示波器探头基础入门指南(上)

有源单端探头一般具备高阻抗（1M?上下），低寄生电容。其前端有一个高带宽的放大器，有源探头的供电主要用于此放大器。放大器驱动信号经过50?传输线到达示波器，示波器的输入阻抗需选择为50?作匹配。由于其较低的寄生电容和50欧姆传输，有源单端探头可以提供比无源探头更高的带宽，因此主要应用在高频信号的测量领域。

优点和缺点往往是并存的，有源单端探头亦是如此。能够测量更高带宽的信号是其优点，但由于需要集成有源放大器，因而其成本相对于无源探头来说更高，一个几GHz带宽的有源单端探头价格可达数万人民币。除此之外，由于高带宽放大器的信号输入范围十分有限，因而其动态范围有限，一般有源单端探头的动态范围仅在几伏范围之内，探头所能承受的最大电压也只有几十伏。

相对于前面所说的无源传输线探头，有源单端探头同样可以应用在低阻抗高频率信号的测量环境，且由于其输入阻抗相对于无源传输线探头更高，因此它的负载效应更小。不仅如此，R&S有源单端探头还可以与RT-ZA9（N型转换接头，USB供电）附件连接，进而用在射频信号源和频谱分析仪上，用来测试特殊环境下的信号，如传统50欧姆同轴线缆无法连接的探测点处，或者需要使用高阻探头探测待测点信号频谱时。

图10 R&S RT-ZS系列单端有源探头与RT-ZA9 N型转换头相连

除了有源单端探头之外，有源差分探头是另外一类重要的有源探头。我们可以从字面上来理解这两种探头的区别，有源单端的前端有两处连接点：信号点和地。有源差分顾名思义主要用来测试差分信号，探头前端有三处连接点：信号正、信号负、地。

图11 有源单端探头前端（左）与有源差分探头前端（右）

有源差分探头的原理图如下：

图12有源差分探头原理图

与有源单端探头相比，其最大不同在于使用了差分放大器。有源差分探头同样具备低寄生电容和高带宽特性，所不同的是，有源差分探头具有高共模抑制比（CMRR），对共模噪声的抑制能力比较强。有源差分探头主要用来测试差分信号，即测试两路信号（一般为相位相差180度的正反信号）的相对电压差，与地无关。

图13差分信号测试原理示意图

上图显示了用有源差分探头测试差分信号的原理，图中红色波形显示的为差分信号Vin+，蓝色波形显示为差分信号Vin-，二者幅度相同，相位相差180度。Vin+和Vin-经由差分探头正、负探测点探测后经过差分放大器放大，然后传输至示波器，最后得到如图绿色差分波形。

这里要介绍几个概念，以便大家能够更好的理解共模抑制比CMRR。

共模（Common Mode）：差分信号两端具有相同幅度和相位的信号成分，用表达式表示为Vcm =（Vin+ + Vin-）/2.

由于理想的Vin+、Vin-幅度相同，相位相反，所以二者相加应该为零。但在实际工作环境下，Vin+、Vin-上会叠加上噪声干扰Vnoise。由于Vin+、Vin-所处环境相同，因而在二者上叠加的噪声也往往相同，所以由CM表达式可知：CM = Vnoise.

差模（Differential Mode）：差分信号两端不同的信号成分，用表达式表示为Vdm = Vin+ - Vin-.

共模抑制（Common Mode Rejection）：差分放大器对共模信号的抑制能力，即差分放大器的一项主要能力是对Vnoise进行抑制消除。如果共模电压Vcm经过差分放大器的增益为Acm，差模电压Vdm经过差分放大器的增益为Adm，则我们可以用共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio）即CMRR来表示共模抑制能力，其表达式为：

CMRR = Adm / Acm

举例如下图：差模信号Vdm幅度为1V，经过差分放大器后幅度为2V，即Adm = 2. 共模信号Vcm幅度为4.5V，经过差分放大器后幅度抑制为0.45V，即Acm=0.1. 因此，CMRR =2 / 0.1 = 20：1 = 26dB。

图14 差分信号测试举例

对于理想的差分放大器而言，我们希望其完全抑制共模信号，从而消除噪声Vnoise对差分信号测量的影响。对于一般的差分信号测量而言，20dB的CMRR已经足够，而R&S RT-ZD40的CMRR可达50dB，性能非常优异。

图15 R&S RT-ZD40有源差分探头

值得一提的是，R&S的有源单端探头和有源差分探头上都配备了MicroButton多功能按钮和ProbeMeter探头计功能。其中，MicroButton是位于有源探头前段的一个微型按钮，用户可以在测试时很方便的按动按钮，从而执行对示波器的特定控制（可自定义），如：自动设置、默认设置、单次运行、连续运行等。

图16 MicroButton多功能按钮

ProbeMeter则是集成在有源探头前端的16位DC电压计，可用来直接在探头点处测试直流电压，这与其他厂家使用探头捕获波形然后输送到示波器，进而对波形进行测量得到DC数值的方案完全不同。很显然，ProbeMeter摒除了探