探头进阶之——探头技术探讨

频率达数千兆赫兹的信号能被高保真地捕获检测吗？

假如你要测试的是数千兆赫的信号，那么选择合适的测试探头并确保你的印制电路板适合这些探头可能就像选择合适的示波器一样重要。实际上，你对探头的选择也许决定了你对示波器的选择。
　　假如你的信号甚至在到达你新的 6 GHz 带宽实时采样数字示波器的输入放大器之前就已失真得无法识别，则你所在公司的管理部门就会断言：在示波器花大约 6 万美元去买一台示波器来做测试实在是一个馊主意。在你推荐购买这样一台示波器之前，你本应该解决有关如何将信号输入到示波器的一些棘手问题。如果你未做这样的基础工作，那么过去与你共事的人很可能会记住你就是那个出馊主意的人。简而言之，要成功地捕获到频率高至 5 GHz 和超过5GHz的信号要比探测频率较低的信号棘手得多。
　　对信号探测的疏忽可能会使你必须重新进行高速印制电路板的版图设计。元件不断小型化，引线间距日益缩小，低压差分技术愈来愈多地用来实现更高速率的数字数据传输，这一切都要求你从电路板设计开始，就要把信号探测牢记心上。如果你不这样做，就可能要付出代价，丧失你的项目甚至会丢掉你的工作。
　　幸运的是，示波器制造商已敏锐地意识到了信号探测的重要性和越来越大的难度。他们设计和生产的新型探头的应用目标就是减轻那些必须查看数千兆赫信号的电路板设计师的负担，不过负担的减轻会伴随着高昂的成本：即带宽为5GHz或6GHz的差分有源探头，一套四件的价格通常要达到不带探头的整个 6 GHz 带宽示波器的将近一半。而如果你增加高端示波器常用的大量选件中的任何一件，并且订购的是附带有四个宽带差分探头的高端示波器，则你的采购费用总额可能要超过 10 万美元。

　　差分的差别
　　探测宽带差分信号实际上必须使用有源差分探头（参考文献 1）。在较低频率下，使用单端探头来获取一对对通道上两个信号之差证明是可行的，但在较高频率下，这种方法则几乎注定要失败。除非你把单端探头的地线长度限制在几毫米之内，否则，流过地线电感的相当大的高频电流就会导致相当大的交流压降，从而使信号失真到不能使用的毫无意义的程度。获取一对单端探头的输出之差几乎无望挽救这种局面。地线连线的交流压降和示波器通道的高频特性都不可能适当地加以匹配。另外，这种方法要用2个示波器通道才能获得一路差分信号，从而就把你的四通道示波器实际上降为双通道示波器了。
　　宽带差分探头可排除或大大减轻这些问题。考虑到相关的频率，这种探头的 CMRR （共模抑制比）好得惊人，在数千兆赫的信号下通常超过 26 dB (CMRR为20:1)。再则，这种探头的两条信号连线通常已够用，因此，你无需再用另一根连线将探头接地连接到你的电路接地上。当你确实需要这样一根连线时，它传送的电流通常足够小，使该连线长度通常可放宽到超过一英寸长，而且不需要不方便的几何形状，换句话说，这根连线不必是一块又宽又平的金属片连线。
　　差分探头的主要缺点在于它们的尺寸和成本都比单端探头稍大一些。有几种宽带差分探头有一个可能出人意料的优点，就是当你把它们用于单端探测时，你可以不必连接其中的一个输入，不需要把它接地或以其它方式端接之。

　　电阻值是奥妙所在
　　使用带宽超过约 3 GHz 的示波器带来的问题是，此类仪器一般不把较窄带宽示波器的1MΩ输入阻抗（实际上就是并行 R-C 输入电路的电阻分量）作为标准功能来提供。宽带示波器具有一个纯电阻性的50Ω输入阻抗。那些具有1MΩ输入阻抗的宽带示波器可通过一些与示波器的宽带输入连接器配对的适配器选件来做到这一点。安装这些适配器通常会使示波器带宽减少到 500 MHz。一些带宽为 3 GHz 以下的示波器可使你在 50Ω和1MΩ两种内部输入电路之间切换，在输入阻抗为1MΩ时带宽仍然是 500 MHz。3 GHz 带宽极限是多条错综复杂信号路径带来的后果，因为多条错综复杂的信号路径必定要进行阻抗切换。这些信号路径使人们不能如实地获得频率超过 3 GHz 的、包含很大能量的信号。
　　在大量的宽带示波器应用中，50Ω 输入阻抗使人们必须使用某种探头。在许多此类应用中，通常会使用无源衰减器探头。这样的探头始终是单端探头。超宽带无源探头通常具有 500Ω 的直流输入电阻和1/10 的信号衰减，或者具有1000Ω直流输入电阻 （和1/20 的衰减）。
　　一个关键参数是探头的输入电容。最好的宽带无源探头的输入电容小于0.25pF 。在频率达到6GHz 时，这一电容的电抗略高于100Ω。这一电抗是与500Ω或1000Ω电阻并联的，从而就大多数用途而言，可将它忽略不计，但有可能导致与你为了帮助探头及其地线连接到测试点而增加的某些引线的电感发生串联谐振。在一些宽带有源探头中，输入电容并不单独与探头的输入电阻并联。这一特点代表了某些有源宽带探头的另一个优势。

　　不同的理念
　　目前，世界三家主要的宽带数字示波器制造商--安捷伦 (Agilent)公司、LeCroy公司和泰克 (Tektronix) 公司，不仅制造示波器也提供探头。这三家公司都把示波器和探头的组合看作是一个系统。虽然你有时候可以把一家制造商生产的宽带探头，与另一家制造商生产的示波器一起使用，但这种组合几乎总是造成性能的折衷和操作不方便。假如你使用的探头是制造商为了与你的示波器配套使用而设计的，那么这些问题就不会发生。例如，虽然主要的模拟信号接线可以使用兼容的连接器，但那些能使示波器为探头供电并把衰减比率等辅助信息从探头传送到示波器的连接器在不同制造商的产品之间一般是不兼容的。
　　由于这些制造商最近采用了明显不同的宽带探头设计理念，因此，如果有人说你对探头的选择可能决定了你对示波器的选择，这未必是言过其实或者是本末倒置。近来，最重大的发展就是安捷伦公司和 LeCroy 公司认识到，设计具有高速系统设计师需要的所有属性的有源探头，需要对探头的输入电容和信号源与探头输入端之间的连线电感之间产生的谐振进行电阻性阻尼。阻尼电阻必须靠近信号源；如果你像一些探头设计已经尝试过的那样，把阻尼电阻放在离探头体最近的连线一端，那么你就无法实现预期的好处。
　　这一认识连同其它许多设计要求，导致安捷伦公司设计了 InfiniiMax 探头系列（图 1）。这些探头均把一个微小的无源阻尼电阻器和电阻分压器放置在距离信号源几毫米的范围内，并使用几英寸长的柔性同轴电缆把这套微型组件连接到探头体的有源电路上。泰克公司坚持说，安捷伦公司并没有创新宽带探头中的电阻阻尼，而泰克公司已经使用该技术多年了。安捷伦公司反驳说，泰克公司并没有始终把阻尼电阻器放在信号源附近，并且至少到目前，该公司还是不愿意把阻尼电阻器与探头体分开。据安捷伦公司说，由此产生的单件式设计迫使用户努力使探头体非常靠近测试点，以至于探头无法适应，尤其是在探头必须接触间距很近的引脚上的差分信号时更是如此。


图1 安捷伦公司的InfiniiMax探头有各种构置形式（从上到下）：差分浏览器、差分焊合、差分插座、单端焊合、单端浏览器。探头本体（此处没有显示）与照片右侧的连接器匹配，包括探头放大器。该放大器为同轴电缆右手端提供来自探测头（左手远端）的Z0端接。所有的探头形式中，探测头中的衰减器为同轴电缆左手端提供Z1端接。
　　泰克公司最新的差分有源探头是带宽为5 GHz的P7350，它通过有源电子元件的极端小型化解决了这个问题（图 2）。对于包含如此复杂的电子元件的部件来说，这种探头的体积小得令人吃惊，即使是这种探头设计就象安捷伦的 InfiniiMax 探头一样，接触测试点的部分和包含放大器的部分之间也不允许存在几英寸长的柔性电缆连接。


图2 泰克公司的5GHz带宽97350差分探头把有源器件置放在靠近探测头顶尖的地方，而且仍保持探测头做得非常小。两个探针的中心仅为0.1英寸，右上所示长方形连接器用于该公司的TekConnect系统，此系统为示波器提供辅助信息，如探头的衰减量。

　　探针方式
　　用过传统窄带示波器探头--甚至是无源探头--的人都很熟悉浏览器配置，这种浏览器配置可用来迅速接触并观察大量信号。人们历来一边手握探头一边浏览，但是，目前你必须探测的高速元件的微小几何结构要求用比人手更稳定的装置来夹持探头。现在，电气工程师们浏览时，探头通常是安装在小型操纵器或支架上的（图 3）。


图3 LeCory公司的WaveLink探头系统，包括一个7GHz带宽的器件，当将它与该公司的6GHz示波器一块使用时，此带宽已足够使用，WaveLink探头为示波屏提供6GHz带宽。姆指旋转调节探针间距，范围为0~0.3英寸。展示的探头安装在一个支架上，该支架为探测间距相近的细间距PC板印制线提供必须的稳定度。
　　插头直接焊接到被测印制电路板上或者插到电路板插座里的探头是较新的研发成果。如果你能够识别你将经常连接的数量有限的信号，而且你的探头使用串联阻尼电阻器和衰减器来驱动电路板和探头体内放大器之间的连线，则这些配置就特别方便。
　　除了与超高速电路板建立多条牢固的连线之外，这些方法还把探头的输入电容降到了最低程度。当然，你的电路板必须包含与探头插头焊接的焊盘或与探头插头配对的插座。另外，电路板的电路设计不仅必须预期到把信号从真实的信号源（通常是集成电路的引脚）传送到焊盘或插座的印制线的驱动要求，而且至少对于带有插座的电路板来说，还必须预期到由未端接的短截线引起的反射所带来的种种问题。假如你想在不插入探头的情况下使用电路板，这些短截线可能是个问题。
　　LeCroy 公司的最新差分有源探头系列-- WaveLink 系列，其中有一种探头具有 7 GHz 额定带宽--侧重于浏览。拇指轮使你能将镍钛合金探针之间的间距在零英寸（探头接触）和 0.3 英寸之间调节。这一间距调定之后，你可以扭动或弯曲这些探针，不必担心它们会损坏或永久变形。与这种设计相比，泰克公司的 P7350 的探针间距是固定不变的。LeCroy 公司说，WaveLink 探头的机械与电气体系结构有利于增加不同探针方式的设计，此类探头很可能将在 2003 年年内面世。

　　更低的输入电阻
　　在设计 WaveLink 探头时，LeCroy 做了一个不同寻常的决定，使输入阻抗的电阻分量相当低--正相输入端和反相输入端之间的额定电阻是 4kΩ。由于这个电阻值比安捷伦公司和泰克公司的差分探头的输入电阻值小得多，因此你也许会认为它太小了。但是请记住，在频率仅为 159 MHz 时，仅为 0.25 pF 的输入电容--在没有串联阻抗的情况下--也会使一个 4kΩ电抗与 4kΩ输入电阻并联，并使输入阻抗降低到 2.8kΩ。在没有电阻或电感与输入电容串联的情况下，输入阻抗的电抗成分在频率每增加一倍时都会减半。因此，在探头通带的五个以上倍频程范围内，即使是 4kΩ那样小的电阻也会成为学术上的大事。
　　除了使输入阻抗在更宽的频带内比更高的电阻更接近恒定不变以外，低输入电阻还允许你在探头的输入放大器前面插入较小的衰减值，从而改善探头的 SNR。与具有较高输入电阻的探头相比，较低的 SNR 可使增加到小振幅信号（比如在高速差分信号传送中常见的小振幅信号）的抖动较小，因此可提高抖动测量的准确度。你也许会认为，低输入电阻会使 WaveLink 探头比那些具有较高输入电阻的探头更容易受到过压的损坏，但 LeCroy 公司说，Wavelink探头并没有因无意中加上 25V 直流电压而损坏。
　　当安捷伦公司推出 InfiniiMax 探头时，该公司在表达这些探头的输入电容的方法上出了问题。可能大到 0.7 pF的输入电容值，取决于探头是单端的还是差分的,也取决于探头的实际方式。由于数据表中没有包含等效电路，你就会很容易得出错误结论，即0.7 pF的输入电容并联在探头的输入端上，就像大多数示波器和探头的输入电容那样。要是真是这样，那么在 6 GHz 时，输入阻抗将主要由略低于 38Ω的容抗构成。
　　然而，与普通探头的输入电容不同的是，InfiniiMax 探头的输入电容并不单独并联在探头的输入端上。图 4 的简化等效电路表明有一个大约 200Ω的电阻器 R1与输入电容串联。在插座配置和焊入式配置中，这一电阻器存在于与被测件上的探测点接触的小小组件中。这一串联电阻器不仅设定了探头输入阻抗的下限，而且还对串联电感和把探测点连接到输入衰减器的连线上的分布电容之间不可避免的谐振进行了阻尼。衰减器保护探头的输入放大器，并且与连到放大器（它驻留在探头体内）的同轴电缆的 Z0（特性阻抗）匹配。放大器的输入阻抗也是 Z0，因此同轴电缆的两端可连接合适的负载，从而可用几英寸长的柔性电缆把探测点与探头体分开。事实上，如果电缆没有介电损耗的话，这根电缆可以长到英寸，介电损耗在数千兆赫以上时会变得很重要。


图4 各种结构的安捷伦InfiniiMax探头（图1所示）有不同的电气特性，但规定的输入电容量从不直接出现跨接输入的现象。阻尼电阻器R1总是采用串联形式。
　　探头和被测件之间的相互作用是不可避免的。但是，如果因连接探头而改变了信号的性质，那么，当没有探头给信号源加载时，你如何确定信号在正常工作中是什么模样？答案就是你必须使用建模，并且逆向工作。有了探头及其驱动电路的良好模型，你就可以用数学方法来推断在驱动信号源未加载时的波形。
　　如果制造商提供一个非常详细的探头电路模型，则推导信号源的未加载波形可能是一种纯数学实践。不过，有些探头制造商还提供特性描述装置来帮助从事信号完整性工程师，因为这些工程师通常对探头特性描述有特殊的要求。信号完整性工程师把这些装置与向量网络分析仪等仪器配合使用，以构建自己的探头模型。LeCroy 公司的特性描述装置是随 WaveLink 探头免费提供的。
　　此外，探头制造商们对于他们是否应该单独对探头的加载效果和传输效果进行特性描述争论不休。反对单独特性描述的论据是，如果你在没有对信号源加载的情况下观察不到信号源的输出波形，那么你想知道的仅仅是探头的输入波形和输出波形。赞成单独特性描述的论据是，加载效果取决于信号源的特性，尤其是信号源的内部阻抗，这是信号源的属性而不是探头的属性。如果你把与信号源有关的效果和与探头有关的效果混为一谈，那就弄不清被测件的真实特性。
　　另一场十分类似的争论则与示波器和探头的组合特性有关（参考文献 2）。不幸的是，你不能使用那些适用于窄带示波器和探头的规则来确定超宽带示波器和探头的综合上升时间和带宽。超宽带示波器和探头的，式中 TR 是示波器加上探头的上升时间的 10~90%，TS 是示波器的上升时间，TP 是探头的上升时间。例如，安捷伦公司说，其6GHz 带宽 Infiniium 示波器的上升时间的 10~90% 是 70 ps，而且，在没有示波器的情况下，用来与该示波器配套使用的 InfiniiMax 探头具有大于7GHz的带宽。这两种带宽都是在 -3dB 点。不过，当你把探头连接到示波器时，从探头探针到屏幕的带宽仍然是 6 GHz。据推测，没有带探头的示波器的带宽稍大于 6 GHz，通过探头送来的信号的上升时间由示波器显示出来，则略大于 70 ps。当然，不论有没有探头，你都必须利用一个上升时间远小于 70 ps的信号来测量示波器的上升时间。该信号还必须没有或几乎没有过冲。然而，这样的信号源是很难找到的。

　　连接器：痛苦所在
　　窄带示波器使用 BNC 同轴连接器。这类连接器到处都有，其卡口式连接使它们在配对使用时很可靠，而且配对使用还是拆开使用都很方便。不过，标准 BNC 在信号频率超过大约 4 GHz 时就不可靠了。问题在于，在反复插拔的情况下，面板安装的 BNC 中的弹簧销可能会失去部分弹力，并产生高电阻屏蔽连接，这种连接的特性会随着你摆动电缆或插拔连接器而变化。在频率为 4~26.5 GHz 时，符合工业标准的同轴连接器是 SMA，它出众的可靠性归功于它使用压下罩作为锁定装置。
　　LeCroy 公司和泰克电子公司都在各自的超宽带实时采样数字示波器上使用模块化输入连接器系统。这些提供 SMA 接口的模块之所以最受欢迎，是因为它们使人们能够充分使用示波器的 6 GHz 带宽。这两家公司还提供 BNC 模块。你可以买到的这类模块，其内部网络把示波器的 50Ω输入阻抗转换成 1 MΩ。不过，转换到较高的输入阻抗会使带宽降低到 500 MHz。
　　安捷伦公司在其6GHz带宽 Infin-iium 示波器中使用的是另一种方法。输入连接器是与BNC兼容的，但并不是真正的 BNC（图 5）。它是一种独创的17.9 GHz专有连接器，采用空气介质和一种锁定机构。这种锁定机构可与 BNC 配套使用，但也适应既用卡口式连接又用螺丝锁的专有配对连接器。一旦这种螺丝机构把电缆安装的和面板安装的配对连接器的各一半锁在一起，你就无法使配对连接器的各一半相对移动了。因此，这种设计消除了常规 BNC 在高频率下工作不可靠的主要原因。


图5 在示波器端，安捷伦的InfiniiMax探头使用一种特殊的BNC兼容连接器，其性能规定为17.9GHz。在实际使用中不需要6GHz示波器的全带宽，示波器采纳标准的BNC带宽。将BNC的卡口锁与螺口锁相结合，这种新的连接器克服了标准BNC的高频不稳定性的主要来源。
　　对于安捷伦公司的有些示波器客户来说，这种连接器很可能会比 SMA 更好。安捷伦公司提到了它提供的大量配备 BNC 的附件。许多 6GHz 频段的示波器的潜在客户已经将这些附件与带宽较窄的安捷伦示波器一起使用。虽然这些附件上的 BNC 都可以与新型示波器的输入连接器配对使用，但新型示波器与此类附件中的很多附件一起使用时都不能正常工作，或根本不能工作。其原因在于，除了电缆之外，许多附件是用来驱动1MΩ输入的，因此不能驱动6GHz 示波器的50Ω输入。电缆虽然可以使用，但却不能可靠地使人们充分使用示波器的整个带宽。不过，安捷伦公司说，假如有足够多的客户需要的话，它将提供一种1MΩ的适配器。