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示波器差分和单端有源电压探头性能比较-带宽、保真度和可用性

  发布时间: 2021-06-25      浏览量:131
示波器差分探头,示波器探头,差分探头

       过去在使用高带宽示波器和有源探头进行测量时,您可以选择单端探头,也可以选择差分探头。一般是用单端探头测量单端信号 ( 对地电压 ),用差分探头测量差分信号 ( 正电压-负电压 )。虽然也可以只买差分探头,用差分探头测量差分信号和单端信号,但出于一些实际考虑,多数人并不这样做。理由是,与单端探头相比,差分探头通常价格更高和更难以使用,而且带宽更小。

       InfiniiMax 探头系统既可用于差分检测,又可用于单端检测,从而很大程度上排除了过去拒绝使用差分探头的理由。新的探头系统使用可更换的探头前端,这些前端特别适用于手动点测、插孔连接和焊入连接等测量方式。

       对于这种新的探测方式,您需要确定是用差分探头还是单端探头测量单端信号。为作出最好的决定,您需要考虑差分探头与单端探头在性能和可用性方面的优缺点。

       本应用指南从带宽、保真度和可用性比较差分探头和单端探头的性能和可用性的优缺点 :

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图 1. 差分探头和单端探头的简化模型


       我们用简化模型 ( 图 1) 帮助比较,并用1134A 7 GHz 探头放大器配合焊入式差分探头前端和焊入式单端探头前端测量数据。这两种探头前端的物理连接尺寸非常接近,因此它们的性能差别主要是因为差分和单端电路元件的布局造成的。图 2 和图 3 是这些探头的照片。


带宽、保真度和可用性比较

       如前所述,单端探头的带宽通常比差分探头更高。但这一结果是源自某些基本物理定律,还仅仅是源自不同体系结构的实际实现方法。

       为回答这一问题,让我们考虑图 1 所示的差分探头和单端探头连接中寄生参数的简化模型。由于单端和差分探头前端的几何尺寸大致相同,因此电感和电容参数的量值也相当。如果接地连接使用又宽又平的导体( 就像“刀片”),单端探头的接地电感(lg)会稍低一些,但也低不到哪里去。应注意差分探头在其两个输入上都有补偿阻尼 (tip resistor),而单端探头只在信号输入上有补偿阻尼,地线上没有阻尼 ( 在实际探头中是 0 Ω 电阻器 )。这些补偿阻尼用于消除输入连接中电感器 (Ls) 和电容器 (Cs) 所造成的谐振。

       从对单端模型的分析,可看到带宽决定于电感值和电容值,其中对地电感 (lg) 非常重要。

       在较高频率下,对地电感会在器件接地与探头接地之间产生一个电压,从而减小探头衰减器 / 放大器输入端上的信号。您可通过减小对地电感来增加带宽。这需要缩短接地线的长度,或增加连接的面积。理想的接地线应是非常短、又比较宽的导体平面或围绕信号连接的环形圆柱体 ( 形成同轴的探头连接 )。在实际测量条件下,理想的接地线通常是不存在的,而且会大大降低单端探头的可用性。


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图 2.  1134A 单端焊入式探头前端 ( 上 ) 和差分焊入式探头前端 ( 下 )


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图 3. 开盖的单端 ( 上 ) 和差分 ( 下 ) 焊入式探头前端


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图 4. 差分探头和单端探头的频率响应


       此外,给出同轴夹具中的单端探头的技术指标是没有用的,因为在实际测试中,您基本上无法采用这种方式来测量。

       如果您分析由差分信号 (vcm=0,vp=vm) 驱动的差分模型,就会看到由于正负信号连接的固有对称性,在连接间就会存在一个没有净信号的平面。您可将这个“有效的”地平面视为牢固地接到器件的地平面和探头放大器的接地端。考虑到有效地平面的存在,即可分析半电路模型,此时信号地的环路面积近似为单端环路面积的一半,所以电感要低得多。从半电路模型分析可以看到,差分模型的带宽要远高于单端模型。此外,有效地平面是理想的接地连接,而且毫不影响其可用性。

       当差分探头受单端源驱动时,您可用叠加法确定总响应。当 vcm = vp = vm 时,在电路中施加单端信号。对于叠加的第一项,把 vcm“关闭”;对于叠加的第二项,把 vp 和 vm“关闭”。第一项是单端信号差分部分的响应,因此该响应和前面的讨论一致。第二项是单端信号共模部分的响应,因此其响应决定于探头的共模抑制。如果探头有良好的共模抑制能力,那么对单端信号的总响应就只是对单端信号差模成分的响应。如果探头的共模抑制不好,就会看到测量差分信号和测量单端信号的响应差异。从图 4 可以看到,这些响应实际上并无差别。

       图 4 显示了用差分探头检测单端信号 ( 绿色 ) 和用单端探头检测单端信号 ( 蓝色 ) 的频率响应,两者都使用同样的 7 GHz 探头放大器。探头的带宽定义为探头输出幅度相对输入幅度下降到 -3 dB 处的频率。显然,差分探头前端的带宽要比单端探头前端高得多(7.8 GHz 对 5.4 GHz)。这两种探头因为在连接中使用了正确的阻尼电阻,所以都有很高的频率平坦度。

       图 5 显示了对于输入约 100 ps 上升时间的阶跃信号,差分探头所测得的时域响应。图 6 显示了对于输入约 100 ps 上升时间的阶跃信号,单端探头所测得的时域响应。在这两个图中,红色轨迹是探头的输出,绿色轨迹是探头的输入。应注意这不是探头的阶跃响应,而只是测量它们能在多大程度上跟踪 100 ps 的阶跃信号。为测量阶跃响应,输入必须是非常完美的、有极快上升时间的阶跃信号,此时差分探头能显示出比单端探头更快的上升时间。这两种探头都能很好地跟踪 100 ps 的阶跃信号。

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图 5. 差分探头测量 100 ps 阶跃信号的时域响应


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图 6. 单端探头测量 100 ps 阶跃信号的时域响应


       以上就是普科科技PRBTEK从带宽、保真度和可用性比较差分探头和单端探头的性能和可用性的优缺点 。通过前面对差分探头和单端探头的比较,可以看到不管是检测差分信号,还是检测单端信号,差分探头在各方面的性能都优于单端探头。但有时仍可考虑使用单端探头。单端探头在许多测量情况下能够提供可接受的结果,此外价格较低,而且由于探头前端较为简单,因而体积也较小。从物理上考虑,小探头能伸入到狭窄的地方进行探测,也能把多个探头接到非常密集的被测点。因此在一个探测系统中,探头最好是既能作差分检测,又能作单端检测。如您再使用过程中有疑问,欢迎访问普科科技PRBTEK官网www.prbtek.com


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