探头测量结果分析
我们可以预测,如果用有接地引线的探头去测量来自低源端电阻信号源的信号,会观察到人为的振铃和过冲现象。
通过图3.6和图3.7,可以比较我们的判断和实际的测量结果。这些实验采用电容极低的FET型探头,额定为1.7PF并联电容,其3DB带宽为1GHZ,连接到数字示波器TEKTRONIX11403。图3.6中信号源的源端电阻为25欧,3IN长的接地引线。中间波形采用的是裸探头直接接触测量点,接地线长度也是3IN长的接地引线。中是的波形采用的是裸探头直接接触测量点,接地线长度也是3IN。显然,只拿掉探头的塑料夹子产生的影响很小。这此扫描波形显示,在25欧源端电阻情况下的过冲约为15%,而在5欧源端电阻情况下的过冲则高达29%。
图示的振铃周期在2~6NS之间。我们可以很快知道电路的时间常数:
由0.63NS的LC电路时间常数得到的振铃周期为:
到目前为止,测量结果和理论几乎一致。那么两个图例中最下方的波形是什么呢?为什么这个波形会更好呢?
两个图例最下方的波形为我们解决过冲问题提供了很好的思路。在下方的波形测量中,我们把探头的外塑料壳去除,把接地引线拿掉,使探头外部的金属屏蔽层以及探头顶端完全正确裸露,然后用一个刀片将探头外屏蔽层和被测电路的地直接相连,尽量靠近信号测量点。这使得实际的接地线自感非常小。采用这种直接连到地线的方法,25欧源端电阻和10欧源端电阻的扫描波形在过冲方面都得到了明显的改善。
为什么探头接地点靠近信号源会比较好呢?最主要的原因是从根本上减少了探头组件的接地回路自感。减少了自感,则减少了探头上升时间,见式()和式()还降低了Q值见式()
地线自感必须小到何种程度才能够保证低的Q值和较快的上升时间呢?可以用一个比较短的线来代替麻烦的刀片方式吗?表3.1列出了测量TTL和ECL电路时各种接地环路自感值对应的10~90上升时间和Q值。
对于10PF的探头,要想使TTL电路上升时间为1NS时有比较小的过冲,必须使环路自感小于10NH,对于ECL电路而言,环路自感的要求更低。
为了减少环路自感,我们用一根较粗的接地引线替换图3.4中的接地引线,如果原来的接地线是AWG24,那么现在我们试用AWG18,这时导线的直径扩大了一倍。重新计算式()可得到:
可以看出,作为线径的函数,电感的变化有多么慢吗?线径扩大一倍,而电感值的变化只有15%这个方程表明,作为线径的函数,相对于线径的变化,电感值是以对数形式缓慢变化的,为了让电感有较大的改善(例如10倍)我们不得不增加线的直径,直到导线粗到环路两边的导线都贴到一起。
另一方面,线的硬度与线的径的立方成正比,它会随着线径的增加显著增长。硬件度和电感系数是互相制约的。通过增加线径来解决探头自感问题的做法并不可行。
电感值与线的长度和所围成的环路面积基本成正比关系。通常用来解决电感问题的方法包括减小线的长度,或降低环路面积的大小,而并不是增大线径。
表3.1表明,2PF的探头比10PF的探头有更好的上升时间,但当测量低源端阻抗信号时,会遇到更高Q值的问题。
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