如何使用低电容探头最大限度地减少探头负载

探测电路总是会对信号产生一定的影响。探头负载会改变被探测的信号，可能导致测量问题，甚至可能导致电路执行不同的操作。减少电容负载可以帮助最大限度地减少这些影响。在本应用中，您将了解低电容探头如何改进测量。

下面我们概述了传统无源探头的一些主要优点和缺点，以及TPP1000、TPP0500B和TPP0250等泰克产品如何克服与传统无源探头相关的许多挑战。

上面我们可以看到传统无源探头的主要优点和缺点，因为它涉及到电路探测。

以上我们看到了泰克低电容探头与竞争对手提供的其他传统探头相比所具有的优势。

最小化探针负载简介

本应用说明介绍了泰克的高带宽、低电容无源电压探头如何降低示波器用户的总拥有成本，提高性能和测量精度，并节省设置时间。大多数示波器标配的无源电压探头提供了一种低成本的通用探测解决方案。一般来说，这些探头缺乏有源电压探头的性能，但提供了坚固耐用和宽动态范围适合可视化信号。表1描述了传统无源探头解决方案的优点和缺点。

该TPP1000，TPP0500B，和TPP0250重新定义在无源探头类别的性能，与以前在这个类中未实现的规格。这些探头设计用于泰克4、5和6系列MSO、3系列MDO、MDO3000、MDO4000和MSO/DPO5000系列示波器。

这种水平的性能是通过示波器内的电路和探头的组合获得的。如表2所示，带宽、输入电容和自动探针补偿方面的改进将传统无源探测的缺点转化为优点。

本应用说明将更详细地介绍:

降低拥有成本

提高测量精度

缩短设置时间

降低拥有成本

标准无源探头的局限性，特别是在1GHz系统上，迫使用户购买有源探头，这大大增加了整体投资成本，TPP1000、TPP0500B和TPP0250探头弥补了传统无源探头和更高性能、更高成本的有源探头之间的差距TPP1000、TPP0500B和TPP0250具有行业领先的无源探头规格和自动化的低频和高频补偿，可降低用户的总拥有成本，使示波器投资更具价值。

提高测量精度

有几个因素会影响探头向示波器传递信号的效果，用户应考虑:

性能规格:探头的带宽和上升时间是多少?

探头尖端的低输入电容:探头附件如何影响性能?

探头加载:探头在测试点加载信号的量是多少?

图3，泰克、勒克罗伊和安捷伦标准无源电压探头的上升时间。

性能规格

通用无源探头更喜欢坚固性而不是性能。这种折衷已经足够了，因为这些探针主要用于可视化低速信号。这种折衷的另一个原因是，在制造一个坚固耐用、高性能并能测量数百伏电压的探头方面存在重大的设计挑战。

有源探头通常以1GHz带宽开始，测量电压小于10V(尽管一些泰克探头可达到40V)，并且缺乏无源探头的坚固性。无源探头通常为500MHz或更低，测量数百伏特，并且坚固耐用。TPP1000、TPP0500B和TPP0250是唯一提供高性能、宽动态范围和日常使用所需坚固耐用的探头。

示波器和探头的主要性能规范是带宽。带宽是频率响应的量度，示波器主要是时域仪器。示波器上显示的数据是幅值与时间的关系图，在频域上看起来很小的差异在时域上可能会有很大的影响。

大多数示波器用户需要一个具有出色阶跃响应的示波器和探头，因为它能更好地指示探头的输出在示波器显示屏上的样子。为了正确显示系统的阶跃响应，将快速、干净的阶跃信号注入到测量系统中。探头上升时间评估需要一个具有比探头更快的边缘速率的信号。考虑图1中的屏幕截图，它比较了Tektronix的TPP1000探头和LeCroy和Agilent的标准无源探头的上升时间。

每个探头连接到相同的测试夹具，利用探头的短接地弹簧，以获得最佳性能。如上面的屏幕截图所示，建立了一个快速、清晰的上升时间为240ps的阶跃信号，作为与探针的阶跃响应进行比较的参考。参考信号被识别为R1，并且是白色迹线。

泰克公司的TPP1000具有最快的上升时间(443.6ps)，具有与基准相同的幅度和形状的波形，只有轻微的过冲。TPP1000是一款无源探头，能够以较快的边缘速率捕获信号。

图4,带长接地引线的标准无源电压探头的上升时间。

探头尖端的低输入电容

由于标准无源探头主要用于显示信号，大多数用户将长探头接地引线连接到接地连接。较长的接地引线使探针更容易在电路板上移动到各个测试点，而无需连接和重新连接接地。

短接地弹簧提供了最好的性能，但接地可能并不总是在弹簧的范围内。长的接地引线，那些是6“或更长，使获得一个接地连接更容易，但长的接地引线降低性能，由于附加的电感。

随着接地引线长度的增加，添加到测量中的电感也会增加。电感和电容与频率有关，当探头的电感和电容增加时，探头的性能下降。例如，带有6"接地引线的探头比带有12"接地引线的探头具有更高的性能和精度。

为了解决由接地线引起的性能问题，可以选择使用较短的接地线来降低电感，或者选择具有较低输入电容的探头。TPP1000、TPP0500B和TPP0250在探头尖端提供<4pF的输入电容，而其他标准无源探头产品提供9.5pF的输入电容。

使用这些泰克无源探头，用户可以连接更长的接地引线，而不会因具有更高输入电容的探头而导致信号下降。图4显示了泰克、莱克罗伊和安捷伦标准无源探头的阶跃响应，带有长探头接地引线。

增加长探针接地引线对性能的影响是巨大的。探头的上升时间减少，输出信号有振铃，过冲增加，更大的振幅不准确性。TPP1000、TPP0500B和TPP0250为用户提供了使用更长的探头接地的便利性，使其在可视化信号时不会明显损失性能和精度。

图5,标准无源电压探头的探头负载影响。

探头装载101

无源探针在探针尖端规格处的输入电容和输入电阻非常重要，因为它会影响被测电路。当一个外部设备，如探头连接到一个测试点，它会出现在信号源上的一个额外的负载，从电路中吸取电流。这种负载，或信号电流汲取，改变了测试点后面电路的操作，并改变了在测试点看到的信号。

理想的探头应该具有无穷大的阻抗，但这是不可能的，因为探头必须吸收少量的信号电流，以便在示波器输入端产生信号电压。探针总是会引起一些信号源负载，挑战在于尽可能保持低的负载。

最令人关注的负载是由探头尖端的电容引起的。对于低频，该电容的电抗非常高，对被测电路影响很小或没有影响。随着频率的增加，容性电抗减小，并且在更高的频率下，容性负载更高。

容性负载通过降低带宽和增加上升时间来影响测量系统的带宽和上升时间特性。该TPP1000，TPP0500B和TPP025提供显着低于任何现有的高阻抗通用无源探头的输入电容。这些探头尖端的输入电容<4pF，明显低于非Tek tronix探头的9.5 pF。图5显示了TektronixTPP1000对LeCroy和安捷伦标准产品的探头加载情况。

白色迹线是输入信号波形，其他迹线显示当探头连接到测试点时，参考波形如何变化。重要的是要记住，这幅图像中显示的波形不是探头的输出，但它们显示了探头如何影响测试点的信号。

蓝色轨迹显示了TPP1000对源信号的最小负载影响，因为它与参考波形紧密匹配，并且对上升时间的影响最小。非Tektronix探头的额外输入电容会对性能和精度产生影响。如上所述，容抗在较高的频率下减小，并且容性负载随着频率的增加具有更大的影响。

一个更高的电容探头将有更大的负载在更高的频率，这就解释了为什么在LeCroy和安捷伦加载信号的圆角，前沿是方波的高频含量的位置。当探测更快的信号时，非Tektronix探头将更明显地扭曲源信号并造成测量不准确。

图6所示,低频探头补偿。

图7所示。高频探头补偿。

缩短设置时间

由于探头和示波器输入特性的变化，通用无源探头需要低频补偿。用户可能没有意识到需要低频补偿，可能忘记了这个过程，或者可能为了节省时间而放弃低频补偿。如图所示6,探头输出必须使用调整工具进行补偿，直到响应平坦，如下面的"适当补偿"示例所示。

虽然低频补偿是所有无源测头的必要且常见的用户调整，但高频补偿通常需要由制造商的服务部门进行调整。

高频补偿调整点通常是用户无法接近的，可能需要用户损坏外标签上的补偿框，以获得访问权限。这种补偿可能还需要特殊的设备，如校准发生器和特殊的探头适配器，以进行必要的调整。如图8所示，高频补偿可对前缘和长期平坦度进行校正。

图8所示,自动低频和高频探头补偿。

TPP1000、TPP0500B和TPP0250连接到兼容的泰克示波器时，能够自动进行低频和高频补偿。补偿TPP1000、TPP0500B和TPP0250的高频和低频补偿所需的时间比手动调整标准无源测头进行低频补偿所需的时间更短。

对于TPP1000、TPP0500B和TPPO250，当第一次将探头连接到通道时，通过将探头尖端和接地端固定到示波器的PROBE COMP引脚并选择"Compensate Probe for"，可以轻松补偿探头。示例选择如图6所示。该过程耗时不到5秒，补偿结果存储在示波器中，以防探头被移除并重新连接。示波器能够为每个通道存储多个探头的结果。

波戈针

该TPP1000，TPP0500B和TPP0250船标准与可更换的刚性尖端和弹簧针墨盒。弹簧单高跷针尖端是弹簧加载的，它需要更少的压力在针上建立良好的电接触，这意味着用户不必按下探针尖端上的硬。由于几个原因，使良好的接触所需的力是一个重要的方面。首先，用户在操作示波器时，不必把注意力集中在保持手在正确的位置上。

安装弹簧单高跷针后，探头保持恒定的压力，并为用户提供良好接触所需的压力，当探头被用于可视化信号时更舒适。此外，当接触不良或信号未如预期出现在示波器上时，用户倾向于更用力地按下探头。这种力的增加可能会导致探头不经意地滑离测试点，并无意中接触到邻近的信号，这可能会损坏测试设备或被测器件。

MMCX墨盒

该TPP1000和TPP0500B有一个可选的提示，大大减少杂散EMI耦合，几乎消除了接地引线电感，并重视安全的测试点。

所有这些优点都通过称为MMCX的行业标准射频连接器实现。MMCX是一种廉价、现成的工业标准连接器，通常用于射频应用。MMCX滤芯可拧入TPP1000或TPP0500B探头。

结论

TPP1000,TPP0500B和TPP0250重新定义了无源探头产品类别中的性能，与此产品类别中以前未实现的规格，将传统的无源探测缺点转化为优势。这些探头通过提供两种技术中的最佳技术，弥补了通用无源探头和更高成本有源探头之间的差距:高性能、低成本，能够测量数百伏的动态范围;低输入电容;以及日常使用所需的耐用性。

TPP1000、TPP0500B和TPP0250具有行业领先的无源探头规格和自动补偿功能，可降低用户的总拥有成本，并为示波器投资带来巨大价值。

审核编辑 黄宇