信號(hào)源阻抗會(huì)影響探頭負(fù)荷的凈效應(yīng)

信號(hào)源阻抗的值可能會(huì)明顯影響探頭負(fù)荷的凈效應(yīng)。例如，在信號(hào)源阻抗低時(shí)，很難注意得到典型高阻抗10X 探頭的負(fù)荷效應(yīng)。這是因?yàn)榕c低阻抗并聯(lián)增加的高阻抗不會(huì)明顯改變總阻抗。

圖1，在測(cè)試點(diǎn) (TP) 上測(cè)量的信號(hào)可以通過信號(hào)源和相關(guān)的負(fù)荷阻抗表示 (1.a)。探測(cè)測(cè)試點(diǎn)在信號(hào)源負(fù)荷上增加了探頭和示波器阻抗，導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)吸收部分電流 (1.b)。

但是，在更高的信號(hào)源阻抗時(shí)，情況發(fā)生明顯變化。例如，考慮一下圖1中的信號(hào)源阻抗具有相同的值，且該值等于探頭阻抗和示波器阻抗總和，如圖2所示。

圖 2. 信號(hào)源阻抗越高，探測(cè)導(dǎo)致的負(fù)荷越大。在這種情況下，所有阻抗都相等，探測(cè)導(dǎo)致測(cè)試點(diǎn)上的信號(hào)幅度下降了 30% 以上。

對(duì)相等的 Z 值，在沒有把探頭和示波器連接到測(cè)試點(diǎn)時(shí)，信號(hào)源負(fù)荷是 2Z ( 參見圖2.a)。這導(dǎo)致在未探測(cè)的測(cè)試點(diǎn)上產(chǎn)生了 0.5ES 的信號(hào)幅度。但是，在連接探頭和示波器時(shí) ( 圖2.b)，信號(hào)源上的總負(fù)荷變成1.5Z，測(cè)試點(diǎn)上的信號(hào)幅度降低到未探測(cè)值的 2/3。

在后一種情況下，可以采取兩種方法，降低探測(cè)對(duì)阻抗負(fù)荷的影響。一種方法是使用阻抗更高的探頭。另一種方法是在阻抗較低的測(cè)試點(diǎn)的電路中其它地方探測(cè)信號(hào)。例如，陰極、發(fā)射機(jī)和信號(hào)源的阻抗通常要低于金屬盤、集電極或加蔽線。

電容負(fù)荷

隨著信號(hào)頻率或轉(zhuǎn)換速率提高，阻抗的電容成分變成主要因素。結(jié)果，電容負(fù)荷成為主要問題。特別是電容負(fù)荷會(huì)影響快速轉(zhuǎn)換波形上的上升時(shí)間和下降時(shí)間及波形中高頻成分的幅度。

對(duì)上升時(shí)間的影響

為說(shuō)明電容負(fù)荷，讓我們考慮一下上升時(shí)間非常快的脈沖發(fā)生器，如圖3所示，其中理想發(fā)生器輸出上的脈沖的上升時(shí)間為零 (tr = 0)。但是，信號(hào)源阻抗負(fù)荷相關(guān)的電阻和電容改變了這個(gè)零上升時(shí)間。

圖3. 脈沖發(fā)生器的上升時(shí)間取決于其 RC 負(fù)荷

RC積分網(wǎng)絡(luò)一直產(chǎn)生 2.2RC的 10 - 90% 上升時(shí)間。這從電容器的通用時(shí)間常數(shù)曲線中推導(dǎo)得出。取值 2.2是 C 通過 R 充電，把脈沖幅度從 10% 提高到 90% 所需的 RC 時(shí)間。

在圖3的情況下，50 歐姆和 20 pF 的信號(hào)源阻抗導(dǎo)致 2.2 ns 的脈沖上升時(shí)間。這個(gè) 2.2RC 值是脈沖可以擁有的最快上升時(shí)間。

圖4. 探頭增加的電容提高了 RC 值，同時(shí)提高了測(cè)得的上升時(shí)間

在探測(cè)脈沖發(fā)生器的輸出時(shí)，探頭的輸入電容和電阻加到脈沖發(fā)生器的值中，如圖 4.4 所示，其中增加了10 兆歐和 11 pF 的典型探頭。由于探頭 10 兆歐電阻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)生器的 50 歐姆電阻，因此探頭的電阻可以忽略不計(jì)。但是，探頭的電容與負(fù)荷電容大體持平，直接增加得到 31 pF 的負(fù)荷電容。這提高了 2.2RC 的值，導(dǎo)致測(cè)得的上升時(shí)間提高到 3.4 ns，而探測(cè)前的上升時(shí)間為 2.2 ns。

通過使用探頭規(guī)定電容與已知或估算源電容之比，可以估計(jì)探頭尖端電容對(duì)上升時(shí)間的影響。使用圖4中的值，可以估算上升時(shí)間的百分比變化如下：

C 探頭尖端 /C1 x 100%=11 pF/20 pF x 100%= 55%

從上面可以清楚地看出，探頭選擇、尤其是探頭電容的選擇會(huì)影響上升時(shí)間測(cè)量。對(duì)無(wú)源探頭，一般來(lái)說(shuō)，衰減比率越大，頭部電容越低。從下表1中可以看出這一點(diǎn)，其中介紹了各種無(wú)源探頭的部分探頭電容實(shí)例。

表1. 探頭尖端電容

在需要較小的頭部電容時(shí)，應(yīng)使用有源 FET 輸入探頭。根據(jù)具體的有源探頭模型，可以提供小于等于 1 pF的頭部電容。

除影響上升時(shí)間外，電容負(fù)荷還影響著波形中高頻成分的幅度和相位。這個(gè)我們留待下期再作以詳細(xì)說(shuō)明。

審核編輯 黃宇