拆個示波器無源探頭，看看里面到底有啥秘密

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哪根筋搭錯了要去研究一下無源探頭

一切都起源于一個問題：能不能把1X的無源探頭當同軸線去匹配50歐姆或者75歐姆的系統？有經驗的人會立刻回答不能，因為就算是1X的探頭上面也串接了一個不小的電阻。我手邊正好有一個報廢的探頭，拿萬用表測了一測，內芯的電阻有300多歐姆！外導體倒是正常的零點幾歐姆。這樣一條“同軸線”顯然不能拿去匹配50歐姆或者75歐姆的系統。

問題看起來是解決了，可這又加深了我對無源探頭的疑問：問什么探頭上要串那么大的電阻，又為什么1X探頭的帶寬比10X探頭小那么多？

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拆根探頭看看里面有啥

要說這無源探頭還真不太好拆，整體注塑的還特別硬，沒辦法用水口鉗一點一點把塑料夾下來吧，塑料外殼去掉了里面還有個金屬套筒，沒辦法繼續夾吧。廢了九牛二虎之力，手上也搞出了幾處傷，終于拆除了這樣一個玩意：

無源探頭內部結構

一根探針，一塊電路板，幾個電阻電容，一個單刀雙擲開關，一根同軸線，就這樣。

然后電路長成這個樣子：

無源探頭等效電路圖

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探頭上的阻尼電阻

果然探頭上串接了不小的電阻，可為什么要串這樣一個電阻？簡單建模仿真看看：

示波器測量系統簡單模型

其中RS1為源內阻，這里取經驗值25歐姆；RD1是無源探頭的輸入阻尼電阻，仿真的時候會掃參這個電阻值；L1是探頭線纜的寄生電感，取經驗值500nH；C1是探頭線纜寄生電容和示波器輸入電容的和，也是根據經驗取100pF；R1是示波器的輸入阻抗，為1M歐姆。

把RD的取值作為掃描的參數，取1、25、50、75、100、150和200歐姆，系統的頻率響應和階躍響應如下：

這個阻尼電阻主要作用就是抵消探頭寄生電感帶來的系統頻響上的尖峰，阻尼電阻過小尖峰很大，時域波形會出現較大的過沖，阻尼電阻過大又會導致系統帶寬不足，實際的取值往往是根據探頭和示波器特性，經過調試權衡出來的一個中間值。

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為什么10X探頭比1X探頭擁有更高的帶寬

上一節可以看到，由于寄生電容電感和阻尼電阻的存在，1X探頭下系統的帶寬是比較低的，10X探頭卻可以通過在衰減網絡上增加補償電路來獲得更高的系統帶寬，簡化的系統模型如下：

10X探頭下示波器測量系統簡化模型

這里把阻尼電阻RD1設置為100歐姆，在1X下帶寬大約是17MHz；阻尼電阻和示代表線纜的寄生電感之間串接了一個衰減和補償網絡，其中C2是一個可調電容（還記得探頭上那個補償旋鈕么）。適當調節C1、C2、R2和R3的取值，就可以獲得一個較為理想的系統頻響。

當然真實的情況比這個模型要復雜不少。用過高帶寬無源探頭的朋友應該會注意到，相比低帶寬探頭，高帶寬探頭除了調節低頻（1kHz方波）的那個可調點（這里是C2）外，還會有一到兩個調節高頻的補償點（可能是這里的R2和R3）用來調節高頻的過沖。

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非一般的同軸線

探頭上的東西探索的差不多了，下面回到一開始那個問題：能不能把1X的無源探頭當同軸線去匹配50歐姆或者75歐姆的系統？不能，因為探頭上串接了較大的阻尼電阻。那么我把探頭剪掉（探頭不便宜，這么做還是挺心疼的），用后面那一截同軸線去匹配50歐姆或者75歐姆的系統行不行？這個問題能回答正確的人就不多了。

先把這一截同軸線拿到VNA上測測看是個什么結果。

同軸線S11參數

同軸線S21參數

什么鬼？！根本就不像是一條同軸線嘛。然后我又測了很多次，排除VNA故障，排除校準問題，排除測試方法不當，排除同軸線斷了....反正真的就是這么丑。

說到這細心的讀者可能會發現，我一開始說用萬用表測出來探頭內芯的電阻有300多歐姆，但是后面探頭簡化的原理圖上，阻尼電阻怎么算都不到200歐姆吧，被我吃掉的100多歐姆難道在這同軸線上？是的沒錯，拿萬用表測這條同軸線芯的電阻，1m多長的線居然有近180歐姆的電阻。

這么大的電阻當然不是線纜壞掉了，肯定有它存在的道理，不廢話上TDR看看。

同軸線TDR測試

一條斜線，說明阻抗在線上是均勻分布的，這難道是傳說中的阻抗漸近線？不過跟普通的阻抗漸近線還有點不一樣，這條線的插入損耗特別大，因為存在較大成分的電阻成分。

被測源、無源探頭和示波器組成的一個系統，源端阻抗未知，終端阻抗1M歐姆，探頭這個傳輸線要怎么去匹配這個系統呢？那索性就不匹配了吧，再搞個高損耗的傳輸線把反射降低一下，就這么簡單粗暴。（我對射頻這部分并不是太了解，不知道這樣的說法對不對，不恰當的地方還希望讀者不吝指出。）