為什么示波器廠家把放大器放在探頭前面而不是示波器里面?把放大器放在探頭里可以把探頭和電纜造成的信號(hào)損耗降到低，但是這是怎么實(shí)現(xiàn)的呢?為了理解如何以及為什么，我們需要對(duì)探頭和輸入阻抗有一個(gè)基本的了解。
數(shù)字示波器探頭將示波器的輸入連接到要測(cè)量的電壓節(jié)點(diǎn)。傳統(tǒng)上，常用的探頭分為三種：高阻抗無(wú)源探頭、低電容阻抗傳輸線探頭和有源探頭。
最常見(jiàn)的探頭類型是高阻抗無(wú)源探頭。其使用補(bǔ)償分壓器(電阻和電容匹配的分壓器)來(lái)驅(qū)動(dòng)探頭電纜和示波器輸入電容。這些探頭的額定帶寬為500MHz，但您應(yīng)該考慮輸入電容帶來(lái)的限制。
帶匹配電容和電阻分壓器的高阻抗無(wú)源探頭
示波器的輸入電容在15 ~ 15 ~ 25pF之間，每英尺同軸電纜的電容在10pf ~ 30pf之間，因此其總電容約為80pF。因此，只需用屏蔽電纜將示波器連接到DUT(被測(cè)設(shè)備)上，就可以將該電容加載到被測(cè)電路上。在10兆赫茲時(shí)，阻抗約為200，這可能會(huì)顯著降低您試圖測(cè)量的電壓幅度。
我們可以通過(guò)使用電容補(bǔ)償分壓器將測(cè)量信號(hào)衰減10倍來(lái)增加輸入阻抗。這種補(bǔ)償分壓器會(huì)使探頭前端的最小電容為9pF，帶來(lái)10倍的衰減，使探頭的輸入阻抗增加約10倍。增加探頭的衰減倍數(shù)可以進(jìn)一步降低輸入電容，但這樣做會(huì)降低進(jìn)入示波器的信號(hào)幅度，使小信號(hào)的測(cè)量變得困難或不可能。實(shí)際上，10倍衰減是信號(hào)幅度和負(fù)載阻抗之間的良好平衡。
然而，在更高的頻率下，即使這樣低的探針電容仍然太大。在500兆赫茲時(shí)，9pF探頭電容的等效阻抗約為35，這將降低測(cè)量電壓，除非電路阻抗非常低。
如果把同軸電纜當(dāng)成傳輸線，輸入電容可以大大降低。如果示波器的終端電阻為50，則電纜探頭端的阻抗將恒定為50，與頻率無(wú)關(guān)?？梢允褂梅謮浩鱽?lái)增加這種非常低的負(fù)載阻抗;450的串聯(lián)電阻會(huì)將測(cè)量電壓的幅度降低10倍，并獲得相對(duì)恒定的500負(fù)載阻抗。
傳輸線探針大大降低了輸入電容，但也降低了輸入電阻，從而降低了整體阻抗
端接傳輸線的探針的輸入電容相當(dāng)?shù)?，典型值高達(dá)幾pF。該探頭的限制因素是低輸入電阻。對(duì)于10倍衰減的探頭，500的輸入電阻會(huì)對(duì)被測(cè)電路產(chǎn)生很大的影響。這讓我們自然而然地想到了主動(dòng)探針。有源探頭使用補(bǔ)償分壓器驅(qū)動(dòng)放大器，放大器的緩沖輸出驅(qū)動(dòng)以其特征阻抗端接的同軸電纜，就像傳輸線探頭一樣。放大器還將探頭與電纜的容性負(fù)載和示波器的輸入電路隔離開(kāi)來(lái)。
帶緩沖輸入驅(qū)動(dòng)50 傳輸線的有源探頭
有源探頭仍然需要低輸入電容，這可以在探頭前端的小幾何尺寸內(nèi)輕松實(shí)現(xiàn)?？梢栽O(shè)計(jì)輸入電容約為4pF的高阻抗緩沖放大器。衰減10倍左右的補(bǔ)償分壓器會(huì)進(jìn)一步減小輸入電容，允許更大的輸入電壓擺幅，其輸入電容約為0.4pF，實(shí)際上放大器需要一個(gè)輸入保護(hù)器件，會(huì)增加探頭前端金屬的雜散電容，所以0.5pF到4pF的輸入電容更符合實(shí)際。
示出了作為頻率的函數(shù)的上述三個(gè)探針的輸入阻抗(根據(jù)特定的輸入電阻和電容)。無(wú)源探頭在500MHz的頻率上*，輸入阻抗只有34，在相同頻率下，傳輸線探頭的輸入阻抗為359;有源探頭為530。該電容性阻抗將被應(yīng)用于被測(cè)信號(hào)。
與無(wú)源和傳輸線探頭相比，有源探頭可以在最寬的帶寬內(nèi)大化輸入阻抗
數(shù)字示波器的接地線增加了被測(cè)電路的電感
接地線的電感可以用經(jīng)驗(yàn)法則估算，其值約為20nH/in，即可計(jì)算出諧振頻率。電感的諧振頻率(fr)為：
為了使測(cè)量不失真，諧振頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于測(cè)量信號(hào)的頻率。諧振頻率可以通過(guò)使用較短的接地線或具有較低輸入電容的探頭或兩者來(lái)提高。例如，我們使用PP008探針(輸入C=9.5Pf)和6英寸接地線(~120nH)來(lái)測(cè)量階躍信號(hào)電壓。在這些參數(shù)下，諧振頻率約為150兆赫，這可以很容易地在測(cè)量波形上看到。如果同樣的接地線與輸入電容僅為0.6pF的ZS4000探頭一起使用，其諧振頻率約為600MHz，平滑速度快得多。
比較不同輸入電容對(duì)接地線引起的振鈴的影響，輸入電容較低的有源探頭(ZS4000)不僅響應(yīng)快得多，而且頻率較高。
帶寬較高的探頭配有短的定長(zhǎng)接地線，最短的接地線配有上述有源探頭，讓你在測(cè)量階躍電壓時(shí)幾乎沒(méi)有振鈴現(xiàn)象和上升時(shí)間失真。使用中的重要注意事項(xiàng)是：不要試圖延長(zhǎng)這些接地線，因?yàn)樗鼈儠?huì)增加電感和電容，并會(huì)顯著影響探頭性能。
讓我們回到最初的問(wèn)題：“為什么有源探頭的放大器在探頭尖端，而不在示波器里?”答案是：通過(guò)將放大器放置在探頭前端附近，示波器制造商可以在探頭前端使用補(bǔ)償分壓器來(lái)增加探頭的輸入阻抗和輸入電壓范圍。同時(shí)，主動(dòng)探頭可以緩沖連接電纜對(duì)探頭的影響。使用傳輸線探針代替放大器可以獲得類似的結(jié)果，但您必須能夠容忍低輸入阻抗的影響。
更新時(shí)間：2021-06-07 
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