中心議題：

• 差分探頭比單端探頭的固有負載小
• 待測信號的探頭額定負載效應可以量化
• 探頭負載效應的評估方法

解決方案：

• 采用非常對稱拓撲抑製尖端共模電壓 
• 精確的等效電路是首要的

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隻是適合通常的一致性測試和PCB驗(yan)證(zheng)等(deng)應(ying)用(yong)場(chang)合(he)
，但(dan)是(shi)大(da)多(duo)數(shu)信(xin)號(hao)必(bi)須(xu)在(zai)係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)時(shi)進(jin)行(xing)觀(guan)察(cha)以(yi)便(bian)確(que)定(ding)整(zheng)個(ge)工(gong)作(zuo)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)信(xin)號(hao)特(te)性(xing)。大(da)多(duo)數(shu)探(tan)頭(tou)是(shi)單(dan)端(duan)
，也(ye)就(jiu)是(shi)測(ce)量(liang)共(gong)地(di)信(xin)號(hao)，需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)地(di)線(xian)連(lian)接(jie)探(tan)頭(tou)尖(jian)端(duan)附(fu)近(jin)的(de)地(di)和(he)待(dai)測(ce)設(she)備(bei)的(de)地(di)。這(zhe)種(zhong)探(tan)頭(tou)很(hen)難(nan)測(ce)量(liang)本(ben)地(di)信(xin)號(hao)地(di)與(yu)儀(yi)器(qi)地(di)有(you)很(hen)大(da)區(qu)別(bie)的(de)信(xin)號(hao)。地(di)也(ye)可(ke)以(yi)與(yu)待(dai)測(ce)設(she)備(bei)的(de)地(di)在(zai)一(yi)起(qi)。

設(she)計(ji)者(zhe)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)差(cha)分(fen)傳(chuan)輸(shu)高(gao)速(su)信(xin)號(hao)避(bi)免(mian)地(di)連(lian)續(xu)性(xing)的(de)問(wen)題(ti)而(er)解(jie)決(jue)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)
，但(dan)是(shi)這(zhe)大(da)大(da)增(zeng)加(jia)了(le)測(ce)量(liang)挑(tiao)戰(zhan)
，因(yin)為(wei)隻(zhi)測(ce)量(liang)一(yi)個(ge)信(xin)號(hao)對(dui)地(di)不(bu)能(neng)很(hen)好(hao)地(di)表(biao)達(da)出(chu)這(zhe)個(ge)差(cha)分(fen)信(xin)號(hao)。工(gong)程(cheng)師(shi)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)兩(liang)個(ge)探(tan)頭(tou)測(ce)量(liang)兩(liang)個(ge)差(cha)分(fen)信(xin)號(hao)對(dui)地(di)的(de)信(xin)號(hao)然(ran)後(hou)相(xiang)減(jian)，但(dan)這(zhe)將(jiang)占(zhan)用(yong)兩(liang)個(ge)通(tong)道(dao)，而(er)且(qie)依(yi)賴(lai)於(yu)兩(liang)個(ge)探(tan)頭(tou)的(de)精(jing)確(que)匹(pi)配(pei)。本(ben)文(wen)將(jiang)解(jie)釋(shi)這(zhe)個(ge)方(fang)法(fa)將(jiang)比(bi)真(zhen)正(zheng)的(de)差(cha)分(fen)探(tan)頭(tou)帶(dai)來(lai)更(geng)大(da)的(de)負(fu)載(zai)。

所有的高阻抗差分探頭對於被測信號都表現出負載阻抗
，使得信號產生失真。本ben文wen將jiang談tan到dao為wei什shen麼me差cha分fen探tan頭tou比bi單dan端duan探tan頭tou的de固gu有you負fu載zai要yao小xiao，並bing且qie描miao述shu一yi種zhong比bi以yi前qian任ren何he一yi種zhong探tan頭tou都dou具ju有you最zui小xiao負fu載zai效xiao應ying的de差cha分fen探tan頭tou。待dai測ce信xin號hao的de探tan頭tou額e定ding負fu載zai效xiao應ying可ke以yi量liang化hua，同tong時shi將jiang展zhan示shi探tan頭tou負fu載zai效xiao應ying的de評ping估gu方fang法fa。

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電阻並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並依據用戶連接待測係統地的方式而改變。 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。因為有源電路隻放大兩個輸入
，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，但是由於Ltip通常遠小於Lgnd
，fuzaidianganbiandehenxiao。jianduandianganyeshigudingde，buyilaiyurenheyinbutongyonghuergaibiandedijia。ciwai
，dianrongjianban，yinweifuzaidianrongheyuanyoudeshurudianrongchuanlian。 chafenshejidehaochushimingxiande，huoxuyourenhuiwenweihechangshijianneiyiqichangshangbuzhizaozhezhongtantoune？tiaozhanzaiyu
，gaodaikuanchafenfangdaqidesheji。danduanfangdaqibijiaojiandan；要求較少的晶體管
，消耗更少的功率
，小體積並可以在高頻運行。

此(ci)外(wai)，連(lian)接(jie)兩(liang)個(ge)高(gao)頻(pin)尖(jian)端(duan)到(dao)放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)也(ye)增(zeng)加(jia)了(le)困(kun)難(nan)。不(bu)同(tong)的(de)待(dai)測(ce)電(dian)路(lu)要(yao)求(qiu)不(bu)同(tong)的(de)位(wei)置(zhi)和(he)引(yin)線(xian)空(kong)間(jian)，這(zhe)些(xie)尖(jian)端(duan)的(de)任(ren)何(he)移(yi)動(dong)可(ke)以(yi)顯(xian)著(zhu)改(gai)變(bian)探(tan)頭(tou)的(de)高(gao)頻(pin)響(xiang)應(ying)。為(wei)了(le)抑(yi)製(zhi)共(gong)模(mo)信(xin)號(hao)，每(mei)個(ge)尖(jian)端(duan)的(de)特(te)性(xing)必(bi)須(xu)是(shi)一(yi)致(zhi)的(de)，很(hen)難(nan)創(chuang)建(jian)可(ke)以(yi)在(zai)移(yi)動(dong)時(shi)保(bao)持(chi)匹(pi)配(pei)的(de)物(wu)理(li)尖(jian)端(duan)。

新的WaveLink係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製。

和(he)可(ke)調(tiao)整(zheng)的(de)尖(jian)端(duan)相(xiang)關(guan)的(de)問(wen)題(ti)已(yi)用(yong)新(xin)的(de)專(zhuan)利(li)輸(shu)入(ru)電(dian)路(lu)解(jie)決(jue)
，允(yun)許(xu)尖(jian)端(duan)和(he)小(xiao)的(de)傳(chuan)輸(shu)線(xian)一(yi)起(qi)連(lian)接(jie)到(dao)放(fang)大(da)器(qi)。放(fang)大(da)器(qi)和(he)尖(jian)端(duan)構(gou)築(zhu)在(zai)靈(ling)活(huo)的(de)底(di)層(ceng)，尖(jian)端(duan)可(ke)被(bei)去(qu)除(chu)。用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)調(tiao)整(zheng)探(tan)頭(tou)的(de)尖(jian)端(duan)精(jing)確(que)匹(pi)配(pei)信(xin)號(hao)的(de)空(kong)間(jian)從(cong)而(er)獲(huo)得(de)在(zai)不(bu)導(dao)致(zhi)任(ren)何(he)探(tan)頭(tou)負(fu)載(zai)或(huo)頻(pin)響(xiang)變(bian)化(hua)的(de)測(ce)量(liang)。

直(zhi)到(dao)幾(ji)年(nian)前(qian)
，儀(yi)器(qi)製(zhi)造(zao)商(shang)僅(jin)提(ti)到(dao)探(tan)頭(tou)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)阻(zu)和(he)電(dian)容(rong)。這(zhe)表(biao)明(ming)用(yong)戶(hu)的(de)地(di)夾(jia)的(de)電(dian)感(gan)占(zhan)據(ju)了(le)主(zhu)導(dao)
，通(tong)過(guo)這(zhe)個(ge)連(lian)接(jie)隻(zhi)有(you)很(hen)少(shao)的(de)控(kong)製(zhi)。結(jie)果(guo)是(shi)，探(tan)頭(tou)製(zhi)造(zao)商(shang)忽(hu)略(lve)了(le)所(suo)有(you)在(zai)量(liang)化(hua)探(tan)頭(tou)時(shi)導(dao)致(zhi)地(di)夾(jia)效(xiao)應(ying)降(jiang)低(di)的(de)信(xin)號(hao)。事(shi)實(shi)上(shang)，規(gui)定(ding)的(de)低(di)電(dian)感(gan)夾(jia)具(ju)經(jing)常(chang)用(yong)來(lai)測(ce)量(liang)探(tan)頭(tou)性(xing)能(neng)。使(shi)用(yong)這(zhe)樣(yang)的(de)夾(jia)具(ju)，製(zhi)造(zao)商(shang)展(zhan)示(shi)了(le)在(zai)任(ren)何(he)實(shi)際(ji)測(ce)量(liang)情(qing)況(kuang)中(zhong)都(dou)是(shi)不(bu)可(ke)能(neng)的(de)（到地的真實連接時必須的）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）點的探頭輸入阻抗是0歐姆——完全消除了被測信號！最近一些製造商開始注意這個問題並設計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。這是許多給出這個探頭精確依賴於尖端和地夾的等效負載模型之一。這個探頭還有一個諧振點大概是2GHz，該頻點的阻抗被電阻限製到大約165歐姆。 新的WaveLink差分探頭的等效電路如Figure 4所示。設計包括抑製諧振阻抗的電阻，也能通過消除地夾電感減少電感。輸入電容進一步減少到非常低的水平，有效的是諧振頻率移到7GHz，好於單端探頭。 新設計的探頭輸入阻抗效應如何？Figure 5展示了Probe A阻抗 Vs 頻率在有另外一個製造商沒有仔細考慮減少輸入諧振負載的Probe B之上。同時
，新的WaveLink探頭的負載效應也展示出來。由於是差分探頭，有兩條跡線——第一條顯示了當做是單端探頭（負輸入當成是地連接）是時的阻抗，第二條顯示了用平衡源驅動時的負載。跡線在每個探頭的最大規定頻率截止。 WaveLink和單端探頭的一個明顯區別是較低的DC電阻：4k 歐姆差分 vs 100k 歐姆。這是一個顯著的不同，當檢查阻抗 vs 頻率曲線時，可以看到頻率遠大於幾十MHz（事實上是這麼一個探頭所有關注的頻率），8nH 130電抗器件占據了負載效應的主導。較低的輸入電容提供了WaveLink探頭一個較大的輸入阻抗。

決定被測信號的阻抗效應並不簡單
，因為依賴於待測電路的阻抗。出於這個原因，阻抗 vs 頻率曲線是不夠的；精確的等效電路是首要的，因為特定待測電路的效應可以計算出來。

為了比較差分探頭的性能，通常在良好定義和常數電路中畫出負載效應。比如，每個探頭在50歐姆理想環境中產生的插損如Figure 6所示。插損用dB表示；作為電壓表示，必須除以20，采用反對數。比如Probe B導致的4.6dB的插損會產生41%的幅度損失。這對於被探測的信號有顯著影響。 chulesunshi
，daicedianludetantouzukangchanshengdeshijianwucha。tantoufuzaikeduibeicexinhaochanshengyanchi，shenzhibifudusunshigengyanzhong

，yinweizhexietongguoxitongchuanbo。ruguojianceduogedian，dangtantoufangzhidaoxinhaolianjiemeigedianchanshengyigeshijianpianyi
，zhexieyanchihuizengjia。

取決於探頭負載，延遲或許不是頻率常數。這意味著信號由不同的沿速率（不同頻率成份）會被延遲不同的數量。當探頭和輸入從容性變到感性諧振時，延遲也變化。甚至探頭試圖減少LC諧振的幅度影響，也會使信號的時間延遲失真。唯一真正的解決方案是移到被測頻率之上的諧振頻率。

頻域中，時間偏移表現為群時延。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延（意味著延遲獨立於頻率）。同tong樣yang，容rong性xing負fu載zai也ye有you恒heng定ding的de群qun時shi延yan。更geng複fu雜za的de負fu載zai電dian路lu表biao現xian出chu隨sui信xin號hao變bian化hua的de頻pin率lv成cheng份fen而er改gai變bian的de延yan遲chi。這zhe產chan生sheng了le信xin號hao中zhong的de確que定ding性xing抖dou動dong，通tong過guo替ti換huan信xin號hao的de連lian接jie而er簡jian化hua。

示例探頭的群時延如Figure 7所示。垂直單位是ns。zhuyi

，leisiyufudusunshi
，yanchiyeshibeicedianluzukangdehanshu。ciwai，ruguoyourenyujitantouzaixinhaoshangchanshengdeyingxiang，tedingdexinhaoshuxingjiangbaokuozaifangzhenzhong。 決定信號的探頭負載效應是很難的。最簡單的方法是通過可以探測信號的夾具連接信號（或者典型信號）到測量儀器的輸入。這樣的夾具如下圖（Figure 8）所示。這是一個50oumuweidaichuanshuxian
，tigongdaoyiqidejidishizhenlianjie。shiyongzhegejiaju，keyiceliangxinhaozaitantoulianjiehuobulianjieqingkuangxiajiancexinhaoxingzhuangderenhebianhuahuoyoufuzaixiaoyingdaozhideshixu。 我們可以通過安裝在力科WaveMaster示波器輸入的夾具展示這個方法
，並顯示這個信號在探頭連接或不連接夾具時的跡線。觸摸探頭隻有極少的影響。Figure 9 展示Probe A通過信號放置的負載產生的結果。 為了確定負載引起的延遲效應
，用戶必須在獨立的信號上觸發示波器以便觸發點不隨著探頭而偏移。示波器設置成非負載信號（儲存在內存M1中）幅度和延遲和負載信號（顯示在通道1中）。zhiqianduiyuzaixinhaoxingzhuangshangtantoufuzaixiaoyingceshi
，meiyoudaduoshukeyuqidexiaoying。haodetantoubuhuigaibianshangshengyandexingzhuanghuoxiangduiyuchufadiandebianyanshixu。zheli，xiedexinhaobianyanbeishuaijian，shijianyanchile7ps。因為我們看到對於這樣的一個探頭群時延不是常數，這個值隨著頻率成份（上升沿）的改變而改變。

新的WaveLinks探頭不通過同一個測試信號，測量結果如Figure 10 所示。由於探頭負載（<1%）信號幅度有輕微的減少，但主要的信號邊沿完全沒有失真。探頭阻抗產生的延遲是2ps
，不會隨著信號頻率改變。

這個同樣的夾具可以用於頻域測量。通過測試夾具的信號插損可被測量，由探頭負載增加的插損，還有群時延都可被顯示。

探tan頭tou負fu載zai阻zu抗kang可ke以yi引yin起qi被bei測ce信xin號hao幅fu度du和he時shi間jian上shang的de顯xian著zhu變bian化hua。越yue低di的de探tan頭tou負fu載zai阻zu抗kang

，這zhe些xie改gai變bian越yue厲li害hai，被bei測ce電dian路lu的de特te定ding屬shu性xing越yue依yi賴lai於yu這zhe些xie改gai變bian。這zhe些xie改gai變bian
，尤you其qi是shi時shi間jian偏pian斜xie會hui被bei顯xian著zhu損sun害hai，因yin為wei通tong過guo功gong能neng係xi統tong傳chuan播bo導dao致zhi係xi統tong中zhong其qi他ta點dian的de失shi效xiao測ce量liang。一yi個ge探tan頭tou輸shu入ru阻zu抗kang的de準zhun確que模mo型xing要yao求qiu完wan全quan評ping估gu這zhe些xie在zai用yong探tan頭tou時shi可ke以yi看kan到dao的de效xiao應ying。

差分探頭具有固有的較低負載，現在的問題是增加到非常高的帶寬差分放大器（這裏是7.5GHz）已被解決，這麼一個探頭的所有的高頻測量是最好的。WaveLink係列探頭在這些任何已有的高頻探頭中具有最低的負載
，提供了測試信號的最低失真。