【芯-半导体知识】为什么将放大器装在示波器的探头尖端

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示波器探头将示波器的输入连接到要测量的电压节点。常用的探头分为三种类型：高阻抗无源探头、低容抗传输线探头和有源探头。最常见的探头类型是高阻抗无源探头。

图1是其简化示意图。该探头使用经补偿的分压器以驱动探头线缆和示波器输入电容。这些探头有500MHz额定带宽，但你应考虑由输入电容所带来的限制。

我们可通过使用电容性补偿分压器将被测信号分压10倍的方式来增加此输入阻抗。这种补偿分压器将使探头针尖具有最小9pF的电容、带来10倍衰减，使探头负载阻抗增加了约10倍。增加探头衰减倍数，可进一步降低输入电容，但这样做将降低进入示波器的信号幅值，并使小信号测量变得困难或不可能。

如果示波器的终端电阻为50Ω，则电缆探头端的阻抗将总是50Ω，与频率无关。可使用分压器加大这一非常低的负载阻抗；一个450Ω串联电阻将把被测电压幅值缩小10倍，并得到500Ω相对恒定的负载阻抗。采用带终端电阻的低电容或传输线探头(图2)。

端接传输线探头的输入电容相当低，典型值最高零点几个pF。这种探头的限制因素是低输入电阻。对10倍衰减探头来说，500Ω的输入电阻，也会对被测电路造成很大影响。这就使我们自然想到有源探头。

该放大器的缓冲输出再驱动以其特性阻抗端接的同轴电缆，就像传输线探头。该放大器还将探头与电缆的电容性负载和示波器的输入电路隔离开来。

有源探头仍需要低输入电容，在探头尖端的小几何形状内，可以容易做到这点。

图4显示出上述讨论的三种探头其作为频率函数的输入阻抗(根据特定的输入电阻和电容)。在无源探头500MHz的频率上限，其输入阻抗仅为34Ω。在相同频率：传输线探头的输入阻抗为359Ω；有源探头的为530Ω。该容性阻抗将会加载到被测信号上。

探头尖端的电容性负载除加载被测电压外，还有另一个影响。单端探头需要一个接地连接。该地线有与其长度相关的电感。该电感，与探头的输入电容相组合，将在LC电路(图6)的共振频率上引致振铃效应。

接地线电感可使用大拇指规则估算，其值约为20nH/in，进而算出谐振频率。该电感的谐振频率（fr）为：

为使测量不失真，谐振频率应比拟测量信号的频率高得多。可通过使用更短的地线或使用更低输入电容的探头或两者兼而用之的方式来提高共振频率。

作为例子，我们可使用PP80探头(输入C=9.5Pf)、6英寸地线(~120nH)进行陡变阶梯电压的测量。在这些参数下，其振铃频率约为150MHz，可容易地在所测波形上看到。若将同样的接地线与输入电容仅为0.6pF的DSO5102P探头一起使用，这时其共振频率约为600MHz且平复要快得多，

更高带宽的探头配有短的、定长接地导线。用最短的地线配以上述介绍的有源探头使你在测量阶跃电压时几乎没有振铃现象或上升时间失真。使用中的重要注意事项是：不要试图延长这些地线，因其会增加电感和电容并将显著影响探头性能。