示波器差分探頭與差分探頭的詳細介紹與選擇方法

     新的有源探頭體系結構使GHz級以上的千兆信號的完整性測量變得更加容易、精度也更高，但這只對于了解探頭的工作原理和探頭的兩種拓撲結構之間優劣的用戶而言的。

　　寬帶寬示波器和有源探頭的用戶歷來可以在單端探頭和差分探頭之間作出選擇。測量單端信號(對地參考電壓)，你使用的是單端探頭，而測量差分信號 (正電壓對負電壓)，你使用的是差分探頭。那么，為什么你不能只買差分探頭來測量差分信號和單端信號呢？實際情況是，你可以這樣做，但又存在實實在在的理由使你不能這么做。與單端探頭相比，差分探頭價格較貴，使用不大方便，帶寬也較窄。

　　新的探頭體系結構，如 Agilent 113X 系列的體系結構可以探測差分信號，也可以探測單端信號，而且基本上使人們不反對使用差分探頭。這些探頭是通過可互換的端頭來提供這種能力的，而各種可互換的頭經過優化，可以點測、插入插座和焊入探頭。這種結構給有源探頭的用戶提出了新問題：測量單端信號，到底該用差分探頭還是該用單端探頭？答案是應由性能和可用性兩個方面的權衡結果來定奪。

 　　只要使用Agilent 1134A型 7 GHz 探頭放大器的簡化模型 (圖1) 和已測數據以及焊入的差分和單端探頭端頭 (圖 2)，你就可以比較它們的帶寬、保真度、可用性、共模抑制特性、可重復性和尺寸大小等方面的差別。這些探頭端頭的物理連線幾何形狀相同，所以它們之間的主要性能差別是由差分拓撲結構和單端拓撲結構引起的。探頭性能測量是采用 Agilent E2655A 糾偏/性能驗證夾具和 Agilent 8720A 20 GHz 向量網絡分析儀或者 Agilent Infiniium DCA (數字通信分析儀)采樣示波器進行的。 

　　圖 1 差分探頭和單端探頭的簡化模型的主要區別在于，差分探頭的地線電感是與放大器輸入端串聯的，而不是與探頭的“地”串聯的。 

　　圖 2 單端探頭端頭和差分焊點埋入探頭端頭的放大圖表明單端探頭既簡單又尺寸很小。

　　如前所述，單端探頭的帶寬通常比差分式探頭寬。那么，這種差別是由物理學的某些基本定律決定的，還是實現差分體系結構這一現實情況造成的？為了探討這個問題，請看差分探頭和單端探頭的連線寄生參數的簡化模型（圖 1）。差分探頭和單端探頭的幾何形狀相同導致它們的電感和電容值也相同。寬、扁的導體(探頭片)可以降低單端探頭的 L_G (接地電感)值,但不明顯。要注意的是，差分探頭的兩個輸入端都有一個末端電阻器，而單端探頭只在信號輸入端有一個末端電阻器，地線中則沒有電阻器 (在實際探頭中為一個0Ω的電阻器)。這些電阻器是適當抑制輸入連線的L_S和C_S引起的諧振所必需的 (參考文獻 1)。

　　對單端探頭模型的分析表明了電感器和電容器的價值和 L_G 的重要作用。在高頻段，接地電感會在被測設備地和探頭地之間產生一個電壓，從而減少衰減器/放大器輸入端的信號強度。如果你能降低 L_G，探頭的帶寬就可以增大。

　　要減少接地電感，就要縮短地線或者加粗地線。極限條件下，理想的地線是短而寬的平面導體，或者是包圍信號線的圓柱體(形成同軸探頭連線)。這些理想的地線對于現實的探測來說通常都是不切實際的，而且還會大大降低單端探頭的可用性。把單端探頭限制在一個無法用于實際測量的同軸夾具中也是不現實的。

　　對用差分信號 (V_CM=0, V_P=V_M) 驅動的差分探頭模型的分析表明，由于正信號連線和負信號連線的固有對稱性，這兩根連線之間存在著一個凈信號值為零的平面。人們可以把這個“有效的”地平面看作是與被測設備接地平面和探頭放大器地線連接的?？紤]到這個有效的接地平面，你就可以分析半個電路的模型，在這一模型中，地平面上方的信號環路面積大約是整個環路的一半，因此，具有單端探頭模型電感的一半。對這半個電路模型的分析表明其帶寬寬得多了。此外，這個有效地平面是理想的地線，而又不妨礙探頭的可用性。 當一個單端信號源驅動差分探頭時，人們可以采用疊加原理來確定整個響應特性。在該模型中，你可以通過使 V_CM=V_P=V_M 來施加單端信號。

　　對于疊加的第一項，你要切斷 VCM，而對于第二項，你要切斷 VP 和 VM。第一項就是對單端信號的差分分量的響應，所以該響應與前面的分析相同。第二項是對單端信號共模分量的響應，所以，探頭的共模抑制特性決定這一響應。

如果探頭具有良好的共模抑制特性，則對單端信號的總響應就是對單端信號的差分分量的響應。如果探頭的共模抑制特性不夠好，則其后果就會以差分信號和單端信號測量值之差的形式表現出來。圖 3 中的紅色曲線和綠色曲線表明這兩種響應之間實際上沒有差別。

　　圖 3 示出了探測一個單端信號的差分探頭 (綠色) 和探測一個單端信號的單端探頭 (藍色)的已測頻率響應曲線。兩種探頭用的都是 7GHz 探頭放大器。探頭的帶寬定義為探頭輸出除以探頭輸入所得的值再降低 3 dB 的頻率。很顯然，差分探頭端頭的帶寬比單端探頭寬得多 (7.8 GHz 對 5.4 GHz)。兩種探頭因其連線都使用了適當的阻尼電阻器而具有良好的頻率平坦度。 

　　圖 3 差分探頭和單端探頭頻率響應曲線表明差分探頭的響應曲線更寬、更平坦。

　　圖 4a 示出了差分探頭的對大約 100 ps上升時間輸入階躍的已測時域響應曲線。圖 4b 示出了單端探頭的對大約 100 ps上升時間輸入階躍的已測時域響應曲線。在這兩幅圖中，紅線是探頭的輸出，而綠線是探頭的輸入。要注意的是，這兩幅圖沒有示出探頭的階躍響應，但卻表明了兩種探頭對 100 ps階躍的跟蹤有多好。測量階躍響應特性，要求輸入是理想的、上升時間非?？斓碾A躍。在這種情況下，差分探頭的上升時間要比單端探頭快。這兩種探頭對 100 ps階躍的跟蹤都非常好。 

　　圖 4 在差分放大器 (a) 和單端放大器 (b) 對 100 ps上升時間電壓階躍的響應曲線 (紅線) 之間幾乎沒有差別，但是，差分放大器的響應沒有過沖現象，并在 75 ps之內便進入了稍窄的誤差帶。

　　共模抑制特性對差分探頭和單端探頭來說都是一個問題。對于差分探頭而言，在正負兩個探頭輸入端加上同一個信號，不應產生任何輸出；而對于單端探頭而言，在信號輸入端和接地輸入端加上同一個信號也不應產生任何輸出。若輸出為零，則所加信號的共模抑制就是無窮大。

　　差分探頭模型和單端探頭模型都示了探頭衰減器/放大器地線到“大地”地線之間有一個電阻器和一個電感器 (圖 1)。這兩個元件構成了由探頭電纜屏蔽層和大地地線組成的傳輸線（或“天線”）所產出的阻抗的簡化模型。這一外部模式阻抗是很重要的，因為當你給單端探頭加一個共模信號時，L_G 值就與這一外部模式阻抗一起組成了一個分壓器。此分壓器對到達放大器的地線信號起衰減作用。由于放大器的信號和地線輸入信號受到的衰減各不相同，在放大器的輸入端上就出現了一個凈信號，從而使放大器有輸出信號。地線電感越大，共模抑制能力越低，所以當使用單端探頭時，保持地線盡量短是很重要的。同樣重要的是要注意這個外部模式信號對內部模式信號沒有直接的影響，后者是同軸電纜內部正常的探頭輸出信號。但是，反射的外部模式信號確實會影響探頭放大器的地線信號，因而間接影響內部模式信號。

　　當你給差分探頭加上一個共模信號時，衰減器/放大器的正負兩個輸入端都有同一個信號。所產生的唯一輸出信號是該放大器抑制特性的函數，它與連線電感無關。

　　在探測一個疊加在共模噪聲上的單端信號時，到底是單端探頭還是差分探頭具有更好共模抑制特性呢？答案取決于單端探頭的地線電感和差分探頭放大器的共模抑制特性。就本例的差分探頭和單端探頭而言，圖 5 表明了差分探頭的共模抑制性能要比單端探頭大許多。因此，在存在很大的共模噪音時，用差分探頭來測量更為精確。這是差分探頭與單端探頭之間很典型的區別，除非單端探頭的接地連接的電感非常小，而這一點在實際實踐中是很難做到的。值得注意的是，這里所分析的單端探頭的共模抑制特性與多數單端探頭同樣好，甚至更好，因為這里用的探頭地線很短。圖 5 所示的共模響應特性為：差分共模響應 = 20 log(VOC/VIC)，式中VIC 是正負兩個輸入端上的共同電壓，VOC 是加上 VIC 后探頭的輸出電壓。單端共模響應 = 20 log(VOC/VIC),式中 VIC 是信號輸入端和接地輸入端上所施加的共同電壓，而 VOC 是加上 VIC 后探頭的輸出電壓。 

　　圖 5 盡管差分探頭和單端探頭都具備某種共模抑制能力，但差分探頭 (紅色) 的性能則要好得多，它在 5 GHz 時的最小共模抑制大于 20dB。另一方面，單端探頭 (藍色) 在 2.5 GHz 時的共模抑制只有約 7dB。