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類型：高阻抗無(wú)源探頭、低容抗傳輸線探頭和有源探頭。

最常見的探頭類型是高阻抗無(wú)源探頭。圖1是其簡(jiǎn)化示意圖，該探頭使用經(jīng)補(bǔ)償?shù)姆謮浩?電阻和電容匹配的分壓器)以驅(qū)動(dòng)探頭線纜和示波器輸入電容。這些探頭的額定帶寬為500MHz，但你應(yīng)考慮輸入電容帶來(lái)的限制。

采用匹配電容和電阻分壓器的高阻無(wú)源探頭

示波器的輸入電容在15~25pF之間，同軸電纜每英尺的電容約在10pF~30pF，所以其總電容約為80pF。因此，簡(jiǎn)單地用屏蔽線纜將示波器連接到DUT(被測(cè)設(shè)備)將會(huì)把此電容加載到待測(cè)電路，在10MHz時(shí)，阻抗約為200Ω，這就可能顯著降低你試圖測(cè)量的電壓幅值。

我們可通過(guò)使用電容性補(bǔ)償分壓器將被測(cè)信號(hào)衰減10倍的方式來(lái)增加此輸入阻抗，這種補(bǔ)償分壓器將使探頭前尖具有最小9pF的電容，帶來(lái)10倍衰減，使探頭輸入阻抗增加了約10倍。增加探頭衰減倍數(shù)，可進(jìn)一步降低輸入電容，但這樣做將降低進(jìn)入示波器的信號(hào)幅值，并使小信號(hào)測(cè)量變得困難或不可能。在實(shí)踐中，10倍衰減是在信號(hào)幅度和加載阻抗之間的良好平衡。

但在更高頻率，即使是這樣低的探頭電容也還是太大了，在500MHz，9pF探頭電容的等效阻抗約35Ω，除非常低的阻抗電路外，這都將拉低被測(cè)電壓。

若將同軸線纜視為傳輸線，則可大幅降低輸入電容。如果示波器的終端電阻為50Ω，則電纜探頭端的阻抗將是恒定的50Ω，與頻率無(wú)關(guān)。可使用分壓器加大這一非常低的負(fù)載阻抗；一個(gè)450Ω串聯(lián)電阻將把被測(cè)電壓幅值減小10倍，并得到500Ω相對(duì)恒定的負(fù)載阻抗。采用帶端接電阻的低電容傳輸線探頭如圖2。

傳輸線探頭大幅降低輸入電容，但它也降低了輸入電阻，從而降低了整體阻抗

端接傳輸線探頭的輸入電容相當(dāng)?shù)停湫椭底罡吡泓c(diǎn)幾個(gè)pF。這種探頭的限制因素是低輸入電阻，對(duì)10倍衰減探頭來(lái)說(shuō)，500Ω的輸入電阻，將會(huì)對(duì)被測(cè)電路造成很大影響。

這就使我們自然想到有源探頭(圖3)，有源探頭采用補(bǔ)償分壓器驅(qū)動(dòng)放大器，該放大器的緩沖輸出再驅(qū)動(dòng)以其特性阻抗端接(terminated)的同軸電纜，就像傳輸線探頭。該放大器還將探頭與電纜的電容性負(fù)載和示波器的輸入電路隔離開來(lái)。

帶緩沖輸入驅(qū)動(dòng)50Ω?jìng)鬏斁€的有源探頭

有源探頭仍需要低輸入電容，在探頭前端的小幾何形狀內(nèi)，可以容易做到。可以設(shè)計(jì)出輸入電容約為4pF的高阻抗緩沖放大器。約10倍衰減的補(bǔ)償分壓器將進(jìn)一步降低輸入電容，以及允許更大的輸入電壓擺幅，其輸入電容約為0.4pF。實(shí)際上，放大器需要輸入保護(hù)裝置，此舉將加大探頭前端金屬的雜散電容，所以0.5pF到4pF的輸入電容是比較現(xiàn)實(shí)的。

圖4顯示出上述討論的三種探頭其作為頻率函數(shù)的輸入阻抗(根據(jù)特定的輸入電阻和電容)，在無(wú)源探頭500MHz的頻率上限，其輸入阻抗僅為34Ω，在相同頻率，傳輸線探頭的輸入阻抗為359Ω；有源探頭的為530Ω。該容性阻抗將會(huì)加載到被測(cè)信號(hào)上。

與無(wú)源和傳輸線探頭比，有源探頭可在最寬的帶寬內(nèi)使輸入阻抗最大化

比較無(wú)源探頭(PP008)和有源探頭(ZS4000)的電容性負(fù)載的影響。

圖中，在無(wú)源探頭接觸被測(cè)信號(hào)前，輸入階躍信號(hào)的上升時(shí)間約為500ps，當(dāng)PP008(輸入C=9.5pF)接觸被測(cè)階躍信號(hào)時(shí)，上升時(shí)間增加至1.8ns，且在前沿造成明顯失真。使用ZS4000有源探頭(輸入C=0.6pF)時(shí)，則沒(méi)對(duì)被測(cè)信號(hào)造成明顯失真。

低電容設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要使探針前端附近的所有導(dǎo)體保持較小的幾何形狀，這也與使前端保持較小以使其可以與擁擠的電路板上的組件進(jìn)行物理連接相一致。

探頭前端的電容性負(fù)載除了DUT帶來(lái)負(fù)載之外，還有另一個(gè)影響，單端探頭需要一個(gè)接地連接，該地線有與其長(zhǎng)度相關(guān)的電感。該電感，與探頭的輸入電容相組合，將在LC電路(圖6)的諧振頻率上引起振鈴效應(yīng)。

示波器的地線增加了被測(cè)電路的感抗

為使測(cè)量不失真，諧振頻率應(yīng)比擬測(cè)量信號(hào)的頻率高得多，可通過(guò)使用更短的地線或使用更低輸入電容的探頭或兩者兼而用之的方式來(lái)提高諧振頻率。

作為示例，我們使用PP008探頭(輸入C=9.5Pf)、6英寸地線(~120nH)進(jìn)行階躍信號(hào)電壓的測(cè)量。在這些參數(shù)下，其諧振頻率約為150MHz，可容易地在所測(cè)波形上看到。若將同樣的接地線與輸入電容僅為0.6pF的ZS4000探頭一起使用，這時(shí)其諧振頻率約為600MHz且平復(fù)要快得多，如圖7中所示。

對(duì)比不同輸入電容對(duì)由接地線引入的振鈴產(chǎn)生的影響，輸入電容更低的有源探頭(ZS4000)，不僅回復(fù)要快得多，且具有更高頻率。

更高帶寬的探頭配有短的、固定長(zhǎng)度的接地導(dǎo)線，用最短的地線配以上述介紹的有源探頭使你在測(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)這些地線，因其會(huì)增加電感和電容并將顯著影響探頭性能。