過去在使用高帶寬示波器和示波器有源探頭進(jìn)行測量時(shí)，您可以選擇示波器單端探頭，也可以選擇示波器差分探頭。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(fù)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(shí)際考慮，多數(shù)人并不這樣做。理由是，與單端探頭相比，差分探頭通常價(jià)格更高和更難以使用，而且?guī)捀　?/p>

ETA 探頭系統(tǒng)既可用于差分檢測，又可用于單端檢測，從而很大程度上排除了過去拒絕使用差分探頭的理由。新的探頭系統(tǒng)使用可更換的探頭前端，這些前端特別適用于手動點(diǎn)測、插孔連接和焊入連接等測量方式。

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，您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(diǎn)。

本應(yīng)用指南在如下幾方面比較了差分探頭和單端探頭的性能和可用性的優(yōu)缺點(diǎn) :

– 帶寬、保真度和可用性

– 共模抑制

– 輸入負(fù)載

– 測量可重復(fù)性

– 物理尺寸

我們用簡化模型 ( 圖 1) 幫助比較，并用探頭放大器配合焊入式差分探頭前端和焊入式單端探頭前端測量數(shù)據(jù)。這兩種探頭前端的物理連接尺寸非常接近，因此它們的性能差別主要是因?yàn)椴罘趾蛦味穗娐吩牟季衷斐傻摹D 2 和圖 3 是這些探頭的照片。

為測量探頭性能，我們使用偏移校正 / 性能驗(yàn)證夾具、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和采樣示波器。

帶寬、保真度和可用性比較

如前所述，單端探頭的帶寬通常比差分探頭更高。但這一結(jié)果是源自某些基本物理定律，還僅僅是源自不同體系結(jié)構(gòu)的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方法？

為回答這一問題，讓我們考慮圖 1 所示的差分探頭和單端探頭連接中寄生參數(shù)的簡化模型。由于單端和差分探頭前端的幾何尺寸大致相同，因此電感和電容參數(shù)的量值也相當(dāng)。如果接地連接使用又寬又平的導(dǎo)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(yīng)注意差分探頭在其兩個(gè)輸入上都有補(bǔ)償阻尼 (tip resistor)，而單端探頭只在信號輸入上有補(bǔ)償阻尼，地線上沒有阻尼 ( 在實(shí)際探頭中是 0 Ω 電阻器 )。這些補(bǔ)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，請參看是德科技應(yīng)用指南 1404《高帶寬電壓探頭的保真度》。

從對單端模型的分析，可看到帶寬決定于電感值和電容值，其中對地電感 (lg) 非常重要。

在較高頻率下，對地電感會在器件接地與探頭接地之間產(chǎn)生一個(gè)電壓，從而減小探頭衰減器 / 放大器輸入端上的信號。您可通過減小對地電感來增加帶寬。這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(yīng)是非常短、又比較寬的導(dǎo)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(shí)際測量條件下，理想的接地線通常是不存在的，而且會大大降低單端探頭的可用性。

此外，給出同軸夾具中的單端探頭的技術(shù)指標(biāo)是沒有用的，因?yàn)樵趯?shí)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(qū)動的差分模型，就會看到由于正負(fù)信號連接的固有對稱性，在連接間就會存在一個(gè)沒有凈信號的平面。您可將這個(gè)“有效的”地平面視為牢固地接到器件的地平面和探頭放大器的接地端。考慮到有效地平面的存在，即可分析半電路模型，此時(shí)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以看到，差分模型的帶寬要遠(yuǎn)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(dāng)差分探頭受單端源驅(qū)動時(shí)，您可用疊加法確定總響應(yīng)。當(dāng) vcm = vp = vm 時(shí)，在電路中施加單端信號。對于疊加的第一項(xiàng)，把 vcm“關(guān)閉”；對于疊加的第二項(xiàng)，把 vp 和 vm“關(guān)閉”。第一項(xiàng)是單端信號差分部分的響應(yīng)，因此該響應(yīng)和前面的討論一致。第二項(xiàng)是單端信號共模部分的響應(yīng)，因此其響應(yīng)決定于探頭的共模抑制。如果探頭有良好的共模抑制能力，那么對單端信號的總響應(yīng)就只是對單端信號差模成分的響應(yīng)。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響應(yīng)差異。從圖 4 可以看到，這些響應(yīng)實(shí)際上并無差別。

圖 4 顯示了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(lán)色 ) 的頻率響應(yīng)，兩者都使用同樣的 7 GHz 探頭放大器。探頭的帶寬定義為探頭輸出幅度相對輸入幅度下降到 -3 dB 處的頻率。顯然，差分探頭前端的帶寬要比單端探頭前端高得多(7.8 GHz 對 5.4 GHz)。這兩種探頭因?yàn)樵谶B接中使用了正確的阻尼電阻，所以都有很高的頻率平坦度。

圖 5 顯示了對于輸入約 100 ps 上升時(shí)間的階躍信號，差分探頭所測得的時(shí)域響應(yīng)。圖 6 顯示了對于輸入約 100 ps 上升時(shí)間的階躍信號，單端探頭所測得的時(shí)域響應(yīng)。在這兩個(gè)圖中，紅色軌跡是探頭的輸出，綠色軌跡是探頭的輸入。應(yīng)注意這不是探頭的階躍響應(yīng)，而只是測量它們能在多大程度上跟蹤 100 ps 的階躍信號。為測量階躍響應(yīng)，輸入必須是非常完美的、有極快上升時(shí)間的階躍信號，此時(shí)差分探頭能顯示出比單端探頭更快的上升時(shí)間。這兩種探頭都能很好地跟蹤 100 ps 的階躍信號。

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 + 和 - 探頭輸入的相同信號不產(chǎn)生輸出。對單端探頭來說，共模抑制使加至信號輸入和接地輸入的相同信號不產(chǎn)生輸出。

差分探頭和單端探頭模型 ( 圖 1) 顯示了從探頭衰減器 / 放大器接地到“大地”的電阻和電感。這是由探頭電纜屏蔽層和大地構(gòu)成的傳輸線 ( 或天線 ) 所造成阻抗的簡化模型。這一“外模式”阻抗是非常重要的，因?yàn)樵趩味颂筋^上施加共模信號時(shí)，地電感就與該外模式阻抗構(gòu)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(gè)凈信號，并由此產(chǎn)生一個(gè)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(shí)，務(wù)必使地線盡可能短。還應(yīng)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(fù)性”部分對此有進(jìn)一步的說明。

當(dāng)共模信號施加至差分探頭時(shí)，在 + 和 - 輸入端至衰減器 /放大器上可看到同樣的信號。所產(chǎn)生的輸出將由放大器共模抑制決定，而并非由連接電感造成。

當(dāng)您檢測含有共模噪聲的單端信號時(shí)，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頭前端，圖 7 顯示差分探頭的共模抑制要比單端探頭高得多，因此在高共模噪聲環(huán)境中能夠進(jìn)行更好的測量。這是兩種探頭最常見的情況，除非單端探頭有極低電感的接地連接，但這在現(xiàn)實(shí)中是難以實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)注意這里分析的單端探頭，其共模抑制能力遠(yuǎn)好于其他許多單端探頭，因?yàn)樗牡鼐€很短。圖 7 中的共模響應(yīng)定義為 :

差分共模響應(yīng) = 20[log(voc/vic)]

這里 vic 是 + 和 - 輸入的公共電壓

Voc 是施加 vic 時(shí)探頭輸出處的電壓

單端共模響應(yīng) = 20[log(voc/vic)]

這里 vic 信號輸入和地輸入的公共電壓

voc 是施加 vic 時(shí)探頭輸出處的電壓

輸入負(fù)載效應(yīng)比較

如果您用差分探頭前端和單端探頭前端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頭前端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(jìn)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。紅色軌跡是施加差分源時(shí)所看到的差分探頭阻抗。綠色軌跡是施加單端源時(shí)看到的差分探頭阻抗，藍(lán)色軌跡是施加單端源時(shí)看到的單端探頭阻抗。圖 8 中標(biāo)注了這三種情況的直流電阻、電容和最小電感值。應(yīng)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(fù)性

測量的可重復(fù)性是與高頻探頭相關(guān)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(yīng)造成探頭測量結(jié)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(shí)際上遠(yuǎn)比所示的探頭模型復(fù)雜，因?yàn)樘筋^、手和電纜位置都會給未經(jīng)屏蔽的傳輸線 ( 或天線 ) 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，就會發(fā)現(xiàn)它可以導(dǎo)致響應(yīng)變化。此外，由于外模式阻抗也是共模響應(yīng)中的一個(gè)因素，因此該阻抗的變化也會造成共模抑制的變化。接地連接的阻抗越高，響應(yīng)的變化就越大。

通過改變外模式阻抗分析差分模型，可以發(fā)現(xiàn)這一變化只引起很小的響應(yīng)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(yīng)變化可得到很大的衰減。從第 5 頁的圖 4 中可以看到，差分探頭的響應(yīng)要比單端探頭平滑得多。單端探頭響應(yīng)中有許多由外模式阻抗的變化所造成的“擾動和扭曲”。當(dāng)阻抗變化時(shí)，響應(yīng)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來減小外模式阻抗的變化量，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(yīng)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，可以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(shí)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(jié)果，此外價(jià)格較低，而且由于探頭前端較為簡單，因而體積也較小。從物理上考慮，小探頭能伸入到狹窄的地方進(jìn)行探測，也能把多個(gè)探頭接到非常密集的被測點(diǎn)。因此在一個(gè)探測系統(tǒng)中，探頭最好是既能作差分檢測，又能作單端檢測。

總結(jié)

由于地跳、串?dāng)_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(lǐng)域中使用的測量設(shè)備，差分檢測是必不可少的要求。因?yàn)椴罘痔筋^中信號連接之間的有效地平面比單端探頭中的大多數(shù)實(shí)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(jià)格低，您可用它們來檢測差分信號和單端信號。