设计手记：示波器探头原理及种类详解

　　大部分人会比较关注示波器本身的使用，却忽略了探头的选择。实际上探头是介于被测信号和示波器之间的中间环节，如果信号在探头处就已经失真了，那么示波器做的再好也没有用。实际上探头的设计要比示波器难得多，因为示波器内部可以做很好的屏蔽，也不需要频繁拆卸，而探头除了要满足探测的方便性的要求以外，还要保证至少和示波器一样的带宽，难度要大得多。因此最早高带宽的实时示波器刚出现时是没有相应的探头的，又过了一段时间探头才出来。

　　要选择合适的探头，首要的一点是要了解探头对测试的影响，这其中包括2部分的含义：1/探头对被测电路的影响；2/探头造成的信号失真。理想的探头应该是对被测电路没有任何影响，同时对信号没有任何失真的。遗憾的是，没有真正的探头能同时满足这两个条件，通常都需要在这两个参数间做一些折衷。

　　为了考量探头对测量的影响，我们通常可以把探头模型简单等效为一个R、L、C的模型，把这个模型和我们的被测电路放在一起分析。

　　首先，探头本身有输入电阻。和万用表测电压的原理一样，为了尽可能减少对被测电路的影响，要求探头本身的输入电阻Rprobe要尽可能大。但由于Rprobe不可能做到无穷大，所以就会和被测电路产生分压，实际测到的电压可能不是探头点上之前的真实电压，这在一些电源或放大器电路的测试中会经常遇到。为了避免探头电阻负载造成的影响，一般要求Rprobe要大于Rsource和Rload的10倍以上。大部分探头的输入阻抗在几十k欧姆到几十兆欧姆间。

　　其次，探头本身有输入电容。这个电容不是刻意做进去的，而是探头的寄生电容。这个寄生电容也是影响探头带宽的最重要因素，因为这个电容会衰减高频成分，把信号的上升沿变缓。通常高带宽的探头寄生电容都比较小。理想情况下Cprobe应该为0，但是实际做不到。一般无源探头的输入电容在10pf至几百pf间，带宽高些的有源探头输入电容一般在0.2pf至几pf间。

　　再其次，探头输入端还会受到电感的影响。探头的输入电阻和电容都比较好理解，探头输入端的电感却经常被忽视，尤其是在高频测量的时候。电感来自于哪里呢？我们知道有导线就会有电感，探头和被测电路间一定会有一段导线连接，同时信号的回流还要经过探头的地线。通常1mm探头的地线会有大约1nH的电感，信号和地线越长，电感值越大。探头的寄生电感和寄生电容组成了谐振回路，当电感值太大时，在输入信号的激励下就有可能产生高频谐振，造成信号的失真。所以高频测试时需要严格控制信号和地线的长度，否则很容易产生振铃。

　　在了解探头的结构之前，需要先了解一下示波器输入接口的结构，因为这里是连接探头的地方，示波器的输入接口电路和探头共同组成了我们的探测系统。

　　大部分的示波器输入接口采用的是BNC或兼容BNC的形式。示波器的输入端有1M欧姆或50欧姆的匹配电阻。示波器的探头种类很多，但是示波器的的匹配永远只有1M欧姆或50欧姆两种选择，不同种类的探头需要不同的匹配电阻形式。

　　从电压测量的角度来说，为了对被测电路影响小，示波器可以采用1M欧姆的高输入阻抗，但是由于高阻抗电路的带宽很容易受到寄生电容的影响。所以1M欧姆的输入阻抗广泛应用与500M带宽以下的测量。对于更高频率的测量，通常采用50欧姆的传输线，所以示波器的50欧姆匹配主要用于高频测量。[page]

　　传统上来说，市面上100MHz带宽以下的示波器大部分只有1M欧姆输入，因为不会用于高频测量；100MHz～1GHz带宽的示波器大部分有1M欧姆和50欧姆的切换选择，同时兼顾高低频测量；2GHz或更高带宽的示波器由于主要用于高频测量，所以大部分只有50欧姆输入。不过随着市场的需求，有些2GHz以上的示波器也提供了1M欧姆和50欧姆的输入切换。

　　广义的意义上说，测试电缆也属于一种探头，比如BNC或SMA电缆，而且这种探头既便宜性能又高。但是使用测试电缆连接时需要在被测电路上也有BNC或SMA的接口，所以应用场合有限，主要用于射频和微波信号测试。对于数字或通用信号的测试，还是需要专门的探头。

　　示波器的探头按是否需要供电可以分为无源探头和有源探头，按测量的信号类型可以分为电压探头、电流探头、光探头等。所谓的无源探头，是指整个探头都由无源器件构成，包括电阻、电容、电缆等；而有源探头内部一般有放大 器，放大器是需要供电的，所以叫有源探头。
 

　　无源探头根据输入阻抗的大小又分为高阻无源探头和低阻无源探头两种。

　　高阻无源探头即我们通常所说的无源探头，应用最为广泛，基本上每个使用过示波器的人都接触过这种探头。高阻无源探头和示波器相连时，要求示波器端的输入阻抗是1M欧姆。以下是一个10：1 高阻无源探头的原理框图。

　　为了方便测量，探头通常都会有1米左右的长度，如果不加匹配电路，很难想象探头能够提供数百兆Hz的带宽的。示波器的输入寄生电容也会影响带宽。为了改善探头的高频相应，探头前端会有相应的匹配电路，最典型的就是一个Rprobe和Cprobe的并联结构。探头要在带内产生平坦增益的一个条件是要满足Rprobe*Cprobe=Rscope*Cscope，具体推导就不做了，感兴趣的可以自己推一下。我们前面介绍过，Cscope是示波器的寄生电容，所以其只能控制在一定范围内，但不能精确控制，也就是说不同示波器或示波器的不同通道间Cscope的值会不太一样。为了补偿不同通道Cscope的变化，在探头接示波器的一端处一般至少会有一个可调电容Ccomp。当探头接在不同通道上时可以通过调整Ccomp来补偿Cscope的变化。几乎所有示波器都提供一个低频方波的输出，可以通过用探头测量这个方波的形状来做调整。

　　Rprobe在改善频响的同时会和示波器输入电阻产生一个分压，所谓10：1的分压就是指示波器实际测量到的电压是探头前端处电压的1/10，也就是信号经过探头会有一个10倍衰减。比较简单的探头需要手工设置示波器的探头衰减倍数来得到正确的显示，更多的探头在和示波器连接端有一个自动检测的针脚，当探头插上时示波器可以通过这个pin读出探头的衰减比，并自动调整显示的比例。

　　高阻无源探头中还有2个特殊的种类。一类是高压探头，其衰减比可达100:1或1000:1，所以测量电压范围很大；还有一类是1:1的探头，即信号没有衰减就进入示波器，由于不象10：1的探头那样需要示波器再放大显示，所以示波器本身的噪声没有放大，测量的噪声会小很多，在小信号和电源纹波的测量场合应用很多。

　　高阻无源探头的优点是便宜，因为成本不高，同时输入阻抗高，测量范围大，连接方便，所以广泛应用于通用测试场合。但是随着测试频率的提高，各种二阶寄生参数很难控制，仅仅靠简单的匹配电路已经不能把带宽再提高了，所以高阻无源探头的带宽一般都在600MHz以下。

　　另一种无源探头是低阻无源探头，这是最不常用的一种探头，但有其自身的特点。以下是这种探头的原理框图。

　　低阻无源探头要求示波器的输入阻抗为50 欧姆，前端等效串了一个分压电阻。根据串阻阻值的不同，可以实现不同的分压比，比如串个450 欧姆的电阻就是10：1 的分压。由于采用50 欧姆的传输电缆，示波器端也是50 欧姆的匹配，所以整个探头的带宽比较高。如Agilent 的54006A 探头带宽可以达6GHz。[page]

　　但是由于探头的输入阻抗低（只有500 欧姆或 1k 欧姆），测试中如果并在电路里还是可能对被测信号产生一点影响的，特别对高输出阻抗的电路，因此应用不是特别广泛。

　　低阻无源探头的最大好处是以接近普通高阻无源探头的价格提供了比较高的测试带宽（1G～6GHz），缺点主要是输入阻抗低。

　　前面我们介绍过高阻无源探头的输入阻抗高，但带宽做不高，低阻无源探头带宽可以做高但输入阻抗不高。那么能不能有一种探头输入阻抗又高带宽又高呢？实际上是有的，这种探头就是有源探头。

　　其实有源探头也是个广泛的说法，是指需要供电的探头。应用比较广泛的有源电压探头的原理如下。

　　有源探头的前端有一个高带宽的放大器，放大器是需要供电的，这也是有源探头名称的由来。我们知道放大器的输入阻抗都是比较高的，所以有源探头可以提供比较高的输入阻抗；同时放大器的输出驱动能力又很强，所以可以直接驱动后面50 欧姆的负载和传输线。由于50 欧姆的传输线可以提供很高的传输带宽，再加上放大器本身带宽较高，所以整个探头系统相比无源探头就可以提供更高带宽。

　　我们可以看到有源探头的所有优异特性都是由其前端的放大器带来的，但是这个高带宽的放大器造价很高，而且又要放在探头前端有限的空间内，因此实现成本很高。一般无源探头的价格都是几百美金左右，而有源探头的价格普遍在几千美金量级，所以有源探头一般用在需要高的测量带宽的场合。
 

　　但是有源探头也不是没有缺点，限制有源探头广泛应用的除了价格因素外，另外一个原因在于其有限的动态范围。我们知道象这种高带宽放大器的输入电压范围是不可能很大的，所以它不可能象无源探头有那么大的测量范围。一般常用的10：1的无源探头的动态范围普遍在几百伏，而一般有源探头的典型动态范围都在几伏左右，所以应用场合会有一些限制。

　　有源探头里还有一个分支是差分有源探头，区别在于其前端的放大器是差分放大器。差分放大器的好处是可以直接测试高速的差分信号，同时其共模抑制比高，对共模噪声的抑制能力比较好。

　　还有一种有源探头是电流探头，电流探头使的前端有一个磁环，使用时这个磁环套在被测的供电线上。由于电流流过电线所产生的磁场就被这个磁环收集到，磁通量和电线上流过的电流成正比。磁环内部有一个霍尔传感器，可以检测磁通量，其输出电压和磁通量成正比。因此，电流探头的输出电压就和被测电线上流过的电流成正比。典型电流探头的转换系数是0.1V/A 或 0.01V/A。

　　电流探头的主要好处是不用断开供电线就可以进行电流测量，同时由于其基于霍尔效应，所以即可以进行直流测量，也可以用于交流测量。电流探头的典型应用场合是系统功率测量、功率因子测量、开关机冲击电流波形测量等。电流探头的主要缺点在于其小电流的测量能力受限于示波器的底噪声，所以小电流测量能力有限。一般小于10mA 的电流就很难测量到了。（完）