用10倍探头制作柠檬水

10倍探针

这个名字很容易误导人。10x探头不会在被测设备(DUT)尖端的信号和示波器的输入之间给您10的增益。恰恰相反，它实际上是1/10^th调查。它通过与尖端串联添加9 Meg欧姆电阻并假设示波器将设置为1 Meg输入来实现这一点。这是直流的10:1分压器。

如果这是它所做的一切，由于高串联电阻和电缆的输入电容以及示波器的输入电容产生的低通滤波器产生的带宽将小于10 kHz。作为一个瞄准镜探测器，它是毫无价值的。

使10x探头能够以更高的带宽工作的是与低通滤波器并行的高通滤波器。通过匹配低通和高通滤波器的极点频率，10x探头的响应可以在高带宽上“均衡”，通常在100-500 MHz的量级上。

均衡电路的一个重要元件是在9 Meg电阻上并联9.5 pF电容。

当10x探头与长接地引线一起使用时，该回路可以增加高达200nh的环路电感。

被测设备(DUT)看到的10倍探头尖端的等效电路模型如图1所示。这种循环有两个明显的结果，还有一个不那么明显。

作为柠檬的10倍探针

与普遍的看法相反，由DUT看到的10x探头的输入阻抗看起来不像9 Meg电阻。相反，它看起来像一个9.5 pF的电容器。这可能看起来应该是一个非常高的阻抗，但在100 MHz时，9.5 pF电容器的阻抗只有大约160欧姆。这比9兆欧姆低得多。

在串联LC谐振频率下，探头的阻抗最小。在这些电感和电容的典型值下，该串联谐振频率约为100mhz。这个电路的特性阻抗是150欧姆。

这意味着100兆赫的频率分量将通过尖端。根据源的相关串联电阻，当源电阻远小于150欧姆时，该电路的Q值可以从小于1变化到大于10。在高Q值的情况下，传递函数出现更多的峰值，示波器在谐振频率处测量到更明显的振铃。

当然，一种解决方案是在尖端使用一个较小的环路，使谐振频率超过探针的带宽。

两种工程师....

在尖端使用大循环还有另一个重要的后果。当我们把信号和返回导体拉得更远时，我们也在制造天线。除同轴外的任何针尖几何形状都容易受到本地射频环境的干扰。

这就是为什么我们经常说，“有两种工程师，一种是故意建造天线的，另一种不是故意这样做的。”

尖端的几何形状越敏感，它的辐射效率也越高。这意味着在信号返回回路中流动的电流将辐射。

当我们探测高带宽源时，例如具有几秒上升时间的数字信号，我们通常认为10x探头是高阻抗，不会从被测件吸取任何电流。但是，如果信号上升时间为3 nsec，则信号的带宽为0.35/3 nsec ~ 100 MHz。在100mhz时，10x探头的阻抗为160欧姆。对于一个3.3 V的信号，上升时间为3秒，在100兆赫时，尖端回路中可以有多达20毫安的电流。

这样做的结果是，探测高带宽电路的过程是将电路板上的一些信号转换为电路板附近的辐射发射。

当您在测量相邻引脚上的开关信号的同时尝试测量一个引脚上的串扰时，您冒着测量的不是引脚上的串扰，而是从攻击探针到受害者探针的电感耦合噪声的风险。这可能是一个很大的信号。

作为一个例子，图2显示了从一个10x探头测量的信号，观察一个开关数字信号，近场从相邻的10x探头拾取噪声，其尖端和接地引线短接在一起，但没有连接到任何东西。在3.3 V的开关信号下，探头之间的电感耦合串扰噪声峰值高达1.5 V。还请注意，瞬态边缘激励的振铃频率约为100mhz，即尖端电感和9.5 pF并联电容器的串联谐振频率。

意想不到的大电流，流动在尖端接地回路将耦合到附近的任何其他10倍探头。当使用两个接近的探针时，这种耦合可能会给您尝试测量的任何低电平信号添加伪影。您可能认为您正在测量另一个引脚上的电压噪声，但实际上，您正在测量来自另一个探头近场辐射的电感耦合拾取噪声。

柠檬水，10倍探针

这个10倍探头对近场拾取敏感的问题可以变成一个特征。通过缩短尖端和接地导线，我们现在有一个可以嗅出变化磁场的拾取线圈。该探头可用于评估电路板的近场辐射发射。这种发射可能是远场辐射发射的前奏，而远场辐射发射可能无法通过EMC测试。

电路板布局的设计将极大地影响电路板的辐射发射量。接地面的目的是为返回电流提供低阻抗，并将返回电流限制在信号路径附近。

当返回路径混乱时，它们不是一个连续的平面，而是有间隙的平面或离散的线，电路板的近场辐射发射会急剧增加。当电流流过电路板上的这些信号返回路径回路时，产生的发射可以被附近的10倍探针回路拾取。

图3显示了两个电路板的示例，每个电路板都具有相同的电路，但返回路径不同。与良好的返回路径相比，10倍探头中的近场拾取在返回路径较差的电路板中高出12倍以上。

每种情况下的电路都是相同的，只是一个定时器芯片驱动一个十六进制逆变器，总共驱动大约100毫安到三个led。来自十六进制逆变器的一个I/O用作触发信号，并由示波器使用板载SMA连接器与同轴电缆进行测量。

在电路板周围移动范围探头，以找到近场噪声的最大拾取位置。在回程主要由单个走线组成的电路板上，感应耦合拾取噪声峰值高达700 mV。在具有连续返回路径的电路板上，最坏情况下拾取噪声峰值到峰值小于50mv。这是一个戏剧性的例子，说明了回程设计对减少排放的重要性。

应该始终注意的是，仅仅因为电路板有很强的近场发射，这并不能表明电路板可能会有远场发射。一些近场发射可能比远场的1/r偶极子发射下降得快得多，并且可能无法通过EMC测试。

总结

当处理高于10mhz的信号带宽时，10x探头的输入阻抗远低于其9meg输入电阻。尖端环路电感可以像天线一样工作，既可以从它测量的信号中辐射，也可以从其他探头中拾取噪声。当使用10倍探头时，要注意这些细微的伪影。

另一方面，如果您想要感知电路板的近场发射，则可以利用10倍探针尖端环路电感的天线特性。毕竟，每个实验室至少有一个。