为什么将放大器装在示波器的探头尖端?.docx
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1、近日,有读者问“为什么示波器厂商把放大器放在探头尖端,而不在示波器内? ”将放大器放在探头可最大限度地降低探头和线缆对信号造成的损耗,但这是 如何实现的?要了解如何及为什么,我们需要对探头和输入阻抗有一基本了解。示波器探头将示波器的输入连接到要测量的电压节点。传统上,常用的探头分 为三种类型:高阻抗无源探头、低容抗传输线探头和有源探头。最常见的探头类型是高阻抗无源探头。图 1 是其简化示意图。该探头使用经补 偿的分压器(电阻和电容匹配的分压器)以驱动探头线缆和示波器输入电容。这 些探头有 500MHz 额定带宽,但你应考虑由输入电容所带来的限制。图 1:采用电容和电阻匹配的分压器的高阻无源探头
2、。示波器的输入电容可能在 1525pF 之间。同轴电缆每英尺的电容约在 10pF30pF。所以其总电容可能约为 80pF。因此,简单地用屏蔽线缆将示波器 连接到 DUT(被测设备)将会把此电容加载在测量电路。在 10MHz 时,阻抗约为 200,这就可能显著降低你试图测量的电压幅值。我们可通过使用电容性补偿分压器将被测信号分压 10 倍的方式来增加此输入阻 抗。这种补偿分压器将使探头针尖具有最小 9pF 的电容、带来 10 倍衰减,使探 头负载阻抗增加了约 10 倍。增加探头衰减倍数,可进一步降低输入电容,但这 样做将降低进入示波器的信号幅值,并使小信号测量变得困难或不可能。在实 践中,10
3、倍衰减在信号幅度和加载阻抗之间表现出良好平衡。但在更高频率,即使是这样的低电容探头也还是太大了。在 500MHz,9pF 探头 电容的等效阻值约 35,除最低阻抗电路外,将对所有被测电压产生影响。若将同轴线缆换为传输线,则可大幅降低输入电容。如果示波器的终端电阻为 50,则电缆探头端的阻抗将总是 50,与频率无关。可使用分压器加大这一 非常低的负载阻抗;一个 450 串联电阻将把被测电压幅值缩小 10 倍,并得到 500 相对恒定的负载阻抗。采用带终端电阻的低电容或传输线探头(图 2)。图 2:传输线探头大幅降低输入电容,但它也降低了输入电阻,从而降低了整体阻抗。端接传输线探头的输入电容相当低
4、,典型值最高零点几个 pF。这种探头的限制 因素是低输入电阻。对 10 倍衰减探头来说,500 的输入电阻,也会对被测电 路造成很大影响。这就使我们自然想到有源探头(图 3)。有源探头采用补偿分压器驱动放大器。 该放大器的缓冲输出再驱动以其特性阻抗端接(terminated)的同轴电缆,就像 传输线探头。该放大器还将探头与电缆的电容性负载和示波器的输入电路隔离 开来。图 3:50 带缓冲输入驱动的传输线有源探头。有源探头仍需要低输入电容,在探头尖端的小几何形状内,可以容易做到这点。 可以设计出输入电容约为 4pF 的高阻抗缓冲放大器。约 10 倍衰减的补偿分压器 将进一步降低输入电容以及允许更
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