探頭進階之——差分和單端有源探頭的性能差別
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過去在使用高帶寬示波器和有源探頭進行測量時，您可以選擇單端探頭或差分探頭。一般是用單端探頭測量單端信號（對地電壓），用差分探頭測量差分信號（正電壓—負電壓）。雖然也可以只買差分探頭，用差分探頭測量差分信號和單端信號，但出于一些實際考慮，多數(shù)人并不這樣做。理由是，在安捷倫推出革新性方案之前，差分探頭和單端探頭是兩套探頭，通常價格高和難以使用，而且?guī)捯脖葐味颂筋^低。
新的Agilent InfiniiMax探頭系統(tǒng)既可用于差分檢測，又可用于單端檢測，從而排除了過去拒絕差分探頭的理由。新的探頭系統(tǒng)使用可更換的探測接頭，適于點測、插孔連接和焊點埋入連接的測量方式。
對于這種新的探測方式，您需要確定是用差分探頭還是單端探頭測量單端信號。為作出最好的決定，需要考慮差分探頭與單端探頭在性能和可用性方面的優(yōu)缺點。
這篇應用指南在如下幾方面比較了差分探頭和單端探頭的優(yōu)缺點：
· 帶寬、保真度和可用性
· 共模抑制
· 探頭負載效應
· 測量的可重復性
· 物理尺寸
單端探頭模型
差分探頭模型
圖1 差分探頭和單端探頭簡化模型
我們用簡化模型（圖1）幫助比較，對于Agilent 1134A 7GHz探頭放大器，分別使用焊點埋入連接的差分探測頭和
單端探測頭測量數(shù)據(jù)。這兩種探測頭有非常接近的物理連接尺寸，因此主要是差分和單端電路元件的布局帶來的性能差別。圖2和圖3是這些探頭的照片。
為測量探頭性能，我們使用Agilent E2655A去時滯∕性能驗證夾具，Agilent 8720A 20GHz矢量網(wǎng)絡分析儀和Agilent Infiniium DCA86100取樣示波器。
帶寬、保真度和可用性比較
如前所述，在安捷倫未推出革新性方案前，單端探頭通常有比差分探頭更高的帶寬。但這一結果是來自某些基本物理定律，還僅僅是來自不同結構的實際實現(xiàn)方法？
為回答這一問題，讓我們考慮圖1差分探頭和單端探頭連接中寄生參數(shù)的簡化模型。由于單端和差分探測頭的幾何尺寸大致相同，因此電感和電容分布參數(shù)的量值也相當。如果接地連接使用又寬又平的導體（就像“刀片”），單端探頭的接地電感（lg）會稍低一些，但也低不到哪里去。應注意差分探頭在其兩個輸入上都有補償阻尼，而單端探頭只在信號輸入上有補償阻尼，地線上沒有阻尼（在實際探頭中是0Ω電阻器）。這些補償阻尼用于消除輸入連接中電感器（Ls）和電容器（Cs）所造成的諧振。要更深入了解這一話題，請參看Agilent應用指南1404“高帶寬探頭的保真度”。
2 Agilent 1134A單端焊點埋入探測頭（上）和差分焊點埋入探測頭（下）
圖3 開蓋的單端（上）和差分（下）焊點埋入探測頭
從對單端模型的分析，可看到帶寬決定于電感和電容值，其中對地電感（lg）起著重要的作用。在較高頻率下，對地電感會在被測信號地與探頭地之間產(chǎn)生一個電壓，從而減小了探頭衰減器∕放大器處的信號。您可通過減小對地電感來增加帶寬。這就需要縮短接地線的長度，或增加連接的面積。理想的接地線應是非常短、又比較寬的導體平面或圍繞信號連接的環(huán)形圓柱體（形成同軸的探頭連接）。在實際的測量條件下，理想的接地線通常是不現(xiàn)實的，而且會大大降低單端探頭的可用性。
圖4 差分探頭和單端探頭的頻率響應
此外，在使用圓柱接地環(huán)地條件下給出指標的單端探頭帶寬指標，是不具備實際意義的，因為在實際測試中，您基本上無法采用這種方式來測量。
如果您分析由差分信號（vcm=0，vp=vm）驅動的差分模型，就會看到由于正負信號連接的固有對稱性，在連接間就會存在一個沒有凈信號的平面。您可認為該“有效”地平面牢固地接到被測信號的地平面和探頭放大器的地?？紤]到有效地平面的存在，即可分析半電路模型，此時信號地的環(huán)路面積近似為單端環(huán)路面積的一半，所以電感要低得多。從半電路模型分析可看到差分模型的帶寬要遠高于單端模型。此外，有效地平面是理想的接地連接，而且毫不影響其可用性。
當差分探頭受單端源驅動時，您可用疊加法確定總響應。當vcm=vp=vm時，即電路中施加了單端信號。對于疊加的第一項，把vcm“關閉”；對于疊加的第二項，把vp和vm“關閉”。第一項是差分部分對單端信號的響應，因此該響應和前面的討論一致。第二項是共模部分對單端信號的響應，因此其響應決定于探頭的共模抑制。如果探頭有好的共模抑制能力，那么對單端信號的總響應就只是對單端信號差模成分的響應。如果探頭的共模抑制不好，就會看到測量差分信號和測量單端信號的差異。從圖4可看到這些響應實際上并無差別。
圖4示出用差分探頭檢測單端信號（綠色）和用單端探頭檢測單端信號（藍色）的頻率響應，兩者都使用同樣的7GHz探頭差分放大器。探頭的帶寬定義為探頭輸出幅度相對輸入幅度下降到-3dB處的頻率。顯然，差分探頭的帶寬要比單端探頭高得多（7.8GHz對5.4GHz）。這兩種探頭都有很高的頻率平坦度，因為在連接中使用了正確的阻尼電阻。
圖5示出對于輸入約100ps上升時間的階躍信號，差分探頭所測的時域響應。圖6示出對于輸入約100ps上升時間的階躍信號，單端探頭所測的時域響應。在這兩個圖中，紅色跡線是探頭的輸出(即示波器屏幕上顯示地波形)，綠色跡線是探頭的輸入(即探頭探上被測對象后，被測信號地波形)。應注意這不是探頭的階躍響應，而只是測量它們是否能跟蹤100ps的階躍。為測量階躍響應，必須有非常完美的輸入，即有極快上升時間的階躍，此時差分探頭能顯示出比單端探頭更快的上升時間。這兩種探頭都能很好跟蹤100ps的階躍。
圖5 差分探頭對100ps階躍的時域響應
圖6 單端探頭對100 ps階躍的時域響應
共模抑制問題
共模抑制是差分探頭和單端探頭都存在的問題。對差分探頭來說。共模抑制使加至探頭輸入+ 和 - 的相同信號
差分探頭和單端探頭模型（圖1）示出從探頭衰減器∕放大器地到“大地”的電阻和電感。這是由探頭電纜屏蔽和大地構成的傳輸線（或天線）所造成阻抗的簡化模型。這一“外模式”阻抗是重要的，因為在單端探頭上施加共模信號時，地電感就與該外模式阻抗構成分壓器，從而衰減了放大器得到的地信號。由于放大器的信號輸入沒有得到與地輸入同樣的衰減，這就在放大器的輸入端造成一個凈信號，并由此產(chǎn)生一個輸出。地電感越高，共模抑制就越低，因此您在使用單端探頭時，務必使地線盡可能短。還應注意該外模式信號并不直接影響“內(nèi)模式”信號（即同軸電纜內(nèi)的正常探頭輸出信號），但反射的外模式信號將影響探頭放大器的地，從而間接影響內(nèi)模式信號。“測量可重復性”部分對此有進一步的說明。
當共模信號施加至差分探頭時，在 + 和 - 輸入端至衰減器∕放大器上可看到同樣的信號。所產(chǎn)生的輸出將是放大器共模抑制能力的函數(shù)，而并非由連接感抗造成。
圖7 差分探頭和單端探頭的共模響應
當您檢測帶有共模噪聲的單端信號時，需要確定是差分探頭，還是單端探頭有更好的共模抑制能力。這取決于單端探頭的接地連接電感，以及差分探頭中放大器的共模抑制能力。對于本例中的差分和單端探測頭，圖7示出差分探頭的共模抑制要比單端探頭高得多，因此能在高共模噪聲環(huán)境中進行更好的測量。這是兩種探頭的一般情況，除非單端探頭有極低電感的接地連接，但這在現(xiàn)實中是難以實現(xiàn)的。應注意這里分析的單端探頭，是安捷倫InfiniiMax 1130系列，遠好于其它的許多單端探頭的共模抑制能力，因為它的地線很短。圖7中的共模響應定義為：
差分共模響應= 20[log(voc/vic)]
這里vic是+和-輸入的公共電壓，voc是施加vic時探頭輸出處的電壓
單端共模響應= 20[log(voc/vic)]
這里vic是信號輸入和地輸入的公共電壓，voc是施加vic時探頭輸出處的電壓
圖8 差分探頭和單端探頭的輸入阻抗
探頭負載效應比較
如果您用差分探測頭和單端探測頭的電感和電容值分析圖1中的電路模型，您將發(fā)現(xiàn)從單端源看過去的各探測頭輸入阻抗沒有多少差別。分析的另一方面是了解外模式阻抗如何影響差分和單端探頭。在單端探頭放大器模型中，外模式阻抗要比接地連接阻抗高得多（由于存在lg），因此它對輸入阻抗并沒有明顯影響。但由于存在外模式阻抗，進入差分探頭的單端信號將看到較高頻率比較低頻率有略低的容抗值。
圖8是差分探頭和單端探頭的輸入阻抗（幅值）圖。紅色跡線是施加差分源時所看到的差分探頭阻抗。綠色跡線是施加單端源時看到的差分探頭阻抗，藍色跡線是施加單端源時看到的單端探頭阻抗。在圖8中標注了這三種情況的DC電阻、電容和最小電感值。應注意差分探頭和單端探頭對單端信號的輸入阻抗很類似。
測量的可重復性
測量的可重復性是與高頻探頭相關的問題。在理想情況下，探頭位置，電纜位置和手的位置都不應造成探頭測量結果的變化。但許多情況下都并非如此。通常的原因是外模式阻抗的改變。這一阻抗實際上遠比所示的探頭模型復雜，因為未經(jīng)屏蔽的傳輸線（或天線），探頭、手和電纜位置都會造成極大的影響。
如果您通過改變外模式阻抗分析單端模型，就發(fā)現(xiàn)它會造成響應的變化。此外，由于外模式阻抗也是共模響應中的一個因素，因此該阻抗的變化也造成共模抑制的變化。接地連接的阻抗越高，對響應的影響就越大。
通過改變外模式阻抗分析差分模型，可發(fā)現(xiàn)這一變化只引起響應的很小變化。在探頭放大器地上出現(xiàn)的任何信號都會受到放大器的共模抑制。因此，由探頭、手和電纜位置引起的響應變化可得到很大的衰減。
從上面的圖4中可看到差分探頭的響應要比單端探頭平滑得多。單端探頭響應中有許多由外模式阻抗的變化所造成的“擾動和扭曲”。當阻抗變化時，響應也隨之變化。探頭電纜上的鐵電磁珠能通過衰減和限制外模式信號減小外模式信號的變化量，從而緩解這一問題。它能減小探頭、手和電纜位置造成的響應變化。
物理尺寸考慮
通過前面對差分探頭和單端探頭的比較，可看到不管是檢測差分信號，還是檢測單端信號，差分探頭在各方面的性能都優(yōu)于單端探頭。但有時仍可考慮使用單端探頭。單端探頭在許多測量情況下能夠提供可接受的結果，它價格低，由于探
總結
由于地跳、串擾和EMI問題，電子行業(yè)正在用差分信號取代單端信號。對于在這一新領域中使用的測量設備，差分檢測是必不可少的要求。因為差分探頭中信號連接間的有效地平面比單端探頭中的大多數(shù)實際地連接（非同軸）更為理想，所以差分探頭對單端信號的測量比單端探頭更好。新一代差分探頭易于使用、性能高、價格低，您可用來檢測差分信號和單端信號。
我們寫這篇文章的目的是，與您共同分享安捷倫科技的最新技術突破，若您正面臨著高速數(shù)字設計測量方面的挑戰(zhàn)，安捷倫最新推出的兩款高性能示波器(6GHz帶寬的54855A和4GHz帶寬的54854A)以全新的技術站在了業(yè)界的最前沿，她的前沿性具體表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，每個通道后面都采用一個20GSa/s 模數(shù)轉換器，一方面能保證在四個通道同時使用時，每個通道都可實現(xiàn)20GSa/s的采樣速率，而無需使用交叉采集的方式，用多個低速模數(shù)轉換器湊成高采樣速率，另一方面，在作抖動分析等高級時序測量時，精準性更高；第二，對于需要深存儲器的場合，四個通道同時使用時，每個通道后面最多可提供32M的存儲深度，為業(yè)界樹立了新標準；第三，打破了多年來，探頭連接技術帶給用戶的困擾，將業(yè)界的差分探頭技術由3.5GHz帶寬提升到7GHz,配合示波器使用可真正實現(xiàn)6GHz的系統(tǒng)帶寬，在探頭技術方面的另一突破是，您可使用各種各樣的前端附件，而且保證不犧牲探頭的整體帶寬，即使您使用10cm長的前端連接，這對測試一些空間很狹小地方的測試點是很重要的。
若您想了解更詳細的信息，可訪問 www.agilent.com/find/InfiniiMax ，并歡迎您和我們聯(lián)系并討論任何相關的問題。
術語表
帶寬 - 頻率響應的幅度等于-3 db（0.707）處的頻率。
共模成分 - 兩信號相等的成分。
共模抑制 - 對提供輸入1－輸入2功能的電路，輸入1和輸入2的共模成分不產(chǎn)生輸出。
差模成分 - 兩信號大小相等，極性相反的成分。
差分信號 - 使用兩個導體的一種電子信號發(fā)生方式，一個導體上的信號與另一個導體上的信號大小相等，極性相反。
頻率響應 - vo(s)/vi(s)，其中vo(s)是作為頻率函數(shù)的輸出信號，vi(s)是作為頻率函數(shù)的輸入信號。
半電路分析 - 分析對稱電路的一種方法，對稱線一邊的所有電流和電壓與另一邊大小相等，極性相反?？砂褜ΨQ線上的各結點連到一起，把它作為分析中的公共結點或地結點。
外模式 - 在同軸線外導體上傳輸?shù)男盘枴?br />外模式阻抗 - 同軸線外導體對大地或局部地（例如天線）的阻抗。
單端信號 - 使用一個信號導體和一個公共地導體的一種電子信號發(fā)生方法。通常公共地導體上沒有信號，信號導體傳輸相對地導體的信號。
階躍響應 - 網(wǎng)絡對理想階躍的響應。理想階躍的上升時間為零。
疊加 - 在線性系統(tǒng)中，由多個獨立的源激勵產(chǎn)生的系統(tǒng)輸出，可以通過把每個源單獨激勵產(chǎn)生的系統(tǒng)輸出相加得到。
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