。
示波器的輸入電容可能在15~25pF之間。同軸電纜每英尺的電容約在10pF~30pF。所以其總電容可能約為80pF。因此，簡(jiǎn)單地用屏蔽線纜將示波器連接到DUT(被測(cè)設(shè)備)將會(huì)把此電容加載在測(cè)量電路。在10MHz時(shí)，阻抗約為200Ω，這就可能顯著降低你試圖測(cè)量的電壓幅值。
我們可通過(guò)使用電容性補(bǔ)償分壓器將被測(cè)信號(hào)分壓10倍的方式來(lái)增加此輸入阻抗。這種補(bǔ)償分壓器將使探頭針尖具有最小9pF的電容、帶來(lái)10倍衰減，使探頭負(fù)載阻抗增加了約10倍。增加探頭衰減倍數(shù)，可進(jìn)一步降低輸入電容，但這樣做將降低進(jìn)入示波器的信號(hào)幅值，并使小信號(hào)測(cè)量變得困難或不可能。在實(shí)踐中，10倍衰減在信號(hào)幅度和加載阻抗之間表現(xiàn)出良好平衡。
但在更高頻率，即使是這樣的低電容探頭也還是太大了。在500MHz，9pF探頭電容的等效阻值約35Ω，除最低阻抗電路外，將對(duì)所有被測(cè)電壓產(chǎn)生影響。
若將同軸線纜換為傳輸線，則可大幅降低輸入電容。如果示波器的終端電阻為50Ω，則電纜探頭端的阻抗將總是50Ω，與頻率無(wú)關(guān)?？墒褂梅謮浩骷哟筮@一非常低的負(fù)載阻抗；一個(gè)450Ω串聯(lián)電阻將把被測(cè)電壓幅值縮小10倍，并得到500Ω相對(duì)恒定的負(fù)載阻抗。采用帶終端電阻的低電容或傳輸線探頭(圖2)。
圖2：傳輸線探頭大幅降低輸入電容，但它也降低了輸入電阻，從而降低了整體阻抗。
端接傳輸線探頭的輸入電容相當(dāng)?shù)?，典型值最高零點(diǎn)幾個(gè)pF。這種探頭的限制因素是低輸入電阻。對(duì)10倍衰減探頭來(lái)說(shuō)，500Ω的輸入電阻，也會(huì)對(duì)被測(cè)電路造成很大影響。
這就使我們自然想到有源探頭(圖3)。有源探頭采用補(bǔ)償分壓器驅(qū)動(dòng)放大器。該放大器的緩沖輸出再驅(qū)動(dòng)以其特性阻抗端接(terminated)的同軸電纜，就像傳輸線探頭。該放大器還將探頭與電纜的電容性負(fù)載和示波器的輸入電路隔離開(kāi)來(lái)。
圖3：50Ω帶緩沖輸入驅(qū)動(dòng)的傳輸線有源探頭。
有源探頭仍需要低輸入電容，在探頭尖端的小幾何形狀內(nèi)，可以容易做到這點(diǎn)。可以設(shè)計(jì)出輸入電容約為4pF的高阻抗緩沖放大器。約10倍衰減的補(bǔ)償分壓器將進(jìn)一步降低輸入電容以及允許更大的輸入電壓擺幅，其輸入電容約為0.4pF。在現(xiàn)實(shí)中，放大器需要輸入保護(hù)裝置，此舉將加大探頭尖端金屬的雜散電容，所以0.5pF到4pF的輸入電容是比較現(xiàn)實(shí)的。
圖4顯示出上述討論的三種探頭其作為頻率函數(shù)的輸入阻抗(根據(jù)特定的輸入電阻和電容)。在無(wú)源探頭500MHz的頻率上限，其輸入阻抗僅為34Ω。在相同頻率：傳輸線探頭的輸入阻抗為359Ω；有源探頭的為530Ω。該容性阻抗將會(huì)加載到被測(cè)信號(hào)上。
圖4：與被動(dòng)和傳輸線探頭比，有源探頭可在最寬的帶寬內(nèi)使輸入阻抗最大化。
評(píng)論