差分探頭測(cè)量中線路寄生電感引發(fā)的寄生振蕩問(wèn)題解析與應(yīng)對(duì)?

在電子測(cè)量領(lǐng)域，差分探頭憑借其出色的共模抑制比，能夠有效抑制共模噪聲，精準(zhǔn)捕捉差分信號(hào)，廣泛應(yīng)用于電源模塊、高速電路、工業(yè)控制等場(chǎng)景的信號(hào)測(cè)量。然而，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量線路寄生電感往往會(huì)成為 “隱形干擾源”，引發(fā)寄生振蕩，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失真，甚至影響整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，給工程師的信號(hào)分析與故障排查帶來(lái)極大困擾。

一、測(cè)量線路寄生電感的來(lái)源與特性

寄生電感并非人為設(shè)計(jì)的元件，而是由測(cè)量線路的物理結(jié)構(gòu)自然形成的電感量，其產(chǎn)生與線路的材質(zhì)、長(zhǎng)度、布線方式及周圍環(huán)境密切相關(guān)。在差分探頭測(cè)量場(chǎng)景中，寄生電感主要來(lái)源于三個(gè)面：一是探頭連接線纜，無(wú)論是同軸電纜還是雙絞線，只要存在電流通路，就會(huì)因?qū)Ь€的趨膚效應(yīng)和磁場(chǎng)耦合形成寄生電感，且線纜長(zhǎng)度越長(zhǎng)、直徑越細(xì)，寄生電感值通常越大；二是探頭與被測(cè)器件（DUT）之間的連接端子，如測(cè)試夾、針座等，這些連接部位的金屬觸點(diǎn)和導(dǎo)線彎曲部分會(huì)額外增加寄生電感；三是被測(cè)電路本身的布線，若 DUT 的信號(hào)引腳與接地引腳之間的布線不合理，形成較長(zhǎng)的電流回路，也會(huì)與測(cè)量線路的寄生電感相互疊加，加劇干擾。

從特性來(lái)看，寄生電感具有 “隱性” 和 “頻率依賴性” 的特點(diǎn)。在低頻信號(hào)測(cè)量中，寄生電感的感抗（XL = 2πfL)較小，對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響幾乎可以忽略；但隨著測(cè)量信號(hào)頻率的升高，感抗會(huì)呈線性增大，當(dāng)信號(hào)頻率達(dá)到 MHz 甚至 GHz 級(jí)別時(shí)，寄生電感的影響會(huì)急劇凸顯，成為制約測(cè)量精度的關(guān)鍵因素。此外，差分探頭的測(cè)量線路由正、負(fù)兩條信號(hào)通路組成，兩條通路中的寄生電感若存在不平衡，會(huì)進(jìn)一步破壞差分信號(hào)的對(duì)稱性，為寄生振蕩的產(chǎn)生埋下隱患。

二、寄生電感引發(fā)寄生振蕩的原理

差分探頭的測(cè)量系統(tǒng)可視為一個(gè)由信號(hào)源、寄生電感（Lp）、探頭輸入電容（Cin）及線纜分布電容（Cp）組成的 RLC 電路。在理想狀態(tài)下，測(cè)量線路無(wú)寄生電感，信號(hào)能夠沿通路穩(wěn)定傳輸，探頭輸出與輸入信號(hào)保持一致；但當(dāng)存在寄生電感時(shí)，電路的固有頻率會(huì)發(fā)生改變，若滿足振蕩條件，便會(huì)產(chǎn)生寄生振蕩。

具體而言，寄生電感與電容（包括探頭輸入電容和線纜分布電容）會(huì)構(gòu)成一個(gè) LC 諧振回路，其固有諧振頻率。當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率接近或等于該固有諧振頻率時(shí)，回路會(huì)發(fā)生諧振，此時(shí)電路的阻抗急劇增大，信號(hào)在回路中不斷反射、疊加，能量無(wú)法有效耗散，進(jìn)而引發(fā)寄生振蕩。此外，差分探頭的輸入阻抗并非無(wú)窮大，實(shí)際測(cè)量中會(huì)存在一定的輸入電阻（Rin），若輸入電阻較小，無(wú)法有效抑制回路中的能量積累，會(huì)進(jìn)一步加劇振蕩的幅度和持續(xù)時(shí)間。

從信號(hào)傳輸?shù)慕嵌葋?lái)看，寄生電感會(huì)導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生延遲和過(guò)沖。當(dāng)高速信號(hào)通過(guò)含有寄生電感的線路時(shí)，電感會(huì)阻礙電流的突變，使信號(hào)上升沿和下降沿變得平緩，同時(shí)在信號(hào)跳變瞬間產(chǎn)生過(guò)沖電壓。若過(guò)沖電壓超過(guò)電路的閾值，會(huì)觸發(fā)誤觸發(fā)，而持續(xù)的過(guò)沖與反射則會(huì)形成周期性的振蕩信號(hào)，疊加在被測(cè)信號(hào)上，導(dǎo)致測(cè)量波形出現(xiàn) “毛刺”“振鈴” 等失真現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)谏w真實(shí)的信號(hào)特征，導(dǎo)致工程師對(duì)電路性能的誤判。

三、抑制寄生振蕩的關(guān)鍵策略與實(shí)踐建議

針對(duì)測(cè)量線路寄生電感引發(fā)的寄生振蕩問(wèn)題，需從 “減少寄生電感”“優(yōu)化電路參數(shù)”“改善測(cè)量環(huán)境” 三個(gè)維度入手，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景制定針對(duì)性解決方案。

（一）優(yōu)化測(cè)量線路設(shè)計(jì)，減少寄生電感

減少寄生電感是抑制振蕩的根本措施。在布線方面，應(yīng)盡量縮短探頭連接線纜的長(zhǎng)度，優(yōu)先選擇低電感的雙絞線或同軸電纜，避免線纜彎曲、纏繞，減少電流回路的面積 —— 因?yàn)榧纳姼信c回路面積成正比，回路面積越小，電感值越低。對(duì)于探頭與 DUT 的連接，建議使用短引腳的測(cè)試夾或針座，避免使用過(guò)長(zhǎng)的轉(zhuǎn)接導(dǎo)線；若需轉(zhuǎn)接，可采用 “星型接地” 方式，將所有接地端集中連接到同一接地點(diǎn)，減少接地回路的寄生電感。此外，在差分信號(hào)的正、負(fù)通路布線中，需保證兩條通路的長(zhǎng)度、走向一致，實(shí)現(xiàn)寄生電感的平衡，避免因阻抗不平衡導(dǎo)致的信號(hào)不對(duì)稱振蕩。

（二）匹配電路參數(shù)，破壞振蕩條件

通過(guò)調(diào)整電路參數(shù)，改變 LC 回路的固有諧振頻率，使其遠(yuǎn)離被測(cè)信號(hào)頻率，可有效破壞振蕩條件。一方面，可選用高輸入電容的差分探頭，或在探頭輸入端并聯(lián)適量的補(bǔ)償電容（需注意避免電容過(guò)大導(dǎo)致信號(hào)衰減），通過(guò)增大總電容值降低固有諧振頻率，使其低于被測(cè)信號(hào)的最低頻率，避免諧振發(fā)生；另一方面，可在測(cè)量線路中串聯(lián)適量的阻尼電阻（Rd），阻尼電阻的阻值需根據(jù)回路參數(shù)計(jì)算（通常取），以實(shí)現(xiàn)臨界阻尼，消耗回路中的多余能量，抑制信號(hào)的反射和疊加，消除振鈴和過(guò)沖。

（三）改善測(cè)量環(huán)境，降低外部干擾

外部電磁干擾會(huì)疊加在測(cè)量線路中，加劇寄生振蕩的影響，因此需改善測(cè)量環(huán)境的電磁兼容性。首先，測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)遠(yuǎn)離大功率設(shè)備、高頻振蕩器等強(qiáng)干擾源，避免電磁場(chǎng)耦合到測(cè)量線路中；其次，可對(duì)探頭線纜進(jìn)行屏蔽處理，使用帶屏蔽層的電纜，并將屏蔽層單端接地（避免形成接地環(huán)路），減少外部噪聲的侵入；此外，在測(cè)量前需對(duì)探頭進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)探頭自帶的校準(zhǔn)工具調(diào)整輸入阻抗和增益，確保探頭與被測(cè)電路的阻抗匹配，減少信號(hào)反射。

（四）選擇專用測(cè)量工具，提升系統(tǒng)抗干擾能力

在高頻、高速信號(hào)測(cè)量場(chǎng)景中，普通差分探頭可能難以滿足需求，此時(shí)需選用專為高頻應(yīng)用設(shè)計(jì)的低電感差分探頭。這類探頭通常采用一體化的探頭結(jié)構(gòu)，內(nèi)置低電感的輸入電路和阻尼網(wǎng)絡(luò)，能夠有效抑制寄生電感的影響；部分高端探頭還具備自動(dòng)補(bǔ)償功能，可根據(jù)測(cè)量線路的參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整電路特性，動(dòng)態(tài)抑制振蕩。此外，搭配高帶寬、高采樣率的示波器，能夠更清晰地捕捉振蕩信號(hào)的細(xì)節(jié)，為后續(xù)的干擾分析和抑制提供數(shù)據(jù)支持。

四、總結(jié)與展望

測(cè)量線路寄生電感引發(fā)的寄生振蕩是差分探頭測(cè)量中常見(jiàn)的干擾問(wèn)題，其本質(zhì)是 RLC 電路的諧振效應(yīng)與信號(hào)傳輸過(guò)程中能量積累的結(jié)果。通過(guò)優(yōu)化線路設(shè)計(jì)減少寄生電感、匹配電路參數(shù)破壞振蕩條件、改善環(huán)境降低外部干擾，以及選用專用測(cè)量工具，能夠有效抑制振蕩，提升測(cè)量精度。

隨著電子電路向高頻化、高速化、小型化發(fā)展，測(cè)量線路的寄生參數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響將更加顯著，未來(lái)需進(jìn)一步研發(fā)低電感、高穩(wěn)定性的測(cè)量組件，如新型低電感電纜、集成化探頭模塊等；同時(shí)，結(jié)合數(shù)字化技術(shù)，開(kāi)發(fā)基于 AI 的干擾識(shí)別與自適應(yīng)補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)寄生振蕩的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)抑制，為高精度電子測(cè)量提供更可靠的技術(shù)支撐。

以上內(nèi)容由普科科技/PRBTEK整理分享， 西安普科電子科技有限公司致力于示波器測(cè)試附件配件研發(fā)、生產(chǎn)、銷售，涵蓋產(chǎn)品包含電流探頭、差分探頭、高壓探頭、無(wú)源探頭、羅氏線圈、電流互感器、射頻測(cè)試線纜及測(cè)試附件線等。旨在為用戶提供高品質(zhì)的探頭附件，打造探頭附件國(guó)產(chǎn)化知名品牌。更多信息，歡迎登陸官方網(wǎng)站進(jìn)行咨詢：http://www.jmcsled.cn/