不同电压探头类型及其优势

无源电压探头

无源探头由导线和连接器制成，在需要补偿或衰减时，还包括电阻器和电容器。探头中没有有源器件 (晶体管或放大器)，因此不需为探头供电。

由于相对简单，无源探头一般是最坚固、最经济的探头。它们使用简便，也是使用最广泛的探头。但是，不要被使用简单或结构简单所愚弄，优质无源探头很少有设计简单的！

无源电压探头为不同电压范围提供了各种衰减系数 - 1X, 10X 和 100X。在这些无源探头中，10X 无源电压探头是最常用的探头，也是通常作为示波器标准附件提供的探头类型。

对信号幅度是 1V 峰峰值或更低的应用，1X 探头可能要比较合适，甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信号混合 ( 几十毫伏到几十伏 ) 的应用中，可切换 1X/10X 探头要方便得多。但要记住，可切换1X/10X 探头在本质上是一个产品中的两个不同探头，不仅其衰减系数不同，而且其带宽、上升时间和阻抗 (R 和 C) 特点也不同。结果，这些探头不能与示波器的输入完全匹配，不能提供标准 10X 探头实现的最优性能。

大多数无源探头是为用于通用示波器而设计的，因此其带宽范围一般在小于 100 MHz 到 500MHz或更高的带宽之间。

但是，有一种特定类型的无源探头提供了高得多的带宽，其称为 50 欧姆探头、Zo 探头和分压器探头。这些探头是为用于 50 欧姆环境中而设计的，这些环境一般是高速设备检定、微波通信和时域反射计(TDR)。这些应用使用的典型 50 欧姆探头拥有几千赫兹的带宽和 100 皮秒或更快的上升时间。

有源电压探头

有源探头包含或依赖有源器件操作，如晶体管。最常见的情况下，有源器件是场效应晶体管 (FET)。

FET 输入的优势是，它提供了非常低的输入电容，一般为几皮法拉，最低不到 1 皮法拉。这种超低电容可以实现用户希望的多种效应。

首先，低电容值 C 相当于高电容电抗值 Xc。可以从下面的 Xc 公式中看出这一点：

由于电容电抗是探头的主要输入阻抗要素，因此低电容会在更宽的频段上导致高输入阻抗。结果，有源 FET 探头的规定带宽一般在 500 MHz - 几 GHz 之间。

除带宽更高外，有源 FET 探头的高输入阻抗允许在阻抗未知的测试点上进行测量，而负荷效应的风险要低得多。另外，由于低电容降低了地线影响，可以使用更长的地线。但最重要的是，FET 探头提供的负荷非常低，因此它们可以用于给无源探头带来严重负荷的高阻抗电路上。

由于这些积极优势，包括 DC- 几 GHz 的带宽，您可能要问：为什么还要使用无源探头呢？

答案是有源 FET 探头没有无源探头的电压范围。有源探头的线性动态范围一般在 ±0.6 V 到 ±10 V 之间。另外它们可以耐受的最大电压最低可以在 ±40 V (DC + 峰值 AC)。换句话说，其不能象无源探头一样测量从几毫伏到几十伏的电源，在因疏忽而探测较高的电压时，可能会损坏有源探头。静电放电甚至也会损坏有源探头。

但是，FET 探头的高带宽是一个重大优势，其线性电压范围涵盖了许多典型的半导体电压。因此，有源 FET 探头通常用于低电平应用，包括快速逻辑系列，如 ECL、GaAs 等等。

差分探头

差分信号是互相参考、而不是参考接地的信号。图 2说明了这些信号的多个实例，包括集电极负荷电阻器中形成的信号、磁盘驱动器读通道信号、多相电源系统和信号在本质上“漂浮”在接地之上的各种其它情况。

可以以两种基本方式探测和测量差分信号。图 3说明了这两种方法。

如图 3所示，使用两只探头进行两项单端测量是一种常用方法。通常情况下，它也是进行差分测量时最不希望使用的方法。但是，之所以这一方法十分常用，是因为双通道示波器带有两只探头。测量到地的信号 ( 单端 ) 及使用示波器的数学运算函数从其它通道中减去一条通道 (通道A信号减通道B)， 这似乎是获得差分信号的优秀解决方案。在信号是低频信号、拥有足够幅度、能够超过任何担心的噪声的情况下，都可以采用这种解决方案。

把两个单端测量组合在一起有多个潜在问题。其中一个问题是沿着每只探头直到每条示波器通道有两条单独的长信号通路。这两条通路之间的任何延迟差都会导致两个信号发生时间偏移。在高速信号上，这个偏移会导致计算的差分信号中发生明显幅度和定时误差。为使这种误差达到最小，应使用匹配的探头。

单端测量的另一个问题是它们不能提供足够的共模噪声抑制。许多低电平信号如磁盘读通道信号以差分方式传输和处理，以利用共模噪声抑制功能。共模噪声是附近时钟线在两条信号线上导致的噪声，或荧光等外部来源发出的噪声。在差分系统中，一般从差分信号中去掉这种共模噪声。成功实现这种功能称为共模抑制比 (CMRR)。

由于通道差异，随着频率提高，单端测量的 CMRR 性能会迅速下降到令人失望的水平。如果信号源保持共模抑制比，这会导致信号表现的噪声超过实际水平。

另一方面，差分探头使用差分放大器减去两个信号，从而可以使用一条示波器通道测量一个差分信号(图 3b)。这可以在更宽的频率范围内提供明显高得多的 CMRR 性能。此外，电路缩微技术的发展允许差分放大器移动到实际探头头部。在最新的差分探头中，如泰克 P6247 中，这可以实现 1 MHz 时60 dB (1000:1) 到1 GHz时30 dB (32:1)的 CMRR 性能。随着磁盘驱动器读 / 写速率达到和超过100 MHz大关，这类带宽/CMRR 性能正变得日益必不可少。

高压探头

“高压”是相对概念。在半导体行业中视为高压，在电源行业中实际上没有任何意义。但从探头角度看，我们可以把高压定义为超过典型的通用 10X 无源探头可以安全处理的电压的任何电压。

一般来说，通用无源探头的最大电压在 400 - 500 V 左右 (DC + 峰值 AC)。另一方面，高压探头的最大额定电压可以高达 20,000 V。这一探头的实例如图 4所示。

安全对高压探头和测量尤其重要。为适应这一点，许多高压探头的电缆要比普通电缆长。典型电缆长度是 10 英尺。把示波器放在安全保护箱外部或安全保护罩后面通常就已经足够了。另外，在需要从高压电源中进一步去掉示波器操作的情况下，还可以选择 25 英尺电缆。

转载于泰克科技