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。
示波器的输入电容可能在15~25pF之间。同轴电缆每英尺的电容约在10pF~30pF。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200Ω,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35Ω,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50Ω,则电缆探头端的阻抗将总是50Ω,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450Ω串联电阻将把被测电压幅值缩小10倍,并得到500Ω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。