PRBTEK分享正確使用10x無源探頭的方法

前言

10x無源探頭是我們最常使用的探頭，幾乎每個(gè)示波器都標(biāo)配這種探頭，但是即使這樣，我們對(duì)它的認(rèn)識(shí)上還是存在很多誤區(qū)，并且錯(cuò)誤的使用，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的不準(zhǔn)確，本文將介紹如何避免常見錯(cuò)誤，并最大程度地利用好無源探頭。

10x無源探頭的最佳用法

使用10x無源探頭時(shí)，有五個(gè)重要的最佳測(cè)量準(zhǔn)則要遵守，以獲得10x探頭的最佳性能并避免常見的錯(cuò)誤：1. 使用示波器前面板上的校準(zhǔn)參考信號(hào)來補(bǔ)償探頭。2. 始終嘗試使用可最大程度地減小環(huán)路電感的前端，較小的彈簧接地線或使用同軸連接DUT，將減少振鈴失真，并將探測(cè)帶寬擴(kuò)展到最高頻率。3. 始終嘗試使用同軸與DUT連接，以減少從本地環(huán)境拾取射頻干擾(RF)4. 探測(cè)低阻抗源時(shí)，考慮增加一個(gè)200Ω的串聯(lián)電阻，以消除來自前端回路電感和10x探頭輸入電容的振鈴。5. 切記10x探頭的輸入阻抗為9.5pF電容;不是10MΩ。

調(diào)整探頭補(bǔ)償

使用10x探頭時(shí)，第一步也是最重要的一步是調(diào)整其補(bǔ)償，即使對(duì)于20 MHz帶寬或上升時(shí)間長達(dá)50 ns的信號(hào)，補(bǔ)償對(duì)于使探頭的信號(hào)失真最小化也很重要。要檢查探頭補(bǔ)償，將探頭連接到示波器前面板上的Cal參考信號(hào)，圖1顯示了HDO4096示波器前面板的連接圖。

圖1 顯示的是Cal參考端子的特寫

在Cal端子處是一個(gè)1Vpk-pk，1kHz方波，其固有上升時(shí)間約為3 ns，源阻抗為800歐姆，高阻抗是一項(xiàng)安全特征，可防止探頭的接地夾意外連接至Cal信號(hào)輸出引腳，在這種情況下，電流被限制在1 mA左右，不會(huì)對(duì)探頭、示波器或操作人員造成危險(xiǎn)。

圖2 用電纜插頭端的螺釘對(duì)10倍無源探頭進(jìn)行補(bǔ)償

每個(gè)示波器都可以將此上升時(shí)間短的1 kHz信號(hào)作為參考信號(hào)來調(diào)整10x探頭的補(bǔ)償，示波器探頭補(bǔ)償可以通過探頭末端的小定位螺釘進(jìn)行調(diào)節(jié)。正確調(diào)整補(bǔ)償后，測(cè)得的方波將看起來像平坦的方波，但是，當(dāng)探頭補(bǔ)償不足或補(bǔ)償過度時(shí)，平坦邊緣會(huì)變形(圖3)。

圖3. 從上到下顯示的是相同的10x探頭在不同的補(bǔ)償設(shè)置下測(cè)得的Cal信號(hào)：過補(bǔ)償，正確補(bǔ)償，欠補(bǔ)償

考慮到可以在此1kHz方波中看到補(bǔ)償?shù)挠绊?，可以證明，即使對(duì)于低速信號(hào)，補(bǔ)償也很重要，在使用任何10x無源探頭之前，請(qǐng)務(wù)必使用方波Cal信號(hào)檢查其補(bǔ)償，如果方波不是如圖2中所示那樣平坦，則調(diào)整補(bǔ)償螺絲直到其變平。

探頭前端環(huán)路電感的重要性

10x無源探頭性能的主要障礙是前端電感，僅當(dāng)在探頭前端使用同軸連接時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)最高帶寬測(cè)量，每當(dāng)信號(hào)和返回路徑分開以與DUT接觸時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問題：

1. 它會(huì)在探頭前端引入電感不連續(xù)，這會(huì)引起振鈴，并且，

2. 探頭前端的作用就像天線，會(huì)吸收周圍的射頻噪聲。

直徑為1英寸圓環(huán)的電感約為85 nH，根據(jù)前端和其接地回路帶所形成的環(huán)路的大小，前端的環(huán)路電感可能高達(dá)200 nH，較高的前端環(huán)路電感的結(jié)果是減小了10x探頭的帶寬，并在傳遞函數(shù)中引入了LC諧振峰。諧振峰的高度將取決于DUT的源阻抗，源阻抗越低，Q越高，傳遞函數(shù)中的峰值越高。圖4顯示了前端具有200nH環(huán)路電感和源阻抗為50Ω的傳遞函數(shù)，其中還包括具有較大的前端環(huán)路電感時(shí)50Ω信號(hào)源快速邊沿的測(cè)量響應(yīng)。

圖4：探頭尖端的環(huán)路電感為200nH，源電阻為50Ω的探頭顯示出失真的傳遞函數(shù)

但是，當(dāng)減小DUT的源阻抗時(shí)，由前端電感和10x探頭的9.5 pF輸入電容組成的LC電路的Q會(huì)增加，這會(huì)增加傳遞函數(shù)的峰值，并導(dǎo)致較高的振鈴(圖5)。在此示例中，具有非常低的輸出阻抗的5V電源軌被關(guān)閉和打開，瞬態(tài)響應(yīng)顯示在大約80MHz處有很多振鈴，這非常接近于根據(jù)200-nH的前端環(huán)路電感和9.5pF的探頭輸入電容計(jì)算出的傳遞函數(shù)峰值：約100 MHz。

圖5：測(cè)試低源阻抗的DUT時(shí)，前端回路電感和10x探頭的輸入電容的Q會(huì)導(dǎo)致傳遞函數(shù)出現(xiàn)一個(gè)大的峰值，這在時(shí)域表現(xiàn)為在峰值頻率處出現(xiàn)振鈴

最小化前端回路電感始終很重要，但是，如果引線分散開以接觸DUT焊盤，則總會(huì)有一些前端環(huán)路電感，當(dāng)源阻抗低時(shí)，Q可能會(huì)很高，可能會(huì)產(chǎn)生人為的振鈴。解決此問題的另一種方法是在探頭前端增加一個(gè)串聯(lián)阻尼電阻。

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審核編輯：湯梓紅