探頭在捕獲高速信號上的技術(shù)進(jìn)步

簡介
測量PCIe，SATA和其它快速模擬和數(shù)字信號等寬帶信號時總是需要高阻抗探頭。通過線纜直接連接高頻信號到測量儀器只是適合通常的一致性測試和PCB驗(yàn)證等應(yīng)用場合，但是大多數(shù)信號必須在系統(tǒng)運(yùn)行時進(jìn)行觀察以便確定整個工作系統(tǒng)中的信號特性。大多數(shù)探頭是單端，也就是測量共地信號，需要通過地線連接探頭尖端附近的地和待測設(shè)備的地。這種探頭很難測量本地信號地與儀器地有很大區(qū)別的信號。地也可以與待測設(shè)備的地在一起。

設(shè)計者可以通過差分傳輸高速信號避免地連續(xù)性的問題而解決這個問題，但是這大大增加了測量挑戰(zhàn)，因?yàn)橹粶y量一個信號對地不能很好地表達(dá)出這個差分信號。工程師可以使用兩個探頭測量兩個差分信號對地的信號然后相減，但這將占用兩個通道，而且依賴于兩個探頭的精確匹配。本文將解釋這個方法將比真正的差分探頭帶來更大的負(fù)載。

所有的高阻抗差分探頭對于被測信號都表現(xiàn)出負(fù)載阻抗，使得信號產(chǎn)生失真。本文將談到為什么差分探頭比單端探頭的固有負(fù)載要小，并且描述一種比以前任何一種探頭都具有最小負(fù)載效應(yīng)的差分探頭。待測信號的探頭額定負(fù)載效應(yīng)可以量化，同時將展示探頭負(fù)載效應(yīng)的評估方法。

單端探頭的負(fù)載效應(yīng)
單端探頭有兩個輸入端——信號（尖端）和地。等效電路包括電感、DC電阻并聯(lián)的輸入電容和地夾的電感。地夾電感可以和尖端電感歸結(jié)在一起以簡化電路。有源探頭的等效電路如Figure1所示。給出的電感有兩個——尖端和地夾電感。地夾電感通常占主導(dǎo)地位并依據(jù)用戶連接待測系統(tǒng)地的方式而改變。

低頻時，該探頭將通過電阻R加重待測電路的負(fù)載。R通常相當(dāng)大，該效應(yīng)可以忽略。高頻時，電容開始產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)，造成待測信號的很大失真。電容和電感在該頻點(diǎn)諧振，負(fù)載變成0歐姆，完全短路了信號。為了減少負(fù)載效應(yīng)（增加探頭的阻抗），電容和電感要盡可能的小。

差分探頭包括兩個獨(dú)立的輸入端子和一個差分放大器，如Figure 2所示。因?yàn)橛性措娐分环糯髢蓚€輸入，公共地連接還有相關(guān)的電感被去除。剩下的電感是兩個尖端電感的和，但是由于Ltip通常遠(yuǎn)小于Lgnd，負(fù)載電感變得很小。尖端電感也是固定的，不依賴于任何因不同用戶而改變的地夾。此外，電容減半，因?yàn)樨?fù)載電容和原有的輸入電容串聯(lián)。


差分設(shè)計的好處是明顯的，或許有人會問為何長時間內(nèi)儀器廠商不制造這種探頭呢？挑戰(zhàn)在于，高帶寬差分放大器的設(shè)計。單端放大器比較簡單；要求較少的晶體管，消耗更少的功率，小體積并可以在高頻運(yùn)行。

此外，連接兩個高頻尖端到放大器的輸入也增加了困難。不同的待測電路要求不同的位置和引線空間，這些尖端的任何移動可以顯著改變探頭的高頻響應(yīng)。為了抑制共模信號，每個尖端的特性必須是一致的，很難創(chuàng)建可以在移動時保持匹配的物理尖端。

新的WaveLink系列高帶寬探頭解決了這些問題。最新的SiGe工藝支持具有高頻性能的高帶寬差分放大器，D600A-AT是7.5GHz。采用了非常對稱的拓?fù)浔ＷC了即便是在最高頻率時尖端共模電壓能有效抑制。

和可調(diào)整的尖端相關(guān)的問題已用新的專利輸入電路解決，允許尖端和小的傳輸線一起連接到放大器。放大器和尖端構(gòu)筑在靈活的底層，尖端可被去除。用戶可以調(diào)整探頭的尖端精確匹配信號的空間從而獲得在不導(dǎo)致任何探頭負(fù)載或頻響變化的測量。

直到幾年前，儀器制造商僅提到探頭的輸入電阻和電容。這表明用戶的地夾的電感占據(jù)了主導(dǎo)，通過這個連接只有很少的控制。結(jié)果是，探頭制造商忽略了所有在量化探頭時導(dǎo)致地夾效應(yīng)降低的信號。事實(shí)上，規(guī)定的低電感夾具經(jīng)常用來測量探頭性能。使用這樣的夾具，制造商展示了在任何實(shí)際測量情況中都是不可能的（到地的真實(shí)連接時必須的）頻響和帶寬性能。