探頭在捕獲高速信號(hào)上的技術(shù)進(jìn)步

簡(jiǎn)介
測(cè)量PCIe，SATA和其它快速模擬和數(shù)字信號(hào)等寬帶信號(hào)時(shí)總是需要高阻抗探頭。通過(guò)線纜直接連接高頻信號(hào)到測(cè)量?jī)x器只是適合通常的一致性測(cè)試和PCB驗(yàn)證等應(yīng)用場(chǎng)合，但是大多數(shù)信號(hào)必須在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行觀察以便確定整個(gè)工作系統(tǒng)中的信號(hào)特性。大多數(shù)探頭是單端，也就是測(cè)量共地信號(hào)，需要通過(guò)地線連接探頭尖端附近的地和待測(cè)設(shè)備的地。這種探頭很難測(cè)量本地信號(hào)地與儀器地有很大區(qū)別的信號(hào)。地也可以與待測(cè)設(shè)備的地在一起。

設(shè)計(jì)者可以通過(guò)差分傳輸高速信號(hào)避免地連續(xù)性的問(wèn)題而解決這個(gè)問(wèn)題，但是這大大增加了測(cè)量挑戰(zhàn)，因?yàn)橹粶y(cè)量一個(gè)信號(hào)對(duì)地不能很好地表達(dá)出這個(gè)差分信號(hào)。工程師可以使用兩個(gè)探頭測(cè)量?jī)蓚€(gè)差分信號(hào)對(duì)地的信號(hào)然后相減，但這將占用兩個(gè)通道，而且依賴于兩個(gè)探頭的精確匹配。本文將解釋這個(gè)方法將比真正的差分探頭帶來(lái)更大的負(fù)載。

所有的高阻抗差分探頭對(duì)于被測(cè)信號(hào)都表現(xiàn)出負(fù)載阻抗，使得信號(hào)產(chǎn)生失真。本文將談到為什么差分探頭比單端探頭的固有負(fù)載要小，并且描述一種比以前任何一種探頭都具有最小負(fù)載效應(yīng)的差分探頭。待測(cè)信號(hào)的探頭額定負(fù)載效應(yīng)可以量化，同時(shí)將展示探頭負(fù)載效應(yīng)的評(píng)估方法。

單端探頭的負(fù)載效應(yīng)
單端探頭有兩個(gè)輸入端——信號(hào)（尖端）和地。等效電路包括電感、DC電阻并聯(lián)的輸入電容和地夾的電感。地夾電感可以和尖端電感歸結(jié)在一起以簡(jiǎn)化電路。有源探頭的等效電路如Figure1所示。給出的電感有兩個(gè)——尖端和地夾電感。地夾電感通常占主導(dǎo)地位并依據(jù)用戶連接待測(cè)系統(tǒng)地的方式而改變。

低頻時(shí)，該探頭將通過(guò)電阻R加重待測(cè)電路的負(fù)載。R通常相當(dāng)大，該效應(yīng)可以忽略。高頻時(shí)，電容開(kāi)始產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)，造成待測(cè)信號(hào)的很大失真。電容和電感在該頻點(diǎn)諧振，負(fù)載變成0歐姆，完全短路了信號(hào)。為了減少負(fù)載效應(yīng)（增加探頭的阻抗），電容和電感要盡可能的小。

差分探頭包括兩個(gè)獨(dú)立的輸入端子和一個(gè)差分放大器，如Figure 2所示。因?yàn)橛性措娐分环糯髢蓚€(gè)輸入，公共地連接還有相關(guān)的電感被去除。剩下的電感是兩個(gè)尖端電感的和，但是由于Ltip通常遠(yuǎn)小于Lgnd，負(fù)載電感變得很小。尖端電感也是固定的，不依賴于任何因不同用戶而改變的地夾。此外，電容減半，因?yàn)樨?fù)載電容和原有的輸入電容串聯(lián)。


差分設(shè)計(jì)的好處是明顯的，或許有人會(huì)問(wèn)為何長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)儀器廠商不制造這種探頭呢？挑戰(zhàn)在于，高帶寬差分放大器的設(shè)計(jì)。單端放大器比較簡(jiǎn)單；要求較少的晶體管，消耗更少的功率，小體積并可以在高頻運(yùn)行。

此外，連接兩個(gè)高頻尖端到放大器的輸入也增加了困難。不同的待測(cè)電路要求不同的位置和引線空間，這些尖端的任何移動(dòng)可以顯著改變探頭的高頻響應(yīng)。為了抑制共模信號(hào)，每個(gè)尖端的特性必須是一致的，很難創(chuàng)建可以在移動(dòng)時(shí)保持匹配的物理尖端。

新的WaveLink系列高帶寬探頭解決了這些問(wèn)題。最新的SiGe工藝支持具有高頻性能的高帶寬差分放大器，D600A-AT是7.5GHz。采用了非常對(duì)稱的拓?fù)浔ＷC了即便是在最高頻率時(shí)尖端共模電壓能有效抑制。

和可調(diào)整的尖端相關(guān)的問(wèn)題已用新的專利輸入電路解決，允許尖端和小的傳輸線一起連接到放大器。放大器和尖端構(gòu)筑在靈活的底層，尖端可被去除。用戶可以調(diào)整探頭的尖端精確匹配信號(hào)的空間從而獲得在不導(dǎo)致任何探頭負(fù)載或頻響變化的測(cè)量。

直到幾年前，儀器制造商僅提到探頭的輸入電阻和電容。這表明用戶的地夾的電感占據(jù)了主導(dǎo)，通過(guò)這個(gè)連接只有很少的控制。結(jié)果是，探頭制造商忽略了所有在量化探頭時(shí)導(dǎo)致地夾效應(yīng)降低的信號(hào)。事實(shí)上，規(guī)定的低電感夾具經(jīng)常用來(lái)測(cè)量探頭性能。使用這樣的夾具，制造商展示了在任何實(shí)際測(cè)量情況中都是不可能的（到地的真實(shí)連接時(shí)必須的）頻響和帶寬性能。