編者按：這篇有關(guān)有源探頭的文章是關(guān)于探頭及其正確使用方法的三部曲系列文章的第二篇。第 1 部分介紹了高阻抗無源探頭。本文將討論單端、差分、高壓差分有源探頭。第 3 部分將介紹電流探頭。
與無源探頭相比，有源探頭可提供更大的帶寬和更低的輸入電容。在本文中，我們將對(duì)照無源探頭來介紹有源探頭的特征。我們將同時(shí)對(duì)單端和差分探頭進(jìn)行研究，另外還將介紹探頭配件的正確使用方法。
為什么使用有源探頭？
無源探頭非常適合帶寬在 50 MHz 以下的測(cè)量應(yīng)用。這是因?yàn)闊o源探頭的輸入電容在 9 或 10 皮法 (pF) 范圍內(nèi)。這樣可以加載受測(cè)試器件。這些負(fù)載效應(yīng)隨著頻率提高而增加。為了避免這種負(fù)載效應(yīng)，有源探頭在無源探頭的補(bǔ)償衰減器和示波器輸入之間插入了一個(gè)放大器（圖 1）。
該放大器對(duì)連接電纜進(jìn)行緩沖，讓電纜能夠端接到標(biāo)稱值為 50 Ω 的特征阻抗。這樣可將探頭與電纜的容性負(fù)載和示波器的輸入電路隔離開。該放大器旨在最大程度減小輸入電容，標(biāo)稱值為 4 pF。而補(bǔ)償衰減器進(jìn)一步減小了此電容。為實(shí)現(xiàn) 10:1 衰減，預(yù)期的輸入電容約為 0.4 pF。但是，輸入保護(hù)電路和探頭尖端五金額外增加了電容。
Teledyne LeCroy ZS1000 1 GHz 單端有源探頭是典型的有源探頭，具有 0.9 pF 的輸入電容和 1 MΩ 的輸入電阻。
圖 1：高阻抗無源探頭和單端有源探頭的簡(jiǎn)化原理圖，放大器對(duì)連接電纜和示波器輸入進(jìn)行緩沖，同時(shí)提供低輸入電容。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
低輸入電容擴(kuò)大了有源探頭的有用頻率范圍。在圖 2 中可以看到這一點(diǎn)，該圖將 10:1 高阻抗無源探頭的輸入阻抗與 ZS1000 的輸入阻抗進(jìn)行了比較。
圖 2：高阻抗無源探頭和 ZS1000 單端有源探頭的頻率輸入阻抗函數(shù)曲線。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
相比無源探頭的 10 MΩ 輸入阻抗和 9.·5 pF 輸入電容，ZS1000 的輸入阻抗為 1 MΩ，輸入電容為 0.9 pF。在高于 20 kHz 的頻率下，ZS1000 的輸入阻抗高得多，因而信號(hào)負(fù)載較小。在 500 MHz 的頻率下，ZS1000 的輸入阻抗為 354 Ω，而無源探頭的輸入阻抗則為 34 Ω。
也許最好的比較方式是查看不同探頭對(duì)快速邊沿的響應(yīng)差異（圖 3）。
圖 3：使用 50 Ω 直接連接、無源探頭、ZS 系列有源探頭時(shí)，示波器對(duì)快速邊沿的響應(yīng)。（圖片來源：Teledyne LeCroy）
50 Ω 直接連接的響應(yīng)被用作參考波形。有源探頭響應(yīng)與參考波形幾乎無法區(qū)分。由于輸入電容較高，無源探頭響應(yīng)有圓角。注意測(cè)量的上升時(shí)間。參考波形的上升時(shí)間（參數(shù)讀數(shù) P1）為 456 皮秒 (ps)，有源探頭 (P2) 的上升時(shí)間則為 492 皮秒。無源探頭的上升時(shí)間 (P3) 為 1.8 納秒 (ns)。
在帶寬相同的情況下，有源探頭的性能通常優(yōu)于無源探頭。但還必須記住，有源探頭需要電源。由于這個(gè)原因，有源探頭幾乎針對(duì)不同制造商的示波器均提供了專用連接器。對(duì)于 ZS1000 有源探頭，它配備了 Teledyne LeCroy ProBus 接口，用于從示波器為探頭供電。該接口讓探頭與示波器連為一體，因而示波器的前面板可以感應(yīng)和完全控制探頭。
與無源探頭相比，有源探頭的輸入電壓范圍也比較小。對(duì)這一點(diǎn)需要特別注意，以防止損壞探頭。ZS1000 探頭的輸入電壓范圍為 ±8 伏特，最大無損電壓為 20 伏特。此電壓范圍大于當(dāng)前使用的任何邏輯電平的電壓需求，因而這些探頭非常適用于高速邏輯測(cè)量。
探頭配件
ZS1000 探頭附帶了多種配件（圖 4）。請(qǐng)注意，大多數(shù)探頭尖端和接地引線非常小。物理尺寸較小意味著電容和電感較低，這意味著受測(cè)試電路的負(fù)載較小。較長(zhǎng)的接地引線和微型夾適用于低頻應(yīng)用，它們?cè)黾拥碾娍共⒉粫?huì)影響測(cè)量。
圖 4：ZS1000 1 GHz 有源探頭附帶了大量配件，包括適用于低頻信號(hào)的長(zhǎng)接地引線，還有各種尖端，它們讓用戶能夠更容易對(duì)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行操作。（圖片來源：Teledyne LeCroy）
標(biāo)準(zhǔn)探頭尖端是針對(duì)常規(guī)探測(cè)而設(shè)計(jì)的。彈針式尖端和接地引線提供了垂直順性，確保了有效接觸，而不產(chǎn)生不適當(dāng)?shù)臋C(jī)械壓力。除了在最尖端處之處，IC 尖端是絕緣的，旨在防止相鄰的 IC 引腳意外短路。彎曲尖端非常適合在相鄰元器件下方進(jìn)行探測(cè)，適用于探頭必須與板保持平行的應(yīng)用。方針適配器傳送信號(hào)和接地引線，采用標(biāo)準(zhǔn)的 2.54 mm 引腳間距。
接地引線包括窄型和寬型接地片。接地片具有低電感接地連接的優(yōu)點(diǎn)。它們通常與銅墊配合使用。銅墊背側(cè)具有粘性，粘貼到 IC 上。然后，它可以直接焊接到 IC 接地引線，提供接地電感很低的連接。偏移接地的目的是連接到探頭接地插座并環(huán)繞探頭。這使探頭尖端和接地都能保持小間距，同時(shí)讓接地引線非常短。
差分探頭
差分探頭可測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸入端之間的電壓差。單端探頭可測(cè)量單個(gè)點(diǎn)和地面之間的電壓，而差分探頭無需接地即可測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸入端之間的電壓。當(dāng)需要在不以地面為基準(zhǔn)的開關(guān)模式電源中的線路端電路上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，這是非常有用的。
由于差分探頭測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸入端之間的差值，因此兩個(gè)輸入端共同的信號(hào)，稱為共模信號(hào)，將被抵消或幅度顯著減小。這意味著兩個(gè)輸入端共同的偏置電平、噪聲、串?dāng)_可能被抵消，至少幅度會(huì)顯著減小。
下面顯示了差分探頭的概念框圖（圖 5）。圖中包括一個(gè)受測(cè)試器件，模型為差分源，具有共模元件。
圖 5：差分探頭與受測(cè)器件概念圖，其中受測(cè)器件模型化為具有共模元件的差分源。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
差分探頭的核心元件是差分放大器。差分放大器輸出是 + 和 – 輸入端之差。在差分放大器前面，電路看起來像是兩個(gè)單端有源探頭。如圖所示，差分探頭輸入端連接到通用差分源，包括兩個(gè)差分元件 Vp 和 Vn，還有一個(gè)共模源 Vcom。
理想的差分探頭的工作方式如下：上方 (+) 探頭輸入端的電壓為 Vp + Vcom。下方 (-) 探頭輸入端的電壓為 – Vn + Vcom。將這些輸入施加到差分放大器上，會(huì)產(chǎn)生 Vp+Vn 的輸出，假定單位增益。共模信號(hào)現(xiàn)已消除。
共模信號(hào)在差分探頭中衰減的程度取決于共模抑制比 (CMRR)。CMRR 是差分探頭的差分增益與共模增益的功率比，以分貝 (dB) 表示。CMRR 通常取決于頻率，隨著頻率提高而降低，且通常指定為多個(gè)頻率。
Teledyne LeCroy ZD1000 探頭就是一例 1 GHz 帶寬差分探頭，差分輸入范圍為 ±8 伏特，在 60 Hz 頻率下 CMRR 為 60 dB（圖 6）。該探頭旨在用于 Teledyne LeCroy 示波器。其差分輸入電阻為 120 kΩ，差分輸入電容小于 1 pF。
圖 6：使用小型 IC 適配器的 ZD1000 差分探頭。這些探頭尖端一側(cè)有絕緣，以防止與相鄰 IC 引腳短路。它們還具有低電感電阻補(bǔ)償，以減少電感峰值。（圖片來源：Teledyne LeCroy）
ZD1000 還包括多個(gè)探頭尖端適配器，以滿足很多探測(cè)應(yīng)用的需求。要記住，差分探頭的探測(cè)配置應(yīng)該是對(duì)稱的，兩個(gè)輸入端都使用相同的適配器，以達(dá)到盡可能最好的 CMRR。
高電壓差分探頭
差分探頭的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是輸入不以地面為基準(zhǔn)，具有衰減共模信號(hào)的能力。在測(cè)試開關(guān)模式電源器件時(shí)，這些特性也可能是非常有用的，在這種情況下，線路側(cè)不以地面為基準(zhǔn)。高壓差分探頭，例如 Teledyne LeCroy HVD3106，適用于此類應(yīng)用（圖 7）。
圖 7：Teledyne LeCroy HVD3106 探頭和相關(guān)配件的設(shè)計(jì)目的是按照 IEC/EN 61010-31:2015 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全的高壓探測(cè)。（圖片來源：Teledyne LeCroy）
該探頭的最大差分電壓為 1500 伏特。實(shí)現(xiàn)如此寬的電壓范圍的方法是在差分放大器前面使用 500:1 衰減。在 60 Hz 的頻率下，探頭的 CMRR 為 85 dB。此外，探頭及其配件的物理配置的目的是小心探測(cè)高電壓，安全等級(jí)符合 IEC/EN 61010-31:2015 標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)論
有源探頭具有增加帶寬和降低探頭負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)。差分探頭的價(jià)值在于增加地面隔離能力，減少共模信號(hào)。而專有接口可將這些探頭完全集成到示波器用戶接口中，使得安裝和操作更加簡(jiǎn)單。
