探头技术探讨

技术分类: 测试与测量  | 2003-08-12
Dan Strassberg,特约技术编辑

一种探头具有 7 GHz 额定带宽--侧重于浏览。拇指轮使你能将镍钛合金探针之间的间距在零英寸(探头接触)和 0.3 英寸之间调节。这一间距调定之后,你可以扭动或弯曲这些探针,不必担心它们会损坏或永久变形。与这种设计相比,泰克公司的 P7350 的探针间距是固定不变的。LeCroy 公司说,WaveLink 探头的机械与电气体系结构有利于增加不同探针方式的设计,此类探头很可能将在 2003 年年内面世。
  更低的输入电阻
  在设计 WaveLink 探头时,LeCroy 做了一个不同寻常的决定,使输入阻抗的电阻分量相当低--正相输入端和反相输入端之间的额定电阻是 4kΩ。由于这个电阻值比安捷伦公司和泰克公司的差分探头的输入电阻值小得多,因此你也许会认为它太小了。但是请记住,在频率仅为 159 MHz 时,仅为 0.25 pF 的输入电容--在没有串联阻抗的情况下--也会使一个 4kΩ电抗与 4kΩ输入电阻并联,并使输入阻抗降低到 2.8kΩ。在没有电阻或电感与输入电容串联的情况下,输入阻抗的电抗成分在频率每增加一倍时都会减半。因此,在探头通带的五个以上倍频程范围内,即使是 4kΩ那样
小的电阻也会成为学术上的大事。
  除了使输入阻抗在更宽的频带内比更高的电阻更接近恒定不变以外,低输入电阻还允许你在探头的输入放大器前面插入较小的衰减值,从而改善探头的 SNR。与具有较高输入电阻的探头相比,较低的 SNR 可使增加到小振幅信号(比如在高速差分信号传送中常见的小振幅信号)的抖动较小,因此可提高抖动测量的准确度。你也许会认为,低输入电阻会使 WaveLink 探头比那些具有较高输入电阻的探头更容易受到过压的损坏,但 LeCroy 公司说,Wavelink探头并没有因无意中加上 25V 直流电压而损坏。
  当安捷伦公司推出 InfiniiMax 探头时,该公司在表达这些探头的输入电容的方法上出了问题。可能大到 0.7 pF的输入电容值,取决于探头是单端的还是差分的,也取决于探头的实际方式。由于数据表中没有包含等效电路,你就会很容易得出错误结论,即0.7 pF的输入电容并联在探头的输入端上,就像大多数示波器和探头的输入电容那样。要是真是这样,那么在 6 GHz 时,输入阻抗将主要由略低于 38Ω的容抗构成。
  然而,与普通探头的输入电容不同的是,InfiniiMax 探头的输入电容并不单独并联在探头的输入端上。图 4 的简化等效电路表明有一个大约 200Ω的电阻器 R1与输入电容串联。在插座配置和焊入式配置中,这一电阻器存在于与被测件上的探测点接触的小小组件中。这一串联电阻器不仅设定了探头输入阻抗的下限,而且还对串联电感和把探测点连接到输入衰减器的连线上的分布电容之间不可避免的谐振进行了阻尼。衰减器保护探头的输入放大器,并且与连到放大器(它驻留在探头体内)的同轴电缆的 Z0(特性阻抗)匹配。放大器的输入阻抗也是 Z0,因此同轴电缆的两端可连接合适的负载,从而可用几英寸长的柔性电缆把探测点与探头体分开。事实上,如果电缆没有介电损耗的话,这根电缆可以长到英寸,介电损耗在数千兆赫以上时会变得很重要。
各种结构的安捷伦InfiniiMax探头(图1所示)有不同的电气特性,但规定的输入电容量从不直接出现跨接输入的现象。阻尼电阻器R1总是采用串联形式

图4  各种结构的安捷伦InfiniiMax探头(图1所示)有不同的电气特性,但规定的输入电容量从不直接出现跨接输入的现象。阻尼电阻器R1总是采用串联形式。
  探头和被测件之间的相互作用是不可避免的。但是,如果因连接探头而改变了信号的性质,那么,当没有探头给信号源加载时,你如何确定信号在正常工作中是什么模样?答案就是你必须使用建模,并且逆向工作。有了探头及其驱动电路的良好模型,你就可以用数学方法来推断在驱动信号源未加载时的波形。
  如果制造商提供一个非常详细的探头电路模型,则推导信号源的未加载波形可能是一种纯数学实践。不过,有些探头制造商还提供特性描述装置来帮助从事信号完整性工程师,因为这些工程师通常对探头特性描述有特殊的要求。信号完整性工程师把这些装置与向量网络分析仪等仪器配合使用,以构建自己的探头模型。LeCroy 公司的特性描述装置是随 WaveLink 探头免费提供的。
  此外,探头制造商们对于他们是否应该单独对探头的加载效果和传输效果进行特性描述争论不休。反对单独特性描述的论据是,如果你在没有对信号源加载的情况下观察不到信号源的输出波形,那么你想知道的仅仅是探头的输入波形和输出波形。赞成单独特性描述的论据是,加载效果取决于信号源的特性,尤其是信号源的内部阻抗,这是信号源的属性而不是探头的属性。如果你把与信号源有关的效果和与探头有关的效果混为一谈,那就弄不清被测件的真实特性。
  另一场十分类似的争论则与示波器和探头的组合特性有关(参考文献 2)。不幸的是,你不能使用那些适用于窄带示波器和探头的规则来确定超宽带示波器和探头的综合上升时间
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