低電容探頭最大限度地降低對電路操作的影響

　　本應(yīng)用指南介紹了泰克高帶寬、低電容無源電壓探頭怎樣降低示波器用戶的總擁有成本、改善性能和測量精度、節(jié)省用戶設(shè)置時間。大多數(shù)示波器標(biāo)配的無源電壓探頭都提供了低成本通用探測解決方案。一般來說，這些探頭沒有有源電壓探頭的性能，但堅固耐用、動態(tài)范圍寬，適合查看信號。表 1 描述了傳統(tǒng)無源探頭解決方案的優(yōu)勢和劣勢。

　　表 1. 傳統(tǒng)無源探頭的優(yōu)勢和劣勢。

　　TPP1000、TPP0500B 和 TPP0250 重新界定了無源探頭產(chǎn)品類別的性能，提供了這類產(chǎn)品以前沒有實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)。這些探頭設(shè)計用于泰克 MDO3000、 MDO4000B、MSO/DPO4000B 和 MSO/DPO5000 系列示波器。這種性能水平是通過結(jié)合使用示波器和探頭內(nèi)部的電路來實(shí)現(xiàn)的。通過改善帶寬、輸入電容和自動補(bǔ)償探頭，傳統(tǒng)無源探頭的劣勢被轉(zhuǎn)化成優(yōu)勢，如表 2 所示。

　　表 2. 泰克 TPP1000、TPP0500B 和 TPP0250 的優(yōu)勢。

　　本應(yīng)用指南將更詳細(xì)地介紹： 

　　降低擁有成本 

　　改善測量精度 

　　縮短設(shè)置時間

　　降低擁有成本：

　　標(biāo)配無源探頭的局限性 ( 特別是在 1 GHz 系統(tǒng)上 ) 迫使用戶購買有源探頭，這明顯提高了用戶的整體投資成本。泰克 TPP1000、TPP0500B 和 TPP0250 探頭彌補(bǔ)了傳統(tǒng)無源探頭與性能更高、價格也更高的有源探頭之間的空白。泰克是唯一在 1 GHz 上把探頭帶寬與示波器探頭帶寬匹配起來的廠商。由于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的無源探頭技術(shù)指標(biāo)及自動低頻補(bǔ)償和高頻補(bǔ)償技術(shù)， TPP1000、TPP0500B、TPP0250 降低了用戶的擁有總成本，進(jìn)一步提高了示波器的投資回報。

　　改善測量精度：

　　許多因素影響著探頭為示波器提供信號的能力，用戶應(yīng)考慮以下因素： 

　　性能指標(biāo)：探頭的帶寬和上升時間是多少? 

　　探頭尖端的低輸入電容：探頭附件對性能有哪些影響? 

　　探頭負(fù)載：探頭給測試點(diǎn)上的信號帶來了多大的負(fù)載?

　　應(yīng)用指南：

　　性能指標(biāo)

　　通用無源探頭的優(yōu)勢在于堅固耐用，而不是性能。這種矛盾長期以來一直未能得到解決，因?yàn)檫@些探頭主要用來觀察低速信號。這種矛盾的存在，還源于研制堅固耐用、高性能、能夠測量幾百伏特的探頭面臨著重大的設(shè)計挑戰(zhàn)。有源探頭的帶寬一般為 1 GHz 以上，測量的電壓低于 10 V(部分泰克探頭可以高達(dá) 40 V)，缺少無源探頭的強(qiáng)健性。無源探頭的帶寬一般在 500 MHz 或以下，測量幾百伏的電壓，堅固耐用。 TPP1000、TPP0500B 和 TPP0250 是唯一同時提供優(yōu)異性能、寬動態(tài)范圍及日常使用所需的堅固性的探頭。

圖 1. 泰克、力科和安捷倫標(biāo)配無源電壓探頭的上升時間

　　帶寬是示波器和探頭的主要性能指標(biāo)。帶寬是衡量頻響的指標(biāo)，示波器主要是時域儀器。示波器顯示的數(shù)據(jù)是幅度隨時間變化圖，頻域中看上去很小的差異可能會在時域中產(chǎn)生很大的影響。大多數(shù)示波器用戶需要擁有優(yōu)秀階躍響應(yīng)的示波器和探頭，因?yàn)樗梢愿玫乇砻魈筋^輸出在示波器顯示屏上的顯示結(jié)果。為正確顯示系統(tǒng)階躍響應(yīng)，應(yīng)在測量系統(tǒng)中注入快速干凈的階躍信號。在評估探頭上升時間時，要求信號的邊沿速率快于探頭所能支持的邊沿速率。看一下圖 1 中的截圖，其比較了泰克 TPP1000 探頭與力科和安捷倫標(biāo)配無源探頭的上升時間。

　　每只探頭都使用探頭的短接地彈簧連接到相同的測試夾具上，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能。如上面的截圖所示，上升時間為 240 ps 的快速干凈的階躍信號被確立為參考基準(zhǔn)，與探頭的階躍響應(yīng)進(jìn)行對比。泰克 TPP1000 的上升時間最快 (443.6 ps)，波形幅度和形狀與參考基準(zhǔn)相同，而過沖很小。TPP1000 無源探頭捕獲擁有快速邊沿速率的信號的能力最強(qiáng)。

　　圖 2. 連接長地線的標(biāo)配無源電壓探頭的上升時間。

　　探頭尖端的低輸入電容

　　由于標(biāo)配無源探頭主要用來觀察信號，大多數(shù)用戶會把一條長探頭地線連接到接地上。通過使用長地線，可以更簡便地在電路板周圍，把探頭移動到各個測試點(diǎn)，而不必連接和重連接地。短接地彈簧提供了最佳性能，但接地可能不會一直位于彈簧的到達(dá)范圍內(nèi)。長地線長 6 英寸 ( 含 ) 以上，可以更簡便地獲得接地連接，但長地線增加了電感，降低了性能。隨著地線長度提高，測量中增加的電感也會提高。電感和電容與頻率有關(guān)，在探頭電感和電容提高時，探頭性能會下降。例如，連接 6 英寸地線的探頭實(shí)現(xiàn)的性能和精度都要高于連接 12 英寸地線的相同探頭。

　　可以采用多種方案，解決地線導(dǎo)致的性能問題，如使 用 更 短 的 地 線， 或 找 到 輸 入 電 容 較 低 的 探 頭。 TPP1000、TPP0500B 和 TPP0250 在探頭尖端提供了 <4 pF 的輸入電容，而其它標(biāo)配無源探頭產(chǎn)品提供的輸入電容≥ 9.5 pF。在這些泰克無源探頭中，用戶可以連接更長的地線，而不會因探頭輸入電容較高而導(dǎo)致信號劣化。圖 2 說明了泰克、力科和安捷倫標(biāo)配無源探頭在連接長探頭地線時的階躍響應(yīng)。

　　增加長探頭地線對性能的影響非常大。探頭的上升時間下降，輸入信號出現(xiàn)振鈴、過沖提高、幅度精度下降。 TPP1000、TPP0500B 和 TPP0250 使得用戶在觀察信號時可以方便地使用更長的探頭接地，而不會出現(xiàn)明顯損耗，如性能和精度下降。

　　圖 3. 探頭負(fù)載對標(biāo)配無源電壓探頭的影響。

　　探頭負(fù)載

　　無源探頭在探頭尖端的輸入電容和輸入電阻指標(biāo)非常重要，因?yàn)樗绊懼粶y電路。在外部設(shè)備 ( 如探頭 ) 連接到測試點(diǎn)上時，它會表現(xiàn)為信號源從電路吸收的電流上產(chǎn)生額外的負(fù)載。這種負(fù)載或吸收的信號電流會改變測試點(diǎn)后面的電路操作，改變測試點(diǎn)上看到的信號。理想的探頭應(yīng)該有無窮大的阻抗，但這是不可能的，因?yàn)樘筋^必須吸收一定少量的信號電流，以在示波器輸入上積累信號電壓。探頭將一直感應(yīng)部分信號源負(fù)載，挑戰(zhàn)在于使其保持在盡可能低的水平。

　　問題最大的負(fù)載是由探頭尖端的電容引起的。對低頻，這種電容擁有非常高的電抗，對被測電路影響很小或沒有影響。在頻率提高時，電容電抗會下降，頻率越高，電容負(fù)載越高。通過降低帶寬，提高上升時間，電容負(fù)載會影響測量系統(tǒng)的帶寬和上升時間特點(diǎn)。 TPP1000、TPP0500B 和 TPP0250 提供的輸入電容明顯要低于現(xiàn)有的高阻抗通用無源探頭。這些探頭在探頭尖端的輸入電容 <4 pF，明顯低于非泰克探頭中提供的≥ 9.5 pF 的輸入電容。圖 3 是泰克 TPP1000 與力科和安捷倫標(biāo)配無源探頭的探頭負(fù)載對比結(jié)果。

　　白色軌跡是輸入信號波形，其它軌跡顯示了在探頭連接到測試點(diǎn)上時參考波形的變化情況。要記住，這個圖中顯示的波形并不是探頭的輸出，而是顯示了探頭對測試點(diǎn)上的信號的影響。藍(lán)色軌跡顯示了 TPP1000 對源信號的負(fù)載影響最小，因?yàn)樗c參考波形接近程度最高，對上升時間影響最小。非泰克探頭新增的輸入電容對性能和精度都有影響。如上所述，電容電抗在較高頻率上下降，電容負(fù)載的影響隨著頻率提高而加大。探頭電容越高，在更高頻率上的負(fù)載越大，這也就是為什么力科和安捷倫負(fù)載信號前面有一個圓角，前沿是方波高頻成分所在的位置。在探測更快速的信號時，非泰克探頭會更明顯地使源信號失真，降低測量精度。

　　圖 4. 低頻探頭補(bǔ)償

　　圖 5. 高頻探頭補(bǔ)償。

　　縮短設(shè)置時間

　　由于探頭和示波器輸入特點(diǎn)變化，通用無源探頭要求低頻補(bǔ)償。用戶可能并不知道要求低頻補(bǔ)償，可能會忘了這一規(guī)程，或者可能會放棄低頻補(bǔ)償，以節(jié)約時間。如圖 4 所示，必須使用調(diào)節(jié)工具補(bǔ)償探頭輸出，直到響應(yīng)平坦化，如下面的“正確補(bǔ)償”實(shí)例所示。

　　除了在所有無源探頭上必需進(jìn)行低頻補(bǔ)償及進(jìn)行常見用戶調(diào)節(jié)外，一般還要求由制造商的服務(wù)部門執(zhí)行高頻補(bǔ)償。用戶一般不能接觸高頻補(bǔ)償調(diào)節(jié)點(diǎn)，可能要求用戶損壞補(bǔ)償盒外面的標(biāo)簽才能接觸到這些點(diǎn)。這種補(bǔ)償還可能要求專用設(shè)備，如校準(zhǔn)發(fā)生器和專用探頭適配器，才能進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)。高頻補(bǔ)償校正了直到前沿的畸變以及長期平坦度，如圖 5 所示。

　　圖 6. 自動低頻和高頻探頭補(bǔ)償。

　　在連接到兼容的泰克示波器時，TPP1000、TPP0500B 和 TPP0250 能夠自動進(jìn)行低頻和高頻補(bǔ)償。不管是低頻補(bǔ)償還是高頻補(bǔ)償，TPP1000、TPP0500B 和 TPP0250 所需的時間都要低于手動調(diào)節(jié)標(biāo)配無源探頭進(jìn)行低頻補(bǔ)償所需的時間。在 TPP1000、TPP0500B 和 TPP0250 中，當(dāng)探頭第一次連接到一條通道上時，通過把探頭尖端和接地保持在示波器的 PROBE COMP 引腳上，然后選擇“Compensate Probe for ”，可以簡便地補(bǔ)償探頭。圖 6 是選擇實(shí)例。這一規(guī)程所需的時間不到 5 秒，在拆下和重連探頭時，補(bǔ)償結(jié)果存儲在示波器中。示波器能夠?yàn)槊織l通道存儲多只探頭的補(bǔ)償結(jié)果。

　　伸縮引腳

　　TPP1000、TPP0500B 和 TPP0250 標(biāo)配可更換硬尖端和伸縮引腳組件。伸縮引腳尖端裝有彈簧，引腳上的壓縮程度較少，可以建立良好的電氣接觸，因此用戶不必使勁按下探頭尖端。進(jìn)行良好接觸要求的力是一個重要指標(biāo)，這基于多種原因。第一，用戶在操作示波器時不必著重讓手保持正確位置。通過安裝伸縮引腳，探頭保持恒定的壓力，為用戶提供了一定的壓力回力，以保持良好接觸，在使用探頭觀察信號時要更加舒適。此外，在接觸不好或示波器上沒有出現(xiàn)預(yù)期信號時，用戶一般會在探頭上用更大的力氣往下按，這種加大的力氣可能會導(dǎo)致探頭無意中滑離測試點(diǎn)，無意中接觸相鄰信號，可能會損壞測試設(shè)備或被測器件。

　　總結(jié)：

　　TPP1000、TPP0500B 和 TPP0250 徹底改變了無源探頭產(chǎn)品類別的性能水平，許多指標(biāo)是這類產(chǎn)品中以前沒有實(shí)現(xiàn)的，把傳統(tǒng)無源探頭的劣勢轉(zhuǎn)化成了優(yōu)勢。這些探頭彌補(bǔ)了通用無源探頭與成本較高的有源探頭之間的空白，同時實(shí)現(xiàn)了無源探頭和有源探頭的最大優(yōu)勢：高性能，低成本，能夠測量數(shù)百伏的動態(tài)范圍，低輸入電容，堅固耐用，適合日常使用。

　　由于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的無源探頭指標(biāo)和自動補(bǔ)償功能， TPP1000、TPP0500B 和 TPP0250 降低了用戶的擁有總成本，為示波器投資增加了巨大的價值。

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