【干货】如何为信号在线测试选择最佳的探头？

不同于ICT(In-Circuit Test System)测试系统，这里的信号在线测试是相对于很多串行总线接口测试如PCIE，USB3/4，HDMI乃至802.3xx的许多标准等等通常采用夹具和电缆直接连接到示波器输入端口进行测试，这些高速标准测试通常需要发射机配置或切换发送出各种测试码型，在测试时实际是Open-Circuit或Broken-Link。

信号在线测试则是被测设备或电路在有效链接状态Active-Link下，比如MIPI D-PHY标准，无论是DSI还是CSI通常都是在系统正常工作的时候进行测试，类似地DDR存储接口的系统级测试，也是在存储控制器和颗粒均在板上时进行的，这时整个探头的连接系统包括前端和放大器等电路元件会插入到信号电路系统中，因此探头的负载效应成为影响测量精度的重要因素。

图1  DDR和MIPI-DPHY 信号在线测试连接示意图

谈到探头，最常用的就是与数字实时示波器1MΩ阻抗匹配的10:1和1:1无源探头。下图即为典型的10:1无源探头电路模型：

图2 10:1无源探头电路模型

10:1无源探头通常是中低端示波器的标配探头，适用于一般信号测试，应用面非常广泛，比如N2873A。但是由于其过高的容抗即使4pF的指标依然存在不可忽略的负载效应。

表1 无源探头对比表

1:1无源探头如N2870A，由于无衰减比的特性因此对信号未加衰减当然在示波器里无需放大即不会放大仪器本底噪声，同时可以保证示波器的最小垂直灵敏度设置，因此可用于典型如电源纹波和噪声测试等小信号测试，但是由于其无源特性，因此不能对信号加偏置以卸去信号上的DC分量，因此也有一定限制。其另一限制是对信号未加衰减，因此不能接入大于30Vrms的输入电压。

这类无源探头由于必须与1MΩ的示波器阻抗匹配，因此在与高端示波器如Keysight V/Z/UXR系列使用时，必须配置适配器如N5449A：

图3 连接10:1/1:1无源探头与50Ω输入阻抗的高端示波器的高阻适配器

上一节介绍的无源探头，由于其容抗通常在几个pF到几十pF级，因此在探测一些低驱动能力信号或电路时，则常常会由于其过高的容性负载而导致电路不能正常工作。比如对晶体输出的时钟信号的测试，常常会发生电路无法起振的现象。有源探头作为高带宽低负载产品有效的解决这一问题。

比如Keysight N2795/6A，提供了1/2GHz带宽，1pf容抗，1MΩ的高输入阻抗，1pF容抗对于很多电路来说，足够低阻。

图4  N2795/6A单端有源探头

高带宽低压差分探头，是测量弱电和微电差分信号最重要的产品。Keysight提供的产品带宽范围从1.5GHz到30GHz。

InfiniiMax系列目前有三代产品：

细心的您，一定发现在25GHz带宽产品上，为什么Keysight提供两个产品型号？到底有何区别？

这里就涉及到高带宽差分探头的两种电路结构模型差异：

图5  RC和RCRC两种高带宽差分探头电路模型结构

以及其阻抗--频响特性表现：

图6 RC模型和RCRC模型阻抗--频响特性差异

从上图可见，RC电路结构模型探头，其DC阻抗虽然相对只有RCRC结构的一半，但是其可以维持高阻抗高带宽。Keysight 113X/116X和MX0023A探头均采用RC模型，表现为宽频带高阻抗特性。RCRC类探头，典型地如N7000A系列和N280X系列，可支持更高带宽且具有高DC阻抗，但中频带阻抗则明显低于RC探头，为KΩ级。

因此针对DDR标准总线测试，考虑到DDR总线空闲时呈High Z状态，动态ODT使DRAM可以在高或低端接阻抗之间切换。在High  Z状态端接阻抗变高时，探头阻抗需要足够高以降低探头负载效应，RCRC探头KΩ级阻抗偏低，对电路不能形成足够高阻从而产生假信号，相比之下RC探头负载效应明显较轻。下面两幅图分别对比采用RCRC探头和RC探头进行测试时的波形。

图7  RCRC探头和RC探头DDR波形测试对比

除了DDR总线在测试时会有类似问题，另外MIPI D-PHY总线和eMMC信号测试也有类似问题。不过一般而言，D-PHY和eMMC速率相对较低，一般默认即选择113xB或116xB RC探头，不会刻意选择RCRC探头，这一对比不会显露出来。

RCRC探头如N2803A，因为其可实现带宽更高和更高DC阻抗高达100KΩ，因此比较适合低源端阻抗超高速率的Serdes的眼图和抖动测试。

Keysight除了提供超高带宽的探头放大器，还提供了非常丰富和灵活的前端探测方案，比如高达30Ghz带宽的手持式差分点测N5445A：

图8  各种带宽的手持式点测前端，最高30GHz

以及近两年推出的专门针对DDR总线类细小空间焊接测试的Mirco Probe Head——MX0100A和可直接用于高低温测试（-55°C到+150°C）的23/26Ghz探头前端MX0106A/MX0109A：

图9  MX0100A（上）和MX0106A/MX0109A（下）

业界目前在高带宽RCRC探头，可供选择产品不多，Keysight N2803A是业界30GHz带宽性能的高阻抗探头中的翘楚。

当前也有一些产品比如P7633号称可达33GHz带宽，但其本质是Z0 探头。如下图示，P76xx采用的CA-xxx是50 Ω连接前端如各种SMA连接，这种SMA连接前端是不能完成信号在线测试任务的。P76TA是焊接式前端，但其DC阻抗只有差分450Ω，单端225 Ω，这一过低的阻抗对差分100 Ω电路而言，负载效应极大：

图10  业界P76xx 33GHz探头

因此为了补偿探头负载效应导致的信号失真，会在示波器里“boosting  the measured signal gain”, 同时这一算法补偿还要“assuming a 25 ohm signal source impedance”。且不论这一假设是否放之四海而皆准，这一简单的对信号一刀切的”boosting”在放大信号的同时，必然也会放大示波器的本底噪声，吞食高速低电压信号可怜的裕量，因此带来的误差和测量的不确定性显而易见。

图11  P76TA信号处理说明（Source:P76xx User Manual）

上文提到的高带宽低压差分探头，还有另外一个特例—InfiniiMode探头，针对差分信号测试支持一次焊接完成对差分，单端A，单端B，共模四个信号的测试。

图12  MX0109A InfiniiMode前端探测示意图

图13  InfiniiMode探头信号探测结果

比如：

以上针对当前电路测试中常用的探头种类及区别和一些应用场合说明做了一个简单介绍。下表是当前Keysight主要探头产品和示波器型号的全兼容表格，敬请参考：

表3  Keysight示波器和探头兼容速查表

图16  信号传输链条中最薄弱的环节决定了测量系统的整体性能

以上本文就探头的种类和特点及适用场景做了一些粗浅的介绍。

篇幅所限，在实际使用中，除了在选择时必须考虑的带宽和阻抗和容抗等重要指标外，还有其它一些指标如探头的衰减倍数，动态范围，偏置能力等，这些指标和因素也会影响信号的测量精度，留待今后再继续讨论，敬请继续关注！

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