中心議題：

• 差分探頭比單端探頭的固有負(fù)載小
• 待測(cè)信號(hào)的探頭額定負(fù)載效應(yīng)可以量化
• 探頭負(fù)載效應(yīng)的評(píng)估方法

解決方案：

• 采用非常對(duì)稱(chēng)拓?fù)湟种萍舛斯材ｋ妷?nbsp;
• 精確的等效電路是首要的

簡(jiǎn)介
測(cè)量PCIe，SATA和其它快速模擬和數(shù)字信號(hào)等寬帶信號(hào)時(shí)總是需要高阻抗探頭。通過(guò)線纜直接連接高頻信號(hào)到測(cè)量?jī)x器只是適合通常的一致性測(cè)試和PCB驗(yàn)證等應(yīng)用場(chǎng)合，但是大多數(shù)信號(hào)必須在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行觀察以便確定整個(gè)工作系統(tǒng)中的信號(hào)特性。大多數(shù)探頭是單端，也就是測(cè)量共地信號(hào)，需要通過(guò)地線連接探頭尖端附近的地和待測(cè)設(shè)備的地。這種探頭很難測(cè)量本地信號(hào)地與儀器地有很大區(qū)別的信號(hào)。地也可以與待測(cè)設(shè)備的地在一起。

設(shè)計(jì)者可以通過(guò)差分傳輸高速信號(hào)避免地連續(xù)性的問(wèn)題而解決這個(gè)問(wèn)題，但是這大大增加了測(cè)量挑戰(zhàn)，因?yàn)橹粶y(cè)量一個(gè)信號(hào)對(duì)地不能很好地表達(dá)出這個(gè)差分信號(hào)。工程師可以使用兩個(gè)探頭測(cè)量?jī)蓚€(gè)差分信號(hào)對(duì)地的信號(hào)然后相減，但這將占用兩個(gè)通道，而且依賴(lài)于兩個(gè)探頭的精確匹配。本文將解釋這個(gè)方法將比真正的差分探頭帶來(lái)更大的負(fù)載。

所有的高阻抗差分探頭對(duì)于被測(cè)信號(hào)都表現(xiàn)出負(fù)載阻抗，使得信號(hào)產(chǎn)生失真。本文將談到為什么差分探頭比單端探頭的固有負(fù)載要小，并且描述一種比以前任何一種探頭都具有最小負(fù)載效應(yīng)的差分探頭。待測(cè)信號(hào)的探頭額定負(fù)載效應(yīng)可以量化，同時(shí)將展示探頭負(fù)載效應(yīng)的評(píng)估方法。

單端探頭的負(fù)載效應(yīng)
單端探頭有兩個(gè)輸入端——信號(hào)（尖端）和地。等效電路包括電感、DC電阻并聯(lián)的輸入電容和地夾的電感。地夾電感可以和尖端電感歸結(jié)在一起以簡(jiǎn)化電路。有源探頭的等效電路如Figure1所示。給出的電感有兩個(gè)——尖端和地夾電感。地夾電感通常占主導(dǎo)地位并依據(jù)用戶(hù)連接待測(cè)系統(tǒng)地的方式而改變。 低頻時(shí)，該探頭將通過(guò)電阻R加重待測(cè)電路的負(fù)載。R通常相當(dāng)大，該效應(yīng)可以忽略。高頻時(shí)，電容開(kāi)始產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)，造成待測(cè)信號(hào)的很大失真。電容和電感在該頻點(diǎn)諧振，負(fù)載變成0歐姆，完全短路了信號(hào)。為了減少負(fù)載效應(yīng)（增加探頭的阻抗），電容和電感要盡可能的小。

差分探頭包括兩個(gè)獨(dú)立的輸入端子和一個(gè)差分放大器，如Figure 2所示。因?yàn)橛性措娐分环糯髢蓚€(gè)輸入，公共地連接還有相關(guān)的電感被去除。剩下的電感是兩個(gè)尖端電感的和，但是由于Ltip通常遠(yuǎn)小于Lgnd，負(fù)載電感變得很小。尖端電感也是固定的，不依賴(lài)于任何因不同用戶(hù)而改變的地夾。此外，電容減半，因?yàn)樨?fù)載電容和原有的輸入電容串聯(lián)。 差分設(shè)計(jì)的好處是明顯的，或許有人會(huì)問(wèn)為何長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)儀器廠商不制造這種探頭呢？挑戰(zhàn)在于，高帶寬差分放大器的設(shè)計(jì)。單端放大器比較簡(jiǎn)單；要求較少的晶體管，消耗更少的功率，小體積并可以在高頻運(yùn)行。

此外，連接兩個(gè)高頻尖端到放大器的輸入也增加了困難。不同的待測(cè)電路要求不同的位置和引線空間，這些尖端的任何移動(dòng)可以顯著改變探頭的高頻響應(yīng)。為了抑制共模信號(hào)，每個(gè)尖端的特性必須是一致的，很難創(chuàng)建可以在移動(dòng)時(shí)保持匹配的物理尖端。

新的WaveLink系列高帶寬探頭解決了這些問(wèn)題。最新的SiGe工藝支持具有高頻性能的高帶寬差分放大器，D600A-AT是7.5GHz。采用了非常對(duì)稱(chēng)的拓?fù)浔ＷC了即便是在最高頻率時(shí)尖端共模電壓能有效抑制。

和可調(diào)整的尖端相關(guān)的問(wèn)題已用新的專(zhuān)利輸入電路解決，允許尖端和小的傳輸線一起連接到放大器。放大器和尖端構(gòu)筑在靈活的底層，尖端可被去除。用戶(hù)可以調(diào)整探頭的尖端精確匹配信號(hào)的空間從而獲得在不導(dǎo)致任何探頭負(fù)載或頻響變化的測(cè)量。

直到幾年前，儀器制造商僅提到探頭的輸入電阻和電容。這表明用戶(hù)的地夾的電感占據(jù)了主導(dǎo)，通過(guò)這個(gè)連接只有很少的控制。結(jié)果是，探頭制造商忽略了所有在量化探頭時(shí)導(dǎo)致地夾效應(yīng)降低的信號(hào)。事實(shí)上，規(guī)定的低電感夾具經(jīng)常用來(lái)測(cè)量探頭性能。使用這樣的夾具，制造商展示了在任何實(shí)際測(cè)量情況中都是不可能的（到地的真實(shí)連接時(shí)必須的）頻響和帶寬性能。

查看Figure 1中的等效電路，可以看到諧振頻率（1/(2*PI*sqrt(LC))給出）點(diǎn)的探頭輸入阻抗是0歐姆——完全消除了被測(cè)信號(hào)！最近一些制造商開(kāi)始注意這個(gè)問(wèn)題并設(shè)計(jì)具有更好輸入特性的探頭。Figure 3展示了這種探頭（Probe A)的等效電路。這是許多給出這個(gè)探頭精確依賴(lài)于尖端和地夾的等效負(fù)載模型之一。這個(gè)探頭還有一個(gè)諧振點(diǎn)大概是2GHz，該頻點(diǎn)的阻抗被電阻限制到大約165歐姆。 新的WaveLink差分探頭的等效電路如Figure 4所示。設(shè)計(jì)包括抑制諧振阻抗的電阻，也能通過(guò)消除地夾電感減少電感。輸入電容進(jìn)一步減少到非常低的水平，有效的是諧振頻率移到7GHz，好于單端探頭。 新設(shè)計(jì)的探頭輸入阻抗效應(yīng)如何？Figure 5展示了Probe A阻抗 Vs 頻率在有另外一個(gè)制造商沒(méi)有仔細(xì)考慮減少輸入諧振負(fù)載的Probe B之上。同時(shí)，新的WaveLink探頭的負(fù)載效應(yīng)也展示出來(lái)。由于是差分探頭，有兩條跡線——第一條顯示了當(dāng)做是單端探頭（負(fù)輸入當(dāng)成是地連接）是時(shí)的阻抗，第二條顯示了用平衡源驅(qū)動(dòng)時(shí)的負(fù)載。跡線在每個(gè)探頭的最大規(guī)定頻率截止。 WaveLink和單端探頭的一個(gè)明顯區(qū)別是較低的DC電阻：4k 歐姆差分 vs 100k 歐姆。這是一個(gè)顯著的不同，當(dāng)檢查阻抗 vs 頻率曲線時(shí)，可以看到頻率遠(yuǎn)大于幾十MHz（事實(shí)上是這么一個(gè)探頭所有關(guān)注的頻率），8nH 130電抗器件占據(jù)了負(fù)載效應(yīng)的主導(dǎo)。較低的輸入電容提供了WaveLink探頭一個(gè)較大的輸入阻抗。

決定被測(cè)信號(hào)的阻抗效應(yīng)并不簡(jiǎn)單，因?yàn)橐蕾?lài)于待測(cè)電路的阻抗。出于這個(gè)原因，阻抗 vs 頻率曲線是不夠的；精確的等效電路是首要的，因?yàn)樘囟ù郎y(cè)電路的效應(yīng)可以計(jì)算出來(lái)。

為了比較差分探頭的性能，通常在良好定義和常數(shù)電路中畫(huà)出負(fù)載效應(yīng)。比如，每個(gè)探頭在50歐姆理想環(huán)境中產(chǎn)生的插損如Figure 6所示。插損用dB表示；作為電壓表示，必須除以20，采用反對(duì)數(shù)。比如Probe B導(dǎo)致的4.6dB的插損會(huì)產(chǎn)生41%的幅度損失。這對(duì)于被探測(cè)的信號(hào)有顯著影響。 除了損失，待測(cè)電路的探頭阻抗產(chǎn)生的時(shí)間誤差。探頭負(fù)載可對(duì)被測(cè)信號(hào)產(chǎn)生延遲，甚至比幅度損失更嚴(yán)重，因?yàn)檫@些通過(guò)系統(tǒng)傳播。如果檢測(cè)多個(gè)點(diǎn)，當(dāng)探頭放置到信號(hào)連接每個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間偏移，這些延遲會(huì)增加。

取決于探頭負(fù)載，延遲或許不是頻率常數(shù)。這意味著信號(hào)由不同的沿速率（不同頻率成份）會(huì)被延遲不同的數(shù)量。當(dāng)探頭和輸入從容性變到感性諧振時(shí)，延遲也變化。甚至探頭試圖減少LC諧振的幅度影響，也會(huì)使信號(hào)的時(shí)間延遲失真。唯一真正的解決方案是移到被測(cè)頻率之上的諧振頻率。

頻域中，時(shí)間偏移表現(xiàn)為群時(shí)延。定義為相位改變除以頻率的改變。理想的傳輸線有恒定的群時(shí)延（意味著延遲獨(dú)立于頻率）。同樣，容性負(fù)載也有恒定的群時(shí)延。更復(fù)雜的負(fù)載電路表現(xiàn)出隨信號(hào)變化的頻率成份而改變的延遲。這產(chǎn)生了信號(hào)中的確定性抖動(dòng)，通過(guò)替換信號(hào)的連接而簡(jiǎn)化。

示例探頭的群時(shí)延如Figure 7所示。垂直單位是ns。注意，類(lèi)似于幅度損失，延遲也是被測(cè)電路阻抗的函數(shù)。此外，如果有人預(yù)計(jì)探頭在信號(hào)上產(chǎn)生的影響，特定的信號(hào)屬性將包括在仿真中。 決定信號(hào)的探頭負(fù)載效應(yīng)是很難的。最簡(jiǎn)單的方法是通過(guò)可以探測(cè)信號(hào)的夾具連接信號(hào)（或者典型信號(hào)）到測(cè)量?jī)x器的輸入。這樣的夾具如下圖（Figure 8）所示。這是一個(gè)50歐姆微帶傳輸線，提供到儀器的極低失真連接。使用這個(gè)夾具，可以測(cè)量信號(hào)在探頭連接或不連接情況下檢測(cè)信號(hào)形狀的任何變化或由負(fù)載效應(yīng)導(dǎo)致的時(shí)序。 我們可以通過(guò)安裝在力科WaveMaster示波器輸入的夾具展示這個(gè)方法，并顯示這個(gè)信號(hào)在探頭連接或不連接夾具時(shí)的跡線。觸摸探頭只有極少的影響。Figure 9 展示Probe A通過(guò)信號(hào)放置的負(fù)載產(chǎn)生的結(jié)果。 為了確定負(fù)載引起的延遲效應(yīng)，用戶(hù)必須在獨(dú)立的信號(hào)上觸發(fā)示波器以便觸發(fā)點(diǎn)不隨著探頭而偏移。示波器設(shè)置成非負(fù)載信號(hào)（儲(chǔ)存在內(nèi)存M1中）幅度和延遲和負(fù)載信號(hào)（顯示在通道1中）。之前對(duì)于在信號(hào)形狀上探頭負(fù)載效應(yīng)測(cè)試，沒(méi)有大多數(shù)可預(yù)期的效應(yīng)。好的探頭不會(huì)改變上升沿的形狀或相對(duì)于觸發(fā)點(diǎn)的邊沿時(shí)序。這里，斜的信號(hào)邊沿被衰減，時(shí)間延遲了7ps。因?yàn)槲覀兛吹綄?duì)于這樣的一個(gè)探頭群時(shí)延不是常數(shù)，這個(gè)值隨著頻率成份（上升沿）的改變而改變。

新的WaveLinks探頭不通過(guò)同一個(gè)測(cè)試信號(hào)，測(cè)量結(jié)果如Figure 10 所示。由于探頭負(fù)載（<1%）信號(hào)幅度有輕微的減少，但主要的信號(hào)邊沿完全沒(méi)有失真。探頭阻抗產(chǎn)生的延遲是2ps，不會(huì)隨著信號(hào)頻率改變。

這個(gè)同樣的夾具可以用于頻域測(cè)量。通過(guò)測(cè)試夾具的信號(hào)插損可被測(cè)量，由探頭負(fù)載增加的插損，還有群時(shí)延都可被顯示。

探頭負(fù)載阻抗可以引起被測(cè)信號(hào)幅度和時(shí)間上的顯著變化。越低的探頭負(fù)載阻抗，這些改變?cè)絽柡Γ粶y(cè)電路的特定屬性越依賴(lài)于這些改變。這些改變，尤其是時(shí)間偏斜會(huì)被顯著損害，因?yàn)橥ㄟ^(guò)功能系統(tǒng)傳播導(dǎo)致系統(tǒng)中其他點(diǎn)的失效測(cè)量。一個(gè)探頭輸入阻抗的準(zhǔn)確模型要求完全評(píng)估這些在用探頭時(shí)可以看到的效應(yīng)。

差分探頭具有固有的較低負(fù)載，現(xiàn)在的問(wèn)題是增加到非常高的帶寬差分放大器（這里是7.5GHz）已被解決，這么一個(gè)探頭的所有的高頻測(cè)量是最好的。WaveLink系列探頭在這些任何已有的高頻探頭中具有最低的負(fù)載，提供了測(cè)試信號(hào)的最低失真。