探頭在捕獲高速信號上的技術進步

簡介
測量PCIe，SATA和其它快速模擬和數字信號等寬帶信號時總是需要高阻抗探頭。通過線纜直接連接高頻信號到測量儀器只是適合通常的一致性測試和PCB驗證等應用場合，但是大多數信號必須在系統運行時進行觀察以便確定整個工作系統中的信號特性。大多數探頭是單端，也就是測量共地信號，需要通過地線連接探頭尖端附近的地和待測設備的地。這種探頭很難測量本地信號地與儀器地有很大區別的信號。地也可以與待測設備的地在一起。

設計者可以通過差分傳輸高速信號避免地連續性的問題而解決這個問題，但是這大大增加了測量挑戰，因為只測量一個信號對地不能很好地表達出這個差分信號。工程師可以使用兩個探頭測量兩個差分信號對地的信號然后相減，但這將占用兩個通道，而且依賴于兩個探頭的精確匹配。本文將解釋這個方法將比真正的差分探頭帶來更大的負載。

所有的高阻抗差分探頭對于被測信號都表現出負載阻抗，使得信號產生失真。本文將談到為什么差分探頭比單端探頭的固有負載要小，并且描述一種比以前任何一種探頭都具有最小負載效應的差分探頭。待測信號的探頭額定負載效應可以量化，同時將展示探頭負載效應的評估方法。

單端探頭的負載效應
單端探頭有兩個輸入端——信號（尖端）和地。等效電路包括電感、DC電阻并聯的輸入電容和地夾的電感。地夾電感可以和尖端電感歸結在一起以簡化電路。有源探頭的等效電路如Figure1所示。給出的電感有兩個——尖端和地夾電感。地夾電感通常占主導地位并依據用戶連接待測系統地的方式而改變。

低頻時，該探頭將通過電阻R加重待測電路的負載。R通常相當大，該效應可以忽略。高頻時，電容開始產生負載效應，造成待測信號的很大失真。電容和電感在該頻點諧振，負載變成0歐姆，完全短路了信號。為了減少負載效應（增加探頭的阻抗），電容和電感要盡可能的小。

差分探頭包括兩個獨立的輸入端子和一個差分放大器，如Figure 2所示。因為有源電路只放大兩個輸入，公共地連接還有相關的電感被去除。剩下的電感是兩個尖端電感的和，但是由于Ltip通常遠小于Lgnd，負載電感變得很小。尖端電感也是固定的，不依賴于任何因不同用戶而改變的地夾。此外，電容減半，因為負載電容和原有的輸入電容串聯。


差分設計的好處是明顯的，或許有人會問為何長時間內儀器廠商不制造這種探頭呢？挑戰在于，高帶寬差分放大器的設計。單端放大器比較簡單；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行。

此外，連接兩個高頻尖端到放大器的輸入也增加了困難。不同的待測電路要求不同的位置和引線空間，這些尖端的任何移動可以顯著改變探頭的高頻響應。為了抑制共模信號，每個尖端的特性必須是一致的，很難創建可以在移動時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。采用了非常對稱的拓撲保證了即便是在最高頻率時尖端共模電壓能有效抑制。

和可調整的尖端相關的問題已用新的專利輸入電路解決，允許尖端和小的傳輸線一起連接到放大器。放大器和尖端構筑在靈活的底層，尖端可被去除。用戶可以調整探頭的尖端精確匹配信號的空間從而獲得在不導致任何探頭負載或頻響變化的測量。

直到幾年前，儀器制造商僅提到探頭的輸入電阻和電容。這表明用戶的地夾的電感占據了主導，通過這個連接只有很少的控制。結果是，探頭制造商忽略了所有在量化探頭時導致地夾效應降低的信號。事實上，規定的低電感夾具經常用來測量探頭性能。使用這樣的夾具，制造商展示了在任何實際測量情況中都是不可能的（到地的真實連接時必須的）頻響和帶寬性能。