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為什麼放大器被設計在示波器探棒尖端?

上網時間: 2015年07月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:示波器  探棒  放大器  輸入阻抗  PP008 

作者:Arthur Pini、Lawrence Jacobs,Teledyne LeCroy探棒工程經理

最近有讀者問道:“為什麼示波器廠商把放大器放在探棒尖端,而非示波器內?”事實上,在探棒中加入放大器可最大限度地降低探棒和線纜對訊號造成的損耗,但要如何實現呢?要瞭解如何及為什麼,必須先對探棒和輸入阻抗具有基本的瞭解。

示波器探棒將示波器的輸入連接到待測量的電壓節點。傳統上,常用的探棒分為三種類型:高阻抗被動探棒、低容抗傳輸線探棒,以及主動探棒。

最常見的探棒類型是高阻抗被動探棒。圖1是其簡化示意圖。該探棒使用補償的分壓器(電阻和電容匹配的分壓器)以驅動探棒線纜和示波器輸入電容。這些探棒有500MHz額定頻寬,但還得考慮由於輸入電容所帶來的限制。


圖1:高阻被動探棒採用電容和電阻匹配的分壓器。

示波器的輸入電容可能在15~25pF之間。同軸電纜每英呎的電容約在10pF~30pF之間,總電容可能約為80pF。因此,簡單地利用遮罩線纜將示波器連接到待測物(DUT),可透過該電容載入測量電路。在10MHz時,阻抗約為200Ω,能夠顯著降低試圖測量的電壓值。

使用電容性補償分壓器將訊號振幅分壓10倍,能夠增加此輸入阻抗。這種補償分壓器將以10倍衰減,為探棒尖端帶來最小9pF的電容,使探棒負載阻抗增加約10倍。增加探棒衰減倍數,可進一步降低輸入電容,但這將使訊號難以進入示波器,使較小訊號測量變得困難或無法進行。在實務中,10倍衰減在訊號振幅和載入阻抗之間表現出良好平衡。

然而,在更高頻率,即使探棒的電容值如此地低也還是太大了。在500MHz,9pF探棒電容的等效阻值約35Ω,除了最低阻抗電路以外,將對所有被測電壓產生影響。

若將同軸線纜換為傳輸線,則可大幅降低輸入電容。如果示波器輸入的終端電阻為50Ω,則電纜探棒端的阻抗將持續50Ω,而與頻率無關。可使用分壓器加大這一非常低的負載阻抗;一個450Ω串聯電阻將把被測電壓振幅縮小10倍,並得到相對恆定的500Ω負載阻抗。採用終端電阻的低電容或傳輸線探棒如圖2所示。


圖2:傳輸線探棒大幅降低輸入電容,但也降低了輸入電阻,從而降低整體阻抗。

終端傳輸線探棒的輸入電容相當低,典型值最高約零點幾個pF。這種探棒的限制因素是低輸入電阻。對10倍衰減探棒來說,500Ω的輸入電阻也會對負載電路造成很大影響。

這就使我們自然想到主動探棒(圖3)。主動探棒採用補償分壓器驅動放大器。該放大器的緩衝輸出再驅動與其特性阻抗端接的同軸電纜,如同傳輸線探棒一樣。該放大器也將探棒與電纜的電容負載和示波器的輸入電路隔離開來。


圖3:主動探棒具備驅動50Ω傳輸線的緩衝輸入。

主動探棒仍需要低輸入電容,這在探棒尖端的小幾何形狀內更容易實現。可以設計出輸入電容約為4pF的高阻抗緩衝放大器。約10倍衰減的補償分壓器將進一步降低輸入電容以及允許更大的輸入電壓擺幅,其輸入電容約為0.4pF。在現實中,放大器需要輸入保護裝置,此舉將加大探棒尖端金屬的雜散電容,所以0.5pF到4pF的輸入電容是比較實際的。

圖4顯示上述討論的三種探棒作為頻率函數的輸入阻抗(根據特定的輸入電阻和電容)。在被動探棒500MHz的頻率上限,其輸入阻抗僅為34Ω。相同頻率時,傳輸線探棒的輸入阻抗為359Ω;主動探棒則為530Ω。該容性阻抗將會載入到被測訊號上。


圖4:相較於被動和傳輸線探棒,主動探棒可在最寬頻寬內使輸入阻抗最大化。

(下一頁繼續:探棒影響的案例)


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