测量示波器探头需要两个示波器通道和一个非常平坦的信号源开云体育官网登录平台网址

获得准确的测量数据需要准确的知识和对探头和夹具影响的考虑，或者在测量之前消除这些影响的校准方法。矢量网络分析仪(VNA)用户在进行测量之前对测量装置和固定装置进行完整的校准。这一过程确保了准确的测量，由于设置被移除或去嵌入的工件。

示波器用户也可以校准他们的无源示波器探头，尽管这个过程要简单得多，而且由于缺乏更好的术语，错误。校准过程一般也不能包括“夹具”。这篇简短的文章向您展示了要测量的内容和准确测量探头响应的方法。除了探针之外，还有其他需要消除的错误。最重要的是，本文将向您展示如何准确地测量无源探头响应。

探头频率响应

理想情况下，示波器在探头带宽范围内具有平坦响应，其次是单极响应，在探头带宽处为-3dB。

典型的无源示波器探头提供一到三次补偿调整，以实现所需的平坦响应。大多数示波器还提供脉冲校准信号作为信号源，与示波器探头配合使用，在示波器上显示脉冲。然后使用探头补偿调整来实现平坦响应和正确的信号幅度。不幸的是，在这个过程中有一个谬误，结果并不像你想象的那么好。原因如下:

示波器探头尖端的解剖

示波器探头由一个金属尖端和一个内部补偿的高阻抗分压器组成。然后连接到补偿调整电容器和探测电缆，并最终连接到与示波器配套的连接器。

一个典型的示波器尖端如图1所示。暴露的尖端是电感的，而补偿的分压器和示波器筒呈现电容阻抗。使用VNA测量阻抗尖端，我们可以直接测量电容和尖端电感。电感和电容结合在一起，在频率上形成串联谐振，可计算为:

在该探头中，谐振频率约为700MHz。

那么，我们校准示波器探头的方式有什么问题呢?

使用脉冲源进行示波器探头校准有三个非常简单的要求:

1. 由于在探头尖端不监测信号电压，因此信号发生器的阻抗必须比探头尖端的阻抗小(10dB是一个合理的最小间隔)。
2. 校准信号必须具有平坦的频率响应
3. 校准信号的上升/下降必须高于探头的带宽(10dB是合理的最小分离)。上升/下降时间可计算为:

考虑到10dB的最小分离要求使用大于2GHz带宽(700MHz +10dB)， 170ps上升/下降时间(500ps -10dB)和630mOhm源阻抗(2Ω -10dB)的平坦响应发生器进行校准。

不幸的是，校准信号发生器是50Ω信号，通常边缘速度明显低于所需的170ps。因为我们无法准确校准或移除探针，我们的数据可能会受到严重影响，换句话说，是错误的。

我们需要一种不同的方法来精确测量探针

第一个要求可以通过测量示波器尖端和后端的电压来解决。这消除了对60mΩ信号发生器阻抗的需要。采用低重复率、快速的边缘脉冲发生器可以满足宽带宽和平坦响应的第二个要求。脉冲信号的频率响应在由上升/下降时间决定的带宽范围内非常平坦，如式(2)所示。

在下面的示例中，我使用的是Picotest J2151A口袋大小的信号发生器，但也可以使用任何等效的平坦响应快速信号发生器。J2151A的上升/下降时间约为34ps, NIST可追溯校准数据显示10.5GHz的-3dB带宽和700MHz的0.1dB平坦度。

J2151A包括一个15GHz，2-resistor功率分配器是测量探头尖端电压的关键。图3中的设置图显示了信号发生器和2电阻功率分压器。使用探针头适配器(不包括在内)连接探针，安装图如图3所示。

当信号发生器为50Ω时，功率分压器的一个支腿将探头端连接到50Ω示波器输入端(CH3)。这种连接使尖端电压衰减了6dB，这在探针参数中进行了校正，但也允许通道的全带宽。CH4的探头输出测量探头后端的电压。

探针后端电压的电压谱除以探针尖端电压的电压谱，就得到了与尖端载荷无关的探针传递函数。探头延迟也被视为输入和输出示波器走线之间的延迟(分别为CH3和CH4)。

去除嵌入所需的探头尖端阻抗可以从VNA中获得，如图1所示，但也可以从CH3处的电压谱响应中得出。或者，可以使用数据表中的典型探头尖端电容来估计。

还有一些障碍

虽然这种测量使用探针头适配器提供了准确的响应，但增加接地引线也会显著影响响应。这种引线很难解释，因为它是柔性的，因此如果引线移动，电感会发生变化。测量应在接近实际测量的配置中进行。

另一个问题是，通常被探测的电路包括一个探针头适配器或头。这些包括连接到被测量信号的PCB走线。这些走线增加了额外的电感，以与探头尖端电感相同的方式出现。这些迹线还包括为使探头精确地倾斜或去嵌入而应包括的延迟。

峰值变平

示波器探头的峰值可以通过与探头尖端串联插入电阻来抑制。电阻器的值由尖端和PCB走线电感和尖端电容估算，如公式3所示。

这个额外的电阻可以显著地使探头响应变平，尽管它也可以减少探头的带宽。使用图1中的探头，电阻器的影响如图4所示。没有电阻，探头显示峰值约为25dB。增加一个40Ω电阻器可以实现接近平坦的响应，而插入一个80Ω电阻器会使响应过阻尼并减少探头带宽。

并不是所有的探针都能很容易地校正。一个简单的电感和电容共振可以用串联电阻来抑制，但不是所有的探头都有这样的响应。图5所示的探头响应显示出不均匀的平坦度，但没有可衰减的可识别的峰值。如果这种非平坦响应不能通过调整得到补偿，则必须使用后处理软件对探头进行反嵌入处理，否则探头的可用带宽将大大减少。

这种方法也适用于主动探针

有源探头的尖端电容要小得多，这有助于实现平坦响应，但更高的带宽也对信号发生器的要求提出了挑战。

考虑一个典型的有源探头，其最大指定尖端电容为1pF。通过连接一个50欧姆的源来测量探头响应，其带宽限制为:

应用我们的10dB规则，这将只允许在实现这一目标时测量大约1GHz。测量4GHz功率轨探头需要测量尖端电压，并使用边缘速度约为12GHz的信号。J2151A对此有点慢，但将提供不错的结果，尽管不是那么准确。

也可以通过用短长度的高质量、高带宽的同轴电缆代替探头来评估设置的平整度。评估的结果如图6所示。结果是平坦的，在1GHz以上有一些纹波，3dB带宽约为7GHz。这与10GHz范围带宽是一致的，10.5GHz信号发生器会稍微减少10GHz范围带宽。

将同轴电缆替换为实际的有源探头(在本例中为TPR4000电源导轨探头)，测量结果如图7所示。为了提高精度，应该从探头测量中减去短同轴电缆的测量，尽管直接探头测量显示的带宽为4GHz。

总结

探针的尖端和电感对探针的性能有重要的影响。除了少数情况外，直接使用50Ω信号测量探头是不够的。另外两个教训是，虽然我们经常需要使用接近其带宽的探头，但了解探头(和示波器)响应以获得准确答案至关重要。此外，这种多余的尖端电感也被引入印刷电路板走线，以使信号到达方便的探测位置。这些印刷电路板走线也会影响探针响应和探针峰值。将来，示波器制造商可能会为此测量增加校准和去嵌入。

这里展示的方法使用快速边缘信号发生器、示波器和电压谱划分作为VNA来测量探头的频率响应。仍然存在误差，例如，甚至范围探头尖端适配器也增加了一些电感。示波器本身在额定带宽范围内不是完全平坦的。

接下来，我希望使用GaN驱动器执行高速脉冲响应测量，以证实这些测量和方法。也许在以后的文章中，我也会展示如何从这个测量中提取探针尖端的阻抗。