設計手記：示波器探頭原理及種類詳解

　　傳統上來說，市面上100MHz帶寬以下的示波器大部分只有1M歐姆輸入，因為不會用于高頻測量；100MHz～1GHz帶寬的示波器大部分有1M歐姆和50歐姆的切換選擇，同時兼顧高低頻測量；2GHz或更高帶寬的示波器由于主要用于高頻測量，所以大部分只有50歐姆輸入。不過隨著市場的需求，有些2GHz以上的示波器也提供了1M歐姆和50歐姆的輸入切換。

　　廣義的意義上說，測試電纜也屬于一種探頭，比如BNC或SMA電纜，而且這種探頭既便宜性能又高。但是使用測試電纜連接時需要在被測電路上也有BNC或SMA的接口，所以應用場合有限，主要用于射頻和微波信號測試。對于數字或通用信號的測試，還是需要專門的探頭。

　　示波器的探頭按是否需要供電可以分為無源探頭和有源探頭，按測量的信號類型可以分為電壓探頭、電流探頭、光探頭等。所謂的無源探頭，是指整個探頭都由無源器件構成，包括電阻、電容、電纜等；而有源探頭內部一般有放大 器，放大器是需要供電的，所以叫有源探頭。

　　無源探頭根據輸入阻抗的大小又分為高阻無源探頭和低阻無源探頭兩種。

　　高阻無源探頭即我們通常所說的無源探頭，應用最為廣泛，基本上每個使用過示波器的人都接觸過這種探頭。高阻無源探頭和示波器相連時，要求示波器端的輸入阻抗是1M歐姆。以下是一個10：1 高阻無源探頭的原理框圖。

　　為了方便測量，探頭通常都會有1米左右的長度，如果不加匹配電路，很難想象探頭能夠提供數百兆Hz的帶寬的。示波器的輸入寄生電容也會影響帶寬。為了改善探頭的高頻相應，探頭前端會有相應的匹配電路，最典型的就是一個Rprobe和Cprobe的并聯結構。探頭要在帶內產生平坦增益的一個條件是要滿足Rprobe*Cprobe=Rscope*Cscope，具體推導就不做了，感興趣的可以自己推一下。我們前面介紹過，Cscope是示波器的寄生電容，所以其只能控制在一定范圍內，但不能精確控制，也就是說不同示波器或示波器的不同通道間Cscope的值會不太一樣。為了補償不同通道Cscope的變化，在探頭接示波器的一端處一般至少會有一個可調電容Ccomp。當探頭接在不同通道上時可以通過調整Ccomp來補償Cscope的變化。幾乎所有示波器都提供一個低頻方波的輸出，可以通過用探頭測量這個方波的形狀來做調整。

　　Rprobe在改善頻響的同時會和示波器輸入電阻產生一個分壓，所謂10：1的分壓就是指示波器實際測量到的電壓是探頭前端處電壓的1/10，也就是信號經過探頭會有一個10倍衰減。比較簡單的探頭需要手工設置示波器的探頭衰減倍數來得到正確的顯示，更多的探頭在和示波器連接端有一個自動檢測的針腳，當探頭插上時示波器可以通過這個pin讀出探頭的衰減比，并自動調整顯示的比例。

　　高阻無源探頭中還有2個特殊的種類。一類是高壓探頭，其衰減比可達100:1或1000:1，所以測量電壓范圍很大；還有一類是1:1的探頭，即信號沒有衰減就進入示波器，由于不象10：1的探頭那樣需要示波器再放大顯示，所以示波器本身的噪聲沒有放大，測量的噪聲會小很多，在小信號和電源紋波的測量場合應用很多。

　　高阻無源探頭的優點是便宜，因為成本不高，同時輸入阻抗高，測量范圍大，連接方便，所以廣泛應用于通用測試場合。但是隨著測試頻率的提高，各種二階寄生參數很難控制，僅僅靠簡單的匹配電路已經不能把帶寬再提高了，所以高阻無源探頭的帶寬一般都在600MHz以下。

　　另一種無源探頭是低阻無源探頭，這是最不常用的一種探頭，但有其自身的特點。以下是這種探頭的原理框圖。

　　低阻無源探頭要求示波器的輸入阻抗為50 歐姆，前端等效串了一個分壓電阻。根據串阻阻值的不同，可以實現不同的分壓比，比如串個450 歐姆的電阻就是10：1 的分壓。由于采用50 歐姆的傳輸電纜，示波器端也是50 歐姆的匹配，所以整個探頭的帶寬比較高。如Agilent 的54006A 探頭帶寬可以達6GHz。