探頭進階之——探頭技術(shù)探討

頻率達數(shù)千兆赫茲的信號能被高保真地捕獲檢測嗎？

假如你要測試的是數(shù)千兆赫的信號，那么選擇合適的測試探頭并確保你的印制電路板適合這些探頭可能就像選擇合適的示波器一樣重要。實際上，你對探頭的選擇也許決定了你對示波器的選擇。
　　假如你的信號甚至在到達你新的 6 GHz 帶寬實時采樣數(shù)字示波器的輸入放大器之前就已失真得無法識別，則你所在公司的管理部門就會斷言：在示波器花大約 6 萬美元去買一臺示波器來做測試實在是一個餿主意。在你推薦購買這樣一臺示波器之前，你本應(yīng)該解決有關(guān)如何將信號輸入到示波器的一些棘手問題。如果你未做這樣的基礎(chǔ)工作，那么過去與你共事的人很可能會記住你就是那個出餿主意的人。簡而言之，要成功地捕獲到頻率高至 5 GHz 和超過5GHz的信號要比探測頻率較低的信號棘手得多。
　　對信號探測的疏忽可能會使你必須重新進行高速印制電路板的版圖設(shè)計。元件不斷小型化，引線間距日益縮小，低壓差分技術(shù)愈來愈多地用來實現(xiàn)更高速率的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸，這一切都要求你從電路板設(shè)計開始，就要把信號探測牢記心上。如果你不這樣做，就可能要付出代價，喪失你的項目甚至?xí)G掉你的工作。
　　幸運的是，示波器制造商已敏銳地意識到了信號探測的重要性和越來越大的難度。他們設(shè)計和生產(chǎn)的新型探頭的應(yīng)用目標就是減輕那些必須查看數(shù)千兆赫信號的電路板設(shè)計師的負擔，不過負擔的減輕會伴隨著高昂的成本：即帶寬為5GHz或6GHz的差分有源探頭，一套四件的價格通常要達到不帶探頭的整個 6 GHz 帶寬示波器的將近一半。而如果你增加高端示波器常用的大量選件中的任何一件，并且訂購的是附帶有四個寬帶差分探頭的高端示波器，則你的采購費用總額可能要超過 10 萬美元。

　　差分的差別
　　探測寬帶差分信號實際上必須使用有源差分探頭（參考文獻 1）。在較低頻率下，使用單端探頭來獲取一對對通道上兩個信號之差證明是可行的，但在較高頻率下，這種方法則幾乎注定要失敗。除非你把單端探頭的地線長度限制在幾毫米之內(nèi)，否則，流過地線電感的相當大的高頻電流就會導(dǎo)致相當大的交流壓降，從而使信號失真到不能使用的毫無意義的程度。獲取一對單端探頭的輸出之差幾乎無望挽救這種局面。地線連線的交流壓降和示波器通道的高頻特性都不可能適當?shù)丶右云ヅ?。另外，這種方法要用2個示波器通道才能獲得一路差分信號，從而就把你的四通道示波器實際上降為雙通道示波器了。
　　寬帶差分探頭可排除或大大減輕這些問題。考慮到相關(guān)的頻率，這種探頭的 CMRR （共模抑制比）好得驚人，在數(shù)千兆赫的信號下通常超過 26 dB (CMRR為20:1)。再則，這種探頭的兩條信號連線通常已夠用，因此，你無需再用另一根連線將探頭接地連接到你的電路接地上。當你確實需要這樣一根連線時，它傳送的電流通常足夠小，使該連線長度通常可放寬到超過一英寸長，而且不需要不方便的幾何形狀，換句話說，這根連線不必是一塊又寬又平的金屬片連線。
　　差分探頭的主要缺點在于它們的尺寸和成本都比單端探頭稍大一些。有幾種寬帶差分探頭有一個可能出人意料的優(yōu)點，就是當你把它們用于單端探測時，你可以不必連接其中的一個輸入，不需要把它接地或以其它方式端接之。

　　電阻值是奧妙所在
　　使用帶寬超過約 3 GHz 的示波器帶來的問題是，此類儀器一般不把較窄帶寬示波器的1MΩ輸入阻抗（實際上就是并行 R-C 輸入電路的電阻分量）作為標準功能來提供。寬帶示波器具有一個純電阻性的50Ω輸入阻抗。那些具有1MΩ輸入阻抗的寬帶示波器可通過一些與示波器的寬帶輸入連接器配對的適配器選件來做到這一點。安裝這些適配器通常會使示波器帶寬減少到 500 MHz。一些帶寬為 3 GHz 以下的示波器可使你在 50Ω和1MΩ兩種內(nèi)部輸入電路之間切換，在輸入阻抗為1MΩ時帶寬仍然是 500 MHz。3 GHz 帶寬極限是多條錯綜復(fù)雜信號路徑帶來的后果，因為多條錯綜復(fù)雜的信號路徑必定要進行阻抗切換。這些信號路徑使人們不能如實地獲得頻率超過 3 GHz 的、包含很大能量的信號。
　　在大量的寬帶示波器應(yīng)用中，50Ω 輸入阻抗使人們必須使用某種探頭。在許多此類應(yīng)用中，通常會使用無源衰減器探頭。這樣的探頭始終是單端探頭。超寬帶無源探頭通常具有 500Ω 的直流輸入電阻和1/10 的信號衰減，或者具有1000Ω直流輸入電阻 （和1/20 的衰減）。
　　一個關(guān)鍵參數(shù)是探頭的輸入電容。最好的寬帶無源探頭的輸入電容小于0.25pF 。在頻率達到6GHz 時，這一電容的電抗略高于100Ω。這一電抗是與500Ω或1000Ω電阻并聯(lián)的，從而就大多數(shù)用途而言，可將它忽略不計，但有可能導(dǎo)致與你為了幫助探頭及其地線連接到測試點而增加的某些引線的電感發(fā)生串聯(lián)諧振。在一些寬帶有源探頭中，輸入電容并不單獨與探頭的輸入電阻并聯(lián)。這一特點代表了某些有源寬帶探頭的另一個優(yōu)勢。

　　不同的理念
　　目前，世界三家主要的寬帶數(shù)字示波器制造商--安捷倫 (Agilent)公司、LeCroy公司和泰克 (Tektronix) 公司，不僅制造示波器也提供探頭。這三家公司都把示波器和探頭的組合看作是一個系統(tǒng)。雖然你有時候可以把一家制造商生產(chǎn)的寬帶探頭，與另一家制造商生產(chǎn)的示波器一起使用，但這種組合幾乎總是造成性能的折衷和操作不方便。假如你使用的探頭是制造商為了與你的示波器配套使用而設(shè)計的，那么這些問題就不會發(fā)生。例如，雖然主要的模擬信號接線可以使用兼容的連接器，但那些能使示波器為探頭供電并把衰減比率等輔助信息從探頭傳送到示波器的連接器在不同制造商的產(chǎn)品之間一般是不兼容的。
　　由于這些制造商最近采用了明顯不同的寬帶探頭設(shè)計理念，因此，如果有人說你對探頭的選擇可能決定了你對示波器的選擇，這未必是言過其實或者是本末倒置。近來，最重大的發(fā)展就是安捷倫公司和 LeCroy 公司認識到，設(shè)計具有高速系統(tǒng)設(shè)計師需要的所有屬性的有源探頭，需要對探頭的輸入電容和信號源與探頭輸入端之間的連線電感之間產(chǎn)生的諧振進行電阻性阻尼。阻尼電阻必須靠近信號源；如果你像一些探頭設(shè)計已經(jīng)嘗試過的那樣，把阻尼電阻放在離探頭體最近的連線一端，那么你就無法實現(xiàn)預(yù)期的好處。
　　這一認識連同其它許多設(shè)計要求，導(dǎo)致安捷倫公司設(shè)計了 InfiniiMax 探頭系列（圖 1）。這些探頭均把一個微小的無源阻尼電阻器和電阻分壓器放置在距離信號源幾毫米的范圍內(nèi)，并使用幾英寸長的柔性同軸電纜把這套微型組件連接到探頭體的有源電路上。泰克公司堅持說，安捷倫公司并沒有創(chuàng)新寬帶探頭中的電阻阻尼，而泰克公司已經(jīng)使用該技術(shù)多年了。安捷倫公司反駁說，泰克公司并沒有始終把阻尼電阻器放在信號源附近，并且至少到目前，該公司還是不愿意把阻尼電阻器與探頭體分開。據(jù)安捷倫公司說，由此產(chǎn)生的單件式設(shè)計迫使用戶努力使探頭體非常靠近測試點，以至于探頭無法適應(yīng)，尤其是在探頭必須接觸間距很近的引腳上的差分信號時更是如此。


圖1 安捷倫公司的InfiniiMax探頭有各種構(gòu)置形式（從上到下）：差分瀏覽器、差分焊合、差分插座、單端焊合、單端瀏覽器。探頭本體（此處沒有顯示）與照片右側(cè)的連接器匹配，包括探頭放大器。該放大器為同軸電纜右手端提供來自探測頭（左手遠端）的Z0端接。所有的探頭形式中，探測頭中的衰減器為同軸電纜左手端提供Z1端接。
　　泰克公司最新的差分有源探頭是帶寬為5 GHz的P7350，它通過有源電子元件的極端小型化解決了這個問題（圖 2）。對于包含如此復(fù)雜的電子元件的部件來說，這種探頭的體積小得令人吃驚，即使是這種探頭設(shè)計就象安捷倫的 InfiniiMax 探頭一樣，接觸測試點的部分和包含放大器的部分之間也不允許存在幾英寸長的柔性電纜連接。


圖2 泰克公司的5GHz帶寬97350差分探頭把有源器件置放在靠近探測頭頂尖的地方，而且仍保持探測頭做得非常小。兩個探針的中心僅為0.1英寸，右上所示長方形連接器用于該公司的TekConnect系統(tǒng)，此系統(tǒng)為示波器提供輔助信息，如探頭的衰減量。

　　探針方式
　　用過傳統(tǒng)窄帶示波器探頭--甚至是無源探頭--的人都很熟悉瀏覽器配置，這種瀏覽器配置可用來迅速接觸并觀察大量信號。人們歷來一邊手握探頭一邊瀏覽，但是，目前你必須探測的高速元件的微小幾何結(jié)構(gòu)要求用比人手更穩(wěn)定的裝置來夾持探頭?，F(xiàn)在，電氣工程師們?yōu)g覽時，探頭通常是安裝在小型操縱器或支架上的（圖 3）。


圖3 LeCory公司的WaveLink探頭系統(tǒng)，包括一個7GHz帶寬的器件，當將它與該公司的6GHz示波器一塊使用時，此帶寬已足夠使用，WaveLink探頭為示波屏提供6GHz帶寬。姆指旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)探針間距，范圍為0~0.3英寸。展示的探頭安裝在一個支架上，該支架為探測間距相近的細間距PC板印制線提供必須的穩(wěn)定度。
　　插頭直接焊接到被測印制電路板上或者插到電路板插座里的探頭是較新的研發(fā)成果。如果你能夠識別你將經(jīng)常連接的數(shù)量有限的信號，而且你的探頭使用串聯(lián)阻尼電阻器和衰減器來驅(qū)動電路板和探頭體內(nèi)放大器之間的連線，則這些配置就特別方便。
　　除了與超高速電路板建立多條牢固的連線之外，這些方法還把探頭的輸入電容降到了最低程度。當然，你的電路板必須包含與探頭插頭焊接的焊盤或與探頭插頭配對的插座。另外，電路板的電路設(shè)計不僅必須預(yù)期到把信號從真實的信號源（通常是集成電路的引腳）傳送到焊盤或插座的印制線的驅(qū)動要求，而且至少對于帶有插座的電路板來說，還必須預(yù)期到由未端接的短截線引起的反射所帶來的種種問題。假如你想在不插入探頭的情況下使用電路板，這些短截線可能是個問題。
　　LeCroy 公司的最新差分有源探頭系列-- WaveLink 系列，其中有一種探頭具有 7 GHz 額定帶寬--側(cè)重于瀏覽。拇指輪使你能將鎳鈦合金探針之間的間距在零英寸（探頭接觸）和 0.3 英寸之間調(diào)節(jié)。這一間距調(diào)定之后，你可以扭動或彎曲這些探針，不必擔心它們會損壞或永久變形。與這種設(shè)計相比，泰克公司的 P7350 的探針間距是固定不變的。LeCroy 公司說，WaveLink 探頭的機械與電氣體系結(jié)構(gòu)有利于增加不同探針方式的設(shè)計，此類探頭很可能將在 2003 年年內(nèi)面世。

　　更低的輸入電阻
　　在設(shè)計 WaveLink 探頭時，LeCroy 做了一個不同尋常的決定，使輸入阻抗的電阻分量相當?shù)?-正相輸入端和反相輸入端之間的額定電阻是 4kΩ。由于這個電阻值比安捷倫公司和泰克公司的差分探頭的輸入電阻值小得多，因此你也許會認為它太小了。但是請記住，在頻率僅為 159 MHz 時，僅為 0.25 pF 的輸入電容--在沒有串聯(lián)阻抗的情況下--也會使一個 4kΩ電抗與 4kΩ輸入電阻并聯(lián)，并使輸入阻抗降低到 2.8kΩ。在沒有電阻或電感與輸入電容串聯(lián)的情況下，輸入阻抗的電抗成分在頻率每增加一倍時都會減半。因此，在探頭通帶的五個以上倍頻程范圍內(nèi)，即使是 4kΩ那樣小的電阻也會成為學(xué)術(shù)上的大事。
　　除了使輸入阻抗在更寬的頻帶內(nèi)比更高的電阻更接近恒定不變以外，低輸入電阻還允許你在探頭的輸入放大器前面插入較小的衰減值，從而改善探頭的 SNR。與具有較高輸入電阻的探頭相比，較低的 SNR 可使增加到小振幅信號（比如在高速差分信號傳送中常見的小振幅信號）的抖動較小，因此可提高抖動測量的準確度。你也許會認為，低輸入電阻會使 WaveLink 探頭比那些具有較高輸入電阻的探頭更容易受到過壓的損壞，但 LeCroy 公司說，Wavelink探頭并沒有因無意中加上 25V 直流電壓而損壞。
　　當安捷倫公司推出 InfiniiMax 探頭時，該公司在表達這些探頭的輸入電容的方法上出了問題?？赡艽蟮?0.7 pF的輸入電容值，取決于探頭是單端的還是差分的,也取決于探頭的實際方式。由于數(shù)據(jù)表中沒有包含等效電路，你就會很容易得出錯誤結(jié)論，即0.7 pF的輸入電容并聯(lián)在探頭的輸入端上，就像大多數(shù)示波器和探頭的輸入電容那樣。要是真是這樣，那么在 6 GHz 時，輸入阻抗將主要由略低于 38Ω的容抗構(gòu)成。
　　然而，與普通探頭的輸入電容不同的是，InfiniiMax 探頭的輸入電容并不單獨并聯(lián)在探頭的輸入端上。圖 4 的簡化等效電路表明有一個大約 200Ω的電阻器 R1與輸入電容串聯(lián)。在插座配置和焊入式配置中，這一電阻器存在于與被測件上的探測點接觸的小小組件中。這一串聯(lián)電阻器不僅設(shè)定了探頭輸入阻抗的下限，而且還對串聯(lián)電感和把探測點連接到輸入衰減器的連線上的分布電容之間不可避免的諧振進行了阻尼。衰減器保護探頭的輸入放大器，并且與連到放大器（它駐留在探頭體內(nèi)）的同軸電纜的 Z0（特性阻抗）匹配。放大器的輸入阻抗也是 Z0，因此同軸電纜的兩端可連接合適的負載，從而可用幾英寸長的柔性電纜把探測點與探頭體分開。事實上，如果電纜沒有介電損耗的話，這根電纜可以長到英寸，介電損耗在數(shù)千兆赫以上時會變得很重要。


圖4 各種結(jié)構(gòu)的安捷倫InfiniiMax探頭（圖1所示）有不同的電氣特性，但規(guī)定的輸入電容量從不直接出現(xiàn)跨接輸入的現(xiàn)象。阻尼電阻器R1總是采用串聯(lián)形式。
　　探頭和被測件之間的相互作用是不可避免的。但是，如果因連接探頭而改變了信號的性質(zhì)，那么，當沒有探頭給信號源加載時，你如何確定信號在正常工作中是什么模樣？答案就是你必須使用建模，并且逆向工作。有了探頭及其驅(qū)動電路的良好模型，你就可以用數(shù)學(xué)方法來推斷在驅(qū)動信號源未加載時的波形。
　　如果制造商提供一個非常詳細的探頭電路模型，則推導(dǎo)信號源的未加載波形可能是一種純數(shù)學(xué)實踐。不過，有些探頭制造商還提供特性描述裝置來幫助從事信號完整性工程師，因為這些工程師通常對探頭特性描述有特殊的要求。信號完整性工程師把這些裝置與向量網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器配合使用，以構(gòu)建自己的探頭模型。LeCroy 公司的特性描述裝置是隨 WaveLink 探頭免費提供的。
　　此外，探頭制造商們對于他們是否應(yīng)該單獨對探頭的加載效果和傳輸效果進行特性描述爭論不休。反對單獨特性描述的論據(jù)是，如果你在沒有對信號源加載的情況下觀察不到信號源的輸出波形，那么你想知道的僅僅是探頭的輸入波形和輸出波形。贊成單獨特性描述的論據(jù)是，加載效果取決于信號源的特性，尤其是信號源的內(nèi)部阻抗，這是信號源的屬性而不是探頭的屬性。如果你把與信號源有關(guān)的效果和與探頭有關(guān)的效果混為一談，那就弄不清被測件的真實特性。
　　另一場十分類似的爭論則與示波器和探頭的組合特性有關(guān)（參考文獻 2）。不幸的是，你不能使用那些適用于窄帶示波器和探頭的規(guī)則來確定超寬帶示波器和探頭的綜合上升時間和帶寬。超寬帶示波器和探頭的，式中 TR 是示波器加上探頭的上升時間的 10~90%，TS 是示波器的上升時間，TP 是探頭的上升時間。例如，安捷倫公司說，其6GHz 帶寬 Infiniium 示波器的上升時間的 10~90% 是 70 ps，而且，在沒有示波器的情況下，用來與該示波器配套使用的 InfiniiMax 探頭具有大于7GHz的帶寬。這兩種帶寬都是在 -3dB 點。不過，當你把探頭連接到示波器時，從探頭探針到屏幕的帶寬仍然是 6 GHz。據(jù)推測，沒有帶探頭的示波器的帶寬稍大于 6 GHz，通過探頭送來的信號的上升時間由示波器顯示出來，則略大于 70 ps。當然，不論有沒有探頭，你都必須利用一個上升時間遠小于 70 ps的信號來測量示波器的上升時間。該信號還必須沒有或幾乎沒有過沖。然而，這樣的信號源是很難找到的。

　　連接器：痛苦所在
　　窄帶示波器使用 BNC 同軸連接器。這類連接器到處都有，其卡口式連接使它們在配對使用時很可靠，而且配對使用還是拆開使用都很方便。不過，標準 BNC 在信號頻率超過大約 4 GHz 時就不可靠了。問題在于，在反復(fù)插拔的情況下，面板安裝的 BNC 中的彈簧銷可能會失去部分彈力，并產(chǎn)生高電阻屏蔽連接，這種連接的特性會隨著你擺動電纜或插拔連接器而變化。在頻率為 4~26.5 GHz 時，符合工業(yè)標準的同軸連接器是 SMA，它出眾的可靠性歸功于它使用壓下罩作為鎖定裝置。
　　LeCroy 公司和泰克電子公司都在各自的超寬帶實時采樣數(shù)字示波器上使用模塊化輸入連接器系統(tǒng)。這些提供 SMA 接口的模塊之所以最受歡迎，是因為它們使人們能夠充分使用示波器的 6 GHz 帶寬。這兩家公司還提供 BNC 模塊。你可以買到的這類模塊，其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)把示波器的 50Ω輸入阻抗轉(zhuǎn)換成 1 MΩ。不過，轉(zhuǎn)換到較高的輸入阻抗會使帶寬降低到 500 MHz。
　　安捷倫公司在其6GHz帶寬 Infin-iium 示波器中使用的是另一種方法。輸入連接器是與BNC兼容的，但并不是真正的 BNC（圖 5）。它是一種獨創(chuàng)的17.9 GHz專有連接器，采用空氣介質(zhì)和一種鎖定機構(gòu)。這種鎖定機構(gòu)可與 BNC 配套使用，但也適應(yīng)既用卡口式連接又用螺絲鎖的專有配對連接器。一旦這種螺絲機構(gòu)把電纜安裝的和面板安裝的配對連接器的各一半鎖在一起，你就無法使配對連接器的各一半相對移動了。因此，這種設(shè)計消除了常規(guī) BNC 在高頻率下工作不可靠的主要原因。


圖5 在示波器端，安捷倫的InfiniiMax探頭使用一種特殊的BNC兼容連接器，其性能規(guī)定為17.9GHz。在實際使用中不需要6GHz示波器的全帶寬，示波器采納標準的BNC帶寬。將BNC的卡口鎖與螺口鎖相結(jié)合，這種新的連接器克服了標準BNC的高頻不穩(wěn)定性的主要來源。
　　對于安捷倫公司的有些示波器客戶來說，這種連接器很可能會比 SMA 更好。安捷倫公司提到了它提供的大量配備 BNC 的附件。許多 6GHz 頻段的示波器的潛在客戶已經(jīng)將這些附件與帶寬較窄的安捷倫示波器一起使用。雖然這些附件上的 BNC 都可以與新型示波器的輸入連接器配對使用，但新型示波器與此類附件中的很多附件一起使用時都不能正常工作，或根本不能工作。其原因在于，除了電纜之外，許多附件是用來驅(qū)動1MΩ輸入的，因此不能驅(qū)動6GHz 示波器的50Ω輸入。電纜雖然可以使用，但卻不能可靠地使人們充分使用示波器的整個帶寬。不過，安捷倫公司說，假如有足夠多的客戶需要的話，它將提供一種1MΩ的適配器。