示波器探頭將示波器的輸入連接到要測(cè)量的電壓節(jié)點(diǎn)。傳統(tǒng)上，常用的探頭分為三種類(lèi)型：高阻抗無(wú)源探頭、低容抗傳輸線(xiàn)探頭和有源探頭。 

見(jiàn)的探頭類(lèi)型是高阻抗無(wú)源探頭。圖1是其簡(jiǎn)化示意圖。該探頭使用經(jīng)補(bǔ)償?shù)姆謮浩?/span>(電阻和電容匹配的分壓器)以驅(qū)動(dòng)探頭線(xiàn)纜和示波器輸入電容。這些探頭有500MHz額定帶寬，但你應(yīng)考慮由輸入電容所帶來(lái)的限制。

 
圖1：采用電容和電阻匹配的分壓器的高阻無(wú)源探頭

示波器的輸入電容可能在15~25pF之間。同軸電纜每英尺的電容約在10pF~30pF。所以其總電容可能約為80pF。因此，簡(jiǎn)單地用屏蔽線(xiàn)纜將示波器連接到DUT(被測(cè)設(shè)備)將會(huì)把此電容加載在測(cè)量電路。在10MHz時(shí)，阻抗約為200Ω，這就可能顯著降低你試圖測(cè)量的電壓幅值。 

我們可通過(guò)使用電容性補(bǔ)償分壓器將被測(cè)信號(hào)分壓10倍的方式來(lái)增加此輸入阻抗。這種補(bǔ)償分壓器將使探頭針尖具有最小9pF的電容、帶來(lái)10倍衰減，使探頭負(fù)載阻抗增加了約10倍。增加探頭衰減倍數(shù)，可進(jìn)一步降低輸入電容，但這樣做將降低進(jìn)入示波器的信號(hào)幅值，并使小信號(hào)測(cè)量變得困難或不可能。在實(shí)踐中，10倍衰減在信號(hào)幅度和加載阻抗之間表現(xiàn)出良好平衡。 

但在更高頻率，即使是這樣的低電容探頭也還是太大了。在500MHz，9pF探頭電容的等效阻值約35Ω，除阻抗電路外，將對(duì)所有被測(cè)電壓產(chǎn)生影響。 

若將同軸線(xiàn)纜換為傳輸線(xiàn)，則可大幅降低輸入電容。如果示波器的終端電阻為50Ω，則電纜探頭端的阻抗將總是50Ω，與頻率無(wú)關(guān)。可使用分壓器加大這一非常低的負(fù)載阻抗；一個(gè)450Ω串聯(lián)電阻將把被測(cè)電壓幅值縮小10倍，并得到500Ω相對(duì)恒定的負(fù)載阻抗。采用帶終端電阻的低電容或傳輸線(xiàn)探頭(圖2)。

 
圖2：傳輸線(xiàn)探頭大幅降低輸入電容，但它也降低了輸入電阻，從而降低了整體阻抗

端接傳輸線(xiàn)探頭的輸入電容相當(dāng)?shù)?，典型值零點(diǎn)幾個(gè)pF。這種探頭的限制因素是低輸入電阻。對(duì)10倍衰減探頭來(lái)說(shuō)，500Ω的輸入電阻，也會(huì)對(duì)被測(cè)電路造成很大影響。 

這就使我們自然想到有源探頭(圖3)。有源探頭采用補(bǔ)償分壓器驅(qū)動(dòng)放大器。該放大器的緩沖輸出再驅(qū)動(dòng)以其特性阻抗端接(terminated)的同軸電纜，就像傳輸線(xiàn)探頭。該放大器還將探頭與電纜的電容性負(fù)載和示波器的輸入電路隔離開(kāi)來(lái)。

 
圖3：50Ω帶緩沖輸入驅(qū)動(dòng)的傳輸線(xiàn)有源探頭

有源探頭仍需要低輸入電容，在探頭的小幾何形狀內(nèi)，可以容易做到這點(diǎn)。可以設(shè)計(jì)出輸入電容約為4pF的高阻抗緩沖放大器。約10倍衰減的補(bǔ)償分壓器將進(jìn)一步降低輸入電容以及允許更大的輸入電壓擺幅，其輸入電容約為0.4pF。在現(xiàn)實(shí)中，放大器需要輸入保護(hù)裝置，此舉將加大探頭金屬的雜散電容，所以0.5pF到4pF的輸入電容是比較現(xiàn)實(shí)的。 

圖4顯示出上述討論的三種探頭其作為頻率函數(shù)的輸入阻抗(根據(jù)特定的輸入電阻和電容)。在無(wú)源探頭500MHz的頻率上限，其輸入阻抗僅為34Ω。在相同頻率：傳輸線(xiàn)探頭的輸入阻抗為359Ω；有源探頭的為530Ω。該容性阻抗將會(huì)加載到被測(cè)信號(hào)上。

 
圖4：與被動(dòng)和傳輸線(xiàn)探頭比，有源探頭可在最寬的帶寬內(nèi)使輸入阻抗

探頭影響的案例 

圖5是一個(gè)25Ω系統(tǒng)(50Ω源和負(fù)載阻抗)的階躍波形(step waveform)示例。即使在這樣的低阻抗環(huán)境下，無(wú)源探頭容性負(fù)載的影響也顯而易見(jiàn)。

 
圖5：比較無(wú)源探頭(PP008)和有源探頭(ZS4000)的電容性負(fù)載的影響

圖5中，在無(wú)源探頭接觸被測(cè)信號(hào)前，輸入階躍的上升時(shí)間約為500ps。當(dāng)PP008(輸入C=9.5pF)觸測(cè)階躍被測(cè)信號(hào)時(shí)，上升時(shí)間增加至1.8ns，且在前沿造成顯著失真。使用ZS4000有源探頭(輸入C=0.6pF)時(shí)，則沒(méi)對(duì)被測(cè)信號(hào)造成顯著失真。 

低電容設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是把所有探頭周?chē)膶?dǎo)體做得小巧。這也與應(yīng)使探頭的體積盡可能小巧的要求一致，只有這樣，探頭才能“游刃”于我們?nèi)諠u擁擠的電路板。 

探頭的電容性負(fù)載除加載被測(cè)電壓外，還有另一個(gè)影響。單端探頭需要一個(gè)接地連接。該地線(xiàn)有與其長(zhǎng)度相關(guān)的電感。該電感，與探頭的輸入電容相組合，將在LC電路(圖6)的共振頻率上引致振鈴效應(yīng)。

 
圖6：示波器的地線(xiàn)增加了被測(cè)電路的電感

接地線(xiàn)電感可使用大拇指規(guī)則估算，其值約為20nH/in，進(jìn)而算出諧振頻率。該電感的諧振頻率（fr）為：

為使測(cè)量不失真，諧振頻率應(yīng)比擬測(cè)量信號(hào)的頻率高得多。可通過(guò)使用更短的地線(xiàn)或使用更低輸入電容的探頭或兩者兼而用之的方式來(lái)提高共振頻率。 

作為例子，我們可使用PP008探頭(輸入C=9.5Pf)、6英寸地線(xiàn)(~120nH)進(jìn)行陡變階梯電壓的測(cè)量。在這些參數(shù)下，其振鈴頻率約為150MHz，可容易地在所測(cè)波形上看到。若將同樣的接地線(xiàn)與輸入電容僅為0.6pF的ZS4000探頭一起使用，這時(shí)其共振頻率約為600MHz且平復(fù)要快得多，如圖7中所示。

 
圖7. 對(duì)比由接地線(xiàn)引入、輸入電容的不同值對(duì)振鈴產(chǎn)生的影響。 
輸入電容更低的有源探頭(ZS4000)，不僅回復(fù)要快得多，且具有更高頻率。

更高帶寬的探頭配有短的、定長(zhǎng)接地導(dǎo)線(xiàn)。用最短的地線(xiàn)配以上述介紹的有源探頭使你在測(cè)量階躍電壓時(shí)幾乎沒(méi)有振鈴現(xiàn)象或上升時(shí)間失真。使用中的重要注意事項(xiàng)是：不要試圖延長(zhǎng)這些地線(xiàn)，因其會(huì)增加電感和電容并將顯著影響探頭性能。 

再回到我們開(kāi)始的問(wèn)題：“為什么有源探頭的放大器做在探頭，而不在示波器內(nèi)？”答案是：示波器廠(chǎng)家通過(guò)將放大器做在探頭附近，可在探頭針尖內(nèi)采用補(bǔ)償?shù)姆謮浩饕栽黾犹筋^的輸入阻抗和輸入電壓范圍。同時(shí)，有源探頭可以緩沖連接電纜對(duì)探頭的影響。不使用放大器，使用傳輸線(xiàn)探頭，你仍可得到類(lèi)似結(jié)果，但你必須要能忍受低輸入阻抗帶來(lái)的影響。