探头进阶之——探头技术探讨

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。


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和带宽。超宽带示波器和探头的，式中 TR 是示波器加上探头的上升时间的 10~90%，TS 是示波器的上升时间，TP 是探头的上升时间。例如，安捷伦公司说，其6GHz 带宽 Infiniium 示波器的上升时间的 10~90% 是 70 ps，而且，在没有示波器的情况下，用来与该示波器配套使用的 InfiniiMax 探头具有大于7GHz的带宽。这两种带宽都是在 -3dB 点。不过，当你把探头连接到示波器时，从探头探针到屏幕的带宽仍然是 6 GHz。据推测，没有带探头的示波器的带宽稍大于 6 GHz，通过探头送来的信号的上升时间由示波器显示出来，则略大于 70 ps。当然，不论有没有探头，你都必须利用一个上升时间远小于 70 ps的信号来测量示波器的上升时间。该信号还必须没有或几乎没有过冲。然而，这样的信号源是很难找到的。

　　连接器：痛苦所在
　　窄带示波器使用 BNC 同轴连接器。这类连接器到处都有，其卡口式连接使它们在配对使用时很可靠，而且配对使用还是拆开使用都很方便。不过，标准 BNC 在信号频率超过大约 4 GHz 时就不可靠了。问题在于，在反复插拔的情况下，面板安装的 BNC 中的弹簧销可能会失去部分弹力，并产生高电阻屏蔽连接，这种连接的特性会随着你摆动电缆或插拔连接器而变化。在频率为 4~26.5 GHz 时，符合工业标准的同轴连接器是 SMA，它出众的可靠性归功于它使用压下罩作为锁定装置。
　　LeCroy 公司和泰克电子公司都在各自的超宽带实时采样数字示波器上使用模块化输入连接器系统。这些提供 SMA 接口的模块之所以最受欢迎，是因为它们使人们能够充分使用示波器的 6 GHz 带宽。这两家公司还提供 BNC 模块。你可以买到的这类模块，其内部网络把示波器的 50Ω输入阻抗转换成 1 MΩ。不过，转换到较高的输入阻抗会使带宽降低到 500 MHz。
　　安捷伦公司在其6GHz带宽 Infin-iium 示波器中使用的是另一种方法。输入连接器是与BNC兼容的，但并不是真正的 BNC（图 5）。它是一种独创的17.9 GHz专有连接器，采用空气介质和一种锁定机构。这种锁定机构可与 BNC 配套使用，但也适应既用卡口式连接又用螺丝锁的专有配对连接器。一旦这种螺丝机构把电缆安装的和面板安装的配对连接器的各一半锁在一起，你就无法使配对连接器的各一半相对移动了。因此，这种设计消除了常规 BNC 在高频率下工作不可靠的主要原因。


图5 在示波器端，安捷伦的InfiniiMax探头使用一种特殊的BNC兼容连接器，其性能规定为17.9GHz。在实际使用中不需要6GHz示波器的全带宽，示波器采纳标准的BNC带宽。将BNC的卡口锁与螺口锁相结合，这种新的连接器克服了标准BNC的高频不稳定性的主要来源。
　　对于安捷伦公司的有些示波器客户来说，这种连接器很可能会比 SMA 更好。安捷伦公司提到了它提供的大量配备 BNC 的附件。许多 6GHz 频段的示波器的潜在客户已经将这些附件与带宽较窄的