放大器為什么裝在數字示波器探頭的前端？

更新時間：2021-06-07

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　　為什么示波器廠家把放大器放在探頭前面而不是示波器里面?把放大器放在探頭里可以把探頭和電纜造成的信號損耗降到低，但是這是怎么實現的呢?為了理解如何以及為什么，我們需要對探頭和輸入阻抗有一個基本的了解。

　　數字示波器探頭將示波器的輸入連接到要測量的電壓節點。傳統上，常用的探頭分為三種：高阻抗無源探頭、低電容阻抗傳輸線探頭和有源探頭。

　　最常見的探頭類型是高阻抗無源探頭。其使用補償分壓器(電阻和電容匹配的分壓器)來驅動探頭電纜和示波器輸入電容。這些探頭的額定帶寬為500MHz，但您應該考慮輸入電容帶來的限制。

　　帶匹配電容和電阻分壓器的高阻抗無源探頭

　　示波器的輸入電容在15 ~ 15 ~ 25pF之間，每英尺同軸電纜的電容在10pf ~ 30pf之間，因此其總電容約為80pF。因此，只需用屏蔽電纜將示波器連接到DUT(被測設備)上，就可以將該電容加載到被測電路上。在10兆赫茲時，阻抗約為200，這可能會顯著降低您試圖測量的電壓幅度。

　　我們可以通過使用電容補償分壓器將測量信號衰減10倍來增加輸入阻抗。這種補償分壓器會使探頭前端的最小電容為9pF，帶來10倍的衰減，使探頭的輸入阻抗增加約10倍。增加探頭的衰減倍數可以進一步降低輸入電容，但這樣做會降低進入示波器的信號幅度，使小信號的測量變得困難或不可能。實際上，10倍衰減是信號幅度和負載阻抗之間的良好平衡。

　　然而，在更高的頻率下，即使這樣低的探針電容仍然太大。在500兆赫茲時，9pF探頭電容的等效阻抗約為35，這將降低測量電壓，除非電路阻抗非常低。

　　如果把同軸電纜當成傳輸線，輸入電容可以大大降低。如果示波器的終端電阻為50，則電纜探頭端的阻抗將恒定為50，與頻率無關。可以使用分壓器來增加這種非常低的負載阻抗;450的串聯電阻會將測量電壓的幅度降低10倍，并獲得相對恒定的500負載阻抗。

　　傳輸線探針大大降低了輸入電容，但也降低了輸入電阻，從而降低了整體阻抗

　　端接傳輸線的探針的輸入電容相當低，典型值高達幾pF。該探頭的限制因素是低輸入電阻。對于10倍衰減的探頭，500的輸入電阻會對被測電路產生很大的影響。這讓我們自然而然地想到了主動探針。有源探頭使用補償分壓器驅動放大器，放大器的緩沖輸出驅動以其特征阻抗端接的同軸電纜，就像傳輸線探頭一樣。放大器還將探頭與電纜的容性負載和示波器的輸入電路隔離開來。

　　帶緩沖輸入驅動50 傳輸線的有源探頭

　　有源探頭仍然需要低輸入電容，這可以在探頭前端的小幾何尺寸內輕松實現。可以設計輸入電容約為4pF的高阻抗緩沖放大器。衰減10倍左右的補償分壓器會進一步減小輸入電容，允許更大的輸入電壓擺幅，其輸入電容約為0.4pF，實際上放大器需要一個輸入保護器件，會增加探頭前端金屬的雜散電容，所以0.5pF到4pF的輸入電容更符合實際。

　　示出了作為頻率的函數的上述三個探針的輸入阻抗(根據特定的輸入電阻和電容)。無源探頭在500MHz的頻率上*，輸入阻抗只有34，在相同頻率下，傳輸線探頭的輸入阻抗為359;有源探頭為530。該電容性阻抗將被應用于被測信號。

　　與無源和傳輸線探頭相比，有源探頭可以在最寬的帶寬內大化輸入阻抗

　　數字示波器的接地線增加了被測電路的電感

　　接地線的電感可以用經驗法則估算，其值約為20nH/in，即可計算出諧振頻率。電感的諧振頻率(fr)為：

　　為了使測量不失真，諧振頻率應遠高于測量信號的頻率。諧振頻率可以通過使用較短的接地線或具有較低輸入電容的探頭或兩者來提高。例如，我們使用PP008探針(輸入C=9.5Pf)和6英寸接地線(~120nH)來測量階躍信號電壓。在這些參數下，諧振頻率約為150兆赫，這可以很容易地在測量波形上看到。如果同樣的接地線與輸入電容僅為0.6pF的ZS4000探頭一起使用，其諧振頻率約為600MHz，平滑速度快得多。

　　比較不同輸入電容對接地線引起的振鈴的影響，輸入電容較低的有源探頭(ZS4000)不僅響應快得多，而且頻率較高。

　　帶寬較高的探頭配有短的定長接地線，最短的接地線配有上述有源探頭，讓你在測量階躍電壓時幾乎沒有振鈴現象和上升時間失真。使用中的重要注意事項是：不要試圖延長這些接地線，因為它們會增加電感和電容，并會顯著影響探頭性能。

　　讓我們回到最初的問題：“為什么有源探頭的放大器在探頭尖端，而不在示波器里?”答案是：通過將放大器放置在探頭前端附近，示波器制造商可以在探頭前端使用補償分壓器來增加探頭的輸入阻抗和輸入電壓范圍。同時，主動探頭可以緩沖連接電纜對探頭的影響。使用傳輸線探針代替放大器可以獲得類似的結果，但您必須能夠容忍低輸入阻抗的影響。

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