为什么无源示波器探头有这么多的接地连接选件？

作者：Art Pini

大多数示波器都配备了一套用于通用应用的无源探头。这些探头通常包括一个附属套件，内含许多连接选件（图 1）。

图 1：无源高阻抗示波器探头的典型附属套件提供了多种连接选件。（图片来源：Teledyne LeCroy）

该图显示了 Teledyne LeCroy PP008-1 型号的高阻抗无源探头提供的附件。大多数制造商都包括类似的连接器件。你可能会想，为什么会提供这么多将探头接地的器件。答案是，接地连接对高频测量有很大影响，所以探头附带的器件有助于确保最佳的接地连接。

一个典型的 500 兆赫 (MHz) X10 探头的电路模型包括阻性、容性和感性元件（图 2）。

图 2 ：500 MHz X10 无源探头的电路模型包括接地引线电感以及电阻和电容。（图片来源：Art Pini）

从测量点看，探头看起来像一个 10 兆欧 (MΩ) 的电阻与一个 9.5 皮法拉 (pF) 的电容并联。接地侧包括接地连接的串联电感。对于一个典型的 4.5 英寸 (in.)（11.4 厘米）的接地引线来说，电感量约为 200 皮法拉 (pH)。

在频率低于 20 MHz 的情况下，接地引线的电感没有什么影响。10 MΩ 的电阻基本上可以忽略不计，电感 (L) 和电容 (C) 形成一个串联的 LC 电路，在 115 MHz 时产生谐振。电感的作用是使探头的响应达到峰值，从而将任何信号的高频成分放大。理想情况下，接地引线不应该用于频率成分超过 20 MHz 的信号。

那么，我该如何连接探头以使用全部带宽呢？我们的想法是使用一种连接方法，将导线的电感降到最低。图 1 顶部所示的接地弹簧就是一个很好的解决方案。探头尖端连接到测量点，而接地弹簧连接到最近的电路接地点。只要确保插入弹簧，使卷绕部分完全被探头的接地环短接。

通过使用接地刀片可以实现略低的电感量。与接地弹簧的圆柱形导线截面相比，刀片的扁平金属实现了更少的电感。使用连接到电路接地的铝箔地平面，可以更容易地将接地刀片连接到良好的接地上（图 3）。

图 3：接地刀片连接到焊接在集成电路上接地引脚的铜箔接地平面。（图片来源：Teledyne LeCroy）

在这个例子中，Teledyne LeCroy PP007-WR-1 无源探头使用接地刀片将探头与焊接在集成电路接地引脚上的铜接地平面相连。一个 IC 探头盖引导探针尖头定位到 IC 测试点引脚，而绝缘延长杆则在配合 IC 引脚间空隙，以提供稳定性。

下一个明显的问题是：这些接地连接在测量时各有什么差异？让我们来比较一下。图 4 显示了对一个渡越时间为 750 皮秒 (ps) 的脉冲（信号带宽约为466 MHz）进行的四个重叠测量。每次测量都使用了不同的接地技术。

图 4：比较渡越时间为亚纳秒级的窄脉冲的测量响应。红色轨迹是使用同轴连接获得的，是这里的参考信号。（图片来源：Art Pini）

红色轨迹是使用同轴连接获得的信号，作为参考标准。蓝色轨迹是使用标准 4.5 英寸(11.4 cm) 的接地引线获得的。请注意，导线的高串联电感导致了一个大的过冲。绿色轨迹是使用接地弹簧的响应。这个响应肯定比接地引线的响应好。黄色轨迹是接地刀片的响应，只比接地弹簧稍好。

结语

当使用高阻抗无源探头测量频率成分高于 20 MHz 的信号时，我们应该使用尽可能短的接地引线。这就是为什么探头附属套件中有这么多选择的原因。