获得准确的测量数据需要准确的知识和计算探头和夹具的影响或校准方法，以在测量之前消除这些影响。矢量网络分析仪(VNA)用户在进行测量之前对测量装置和夹具进行完整的校准。这一过程确保了精确的测量，由于设置删除或去嵌入的工件。

示波器用户也可以校准他们的被动示波器探头，尽管这个过程远没有那么复杂，而且由于缺乏更好的术语，错误的。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测量什么以及准确测量探针响应的方法。除了探针之外，还有其他需要删除的错误。最重要的是，本文将向您展示如何准确地测量无源探测响应。

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，然后是单极响应，在探头带宽范围内为-3dB。

典型的无源示波器探头提供一到三种补偿调整，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。然后使用探针补偿调整来实现平坦响应和正确的信号幅度。不幸的是，在这个过程中存在一个谬误，结果并不像您想象的那么好。原因如下:

解剖示波器探头尖端

示波器探头由一个金属探头和一个内部补偿的高阻抗分压器组成。然后连接到补偿调节电容器和探针电缆，最终连接到与示波器相匹配的连接器。

典型的示波器提示如图1所示。暴露的尖端是感应的，而补偿分压器和范围筒呈现电容阻抗。用VNA测量阻抗尖端，可以直接测量电容和尖端电感。电感和电容结合，形成串联谐振，其频率可计算为:

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法有什么问题呢?

使用脉冲源执行示波器探头校准提出了三个非常简单的要求:

1. 由于信号电压不在探头尖端监测，信号发生器阻抗必须小于探头尖端阻抗(10dB是一个合理的最小分离)
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是合理的最小间隔)。上升/下降时间可计算为:

考虑到10dB的最小分离，需要使用大于2GHz带宽(700MHz +10dB)、170ps上升/下降时间(500ps -10dB)和630mOhm源阻抗(2Ω -10dB)的平面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去除探针，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瞄准镜尖端和后端的电压来解决。这消除了60mΩ信号发生器阻抗的需要。采用低重复频率、快速边缘脉冲发生器可以满足带宽宽、响应平坦的第二个要求。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袖珍信号发生器，但任何等效的平响应快速信号发生器都可以使用。J2151A的上升/下降时间约为34ps, NIST可溯源校准数据显示-3dB带宽为10.5GHz, 700MHz时平坦度为0.1dB。

J2151A包括15GHz，2-resistor功率分压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。探针使用探针尖端适配器(不包括在内)连接，安装图如图3所示。

当信号发生器是50Ω时，功率分配器的一条腿将探针尖端连接到50Ω示波器输入(CH3)。这种连接使尖端电压衰减6dB，这在探头参数中得到了修正，但也允许通道的全带宽。在CH4处的探针输出测量探针后端的电压。

探头后端电压的电压谱除以探头尖端电压的电压谱提供了与尖端负载无关的探头传递函数。探针延迟也被视为输入和输出示波器迹线(分别为CH3和CH4)之间的延迟。

如图1所示，脱埋所需的探针尖端阻抗可以从VNA中获得，但也可以从CH3处的电压谱响应中得到。或者，可以使用数据表中典型的探针尖端电容来估计。

还有一些障碍

虽然这种测量使用探针尖端适配器提供了准确的响应，但添加接地引线也将显著影响响应。这种引线很难解释，因为它是灵活的，因此，如果引线移动，电感就会变化。测量应在接近实际测量的配置中进行。

另一个问题是，被探测的电路通常包括探针尖端适配器或头部。这些包括连接到被测信号的PCB走线。这些迹线增加了额外的电感，它以与探头尖端电感相同的方式出现。这些痕迹还包括延迟，应该包括准确的去倾斜或去嵌入探头。

峰值变平

瞄准镜探头的峰值可以通过在探头尖端上串联插入一个电阻来衰减。电阻的值由尖端和PCB线电感和尖端电容估计，如公式3所示。

这个额外的电阻可以显著地使探针响应变平，尽管它也可以降低探针的带宽。电阻的影响如图4所示，使用图1中的探针。没有电阻探头显示峰值约25dB。添加40Ω电阻可以实现接近平坦的响应，而插入80Ω电阻则会使响应过阻尼并降低探针带宽。

并不是所有的探针都可以很容易地校正。一个简单的电感和电容谐振可以用串联电阻阻尼，但不是所有的探头都有这样的响应。图5所示的探针响应显示非均匀平坦，但没有一个可识别的峰值可以阻尼。如果不能通过调整来补偿这种非平坦响应，则必须使用后处理软件将探针去嵌入，否则探针的可用带宽将大大降低。

这种方法也适用于主动探测

有源探针具有更小的尖端电容，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针，其最大指定尖端电容为1pF。通过连接到50欧姆的源来测量探针响应会导致带宽限制为:

应用我们的10dB规则，这将只允许测量约1GHz，同时实现这一目标。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在这方面有点慢，但会提供不错的结果，尽管不是那么准确。

安装的平整度也可以通过用短长度的高质量、高带宽的同轴电缆替换探头来评估。此评估的结果如图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信号发生器会在一定程度上降低10GHz范围带宽。

用实际有源探头替换同轴电缆，在本例中是TPR4000动力轨探头，测量结果如图7所示。为了提高精度，短同轴电缆的测量应该从探头测量中减去，尽管直接探头测量显示的带宽为4GHz。

总结

探头尖端和电感对探头的性能有重要影响。直接测量探头，使用50Ω信号是不够的，但在少数情况下。另外两个经验教训是，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)的响应以获得准确的答案是必要的。此外，这种多余的尖端电感也被引入作为印刷电路板走线，以获得信号到一个方便的探测位置。这些印刷电路板迹线也会影响探针响应和探针峰值。在未来，示波器制造商可能会为这种测量添加校准和去嵌入。

这里所示的方法使用快速边缘信号发生器、示波器和电压频谱划分作为VNA来测量探头的频率响应。仍然有错误，例如，即使是瞄准镜探头尖端适配器增加了一些电感。示波器本身并不是完全平直到示波器的额定带宽。

接下来，我希望使用GaN驱动器进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，我将展示如何从这个测量中提取探针尖端阻抗。