探头进阶之——探头技术探讨

安捷伦 (Agilent)公司、LeCroy公司和泰克 (Tektronix) 公司，不仅制造示波器也提供探头。这三家公司都把示波器和探头的组合看作是一个系统。虽然你有时候可以把一家制造商生产的宽带探头，与另一家制造商生产的示波器一起使用，但这种组合几乎总是造成性能的折衷和操作不方便。假如你使用的探头是制造商为了与你的示波器配套使用而设计的，那么这些问题就不会发生。例如，虽然主要的模拟信号接线可以使用兼容的连接器，但那些能使示波器为探头供电并把衰减比率等辅助信息从探头传送到示波器的连接器在不同制造商的产品之间一般是不兼容的。
　　由于这些制造商最近采用了明显不同的宽带探头设计理念，因此，如果有人说你对探头的选择可能决定了你对示波器的选择，这未必是言过其实或者是本末倒置。近来，最重大的发展就是安捷伦公司和 LeCroy 公司认识到，设计具有高速系统设计师需要的所有属性的有源探头，需要对探头的输入电容和信号源与探头输入端之间的连线电感之间产生的谐振进行电阻性阻尼。阻尼电阻必须靠近信号源；如果你像一些探头设计已经尝试过的那样，把阻尼电阻放在离探头体最近的连线一端，那么你就无法实现预期的好处。
　　这一认识连同其它许多设计要求，导致安捷伦公司设计了 InfiniiMax 探头系列（图 1）。这些探头均把一个微小的无源阻尼电阻器和电阻分压器放置在距离信号源几毫米的范围内，并使用几英寸长的柔性同轴电缆把这套微型组件连接到探头体的有源电路上。泰克公司坚持说，安捷伦公司并没有创新宽带探头中的电阻阻尼，而泰克公司已经使用该技术多年了。安捷伦公司反驳说，泰克公司并没有始终把阻尼电阻器放在信号源附近，并且至少到目前，该公司还是不愿意把阻尼电阻器与探头体分开。据安捷伦公司说，由此产生的单件式设计迫使用户努力使探头体非常靠近测试点，以至于探头无法适应，尤其是在探头必须接触间距很近的引脚上的差分信号时更是如此。


图1 安捷伦公司的InfiniiMax探头有各种构置形式（从上到下）：差分浏览器、差分焊合、差分插座、单端焊合、单端浏览器。探头本体（此处没有显示）与照片右侧的连接器匹配，包括探头放大器。该放大器为同轴电缆右手端提供来自探测头（左手远端）的Z0端接。所有的探头形式中，探测头中的衰减器为同轴电缆左手端提供Z1端接。
　　泰克公司最新的差分有源探头是带宽为5 GHz的P7350，它通过有源电子元件的极端小型化解决了这个问题（图 2）。对于包含如此复杂的电子元件的部件来说，这种探头的体积小得令人吃惊，即使是这种探头设计就象安捷伦的 InfiniiMax 探头一样，接触测试点的部分和包含放大器的部分之间也不允许存在几英寸长的柔性电缆连接。


图2 泰克公司的5GHz带宽97350差分探头把有源器件置放在靠近探测头顶尖的地方，而且仍保持探测头做得非常小。两个探针的中心仅为0.1英寸，右上所示长方形连接器用于该公司的TekConnect系统，此系统为示波器提供辅助信息，如探头的衰减量。

　　探针方式
　　用过传统窄带示波器探头--甚至是无源探头--的人都很熟悉浏览器配置，这种浏览器配置可用来迅速接触并观察大量信号。人们历来一边手握探头一边浏览，但是，目前你必须探测的高速元件的微小几何结构要求用比人手更稳定的装置来夹持探头。现在，电气工程师们浏览时，探头通常是安装在小型操纵器或支架上的（图 3）。


图3 LeCory公司的WaveLink探头系统，包括一个7GHz带宽的器件，当将它与该公司的6GHz示波器一块使用时，此带宽已足够使用，WaveLink探头为示波屏提供6GHz带宽。姆指旋转调节探针间距，范围为0~0.3英寸。展示的探头安装在一个支架上，该支架为探测间距相近的细间距PC板印制线提供必须的稳定度。
　　插头直接焊接到被测印制电路板上或者插到电路板插座里的探头是较新的研发成果。如果你能够识别你将经常连接的数量有限的信号，而且你的探头使用串联阻尼电阻器和衰减器来驱动电路板和探头体内放大器之间的连线，则这些配置就特别方便。
　　除了与超高速电路板建立多条牢固的连线之外，这些方法还把探头的输入电容降到了最低程度。当然，你的电路板必须包含与探头插头焊接的焊盘或与探头插头配对的插座。另外，电路板的电路设计不仅必须预期到把信号从真实的信号源（通常是集成电路的引脚）传送到焊盘或插座的印制线的驱动要求，而且至少对于带有插座的电路板来说，还必须预期到由未端接的短截线引起的反射所带来的种种问题。假如你想在不插入探头的情况下使用电路板，这些短截线可能是个问题。
　　LeCroy 公司的最新差分有源探头系列-- WaveLink 系列，其中有一种探头具有 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