無源電壓探頭是當今最常用的示波器探頭

要進行可靠的示波器測量，首先是為您的應用選擇恰當的探頭。雖然有許多不同類型的示波器探頭可供選擇，但它們基本上可以分為兩大類：無源探頭和有源探頭。無源探頭不需要外接示波器電源。有源探頭需要外接示波器電源為探頭中的有源器件（例如晶體管和放大器）供電，并提供比無源探頭更高的帶寬性能。每一大類都包括許多不同類型的探頭，每種探頭都有其最適合的用途。

無源探頭

無源電壓探頭是目前最常用的示波器探頭類型。它可以再分為兩大類型：高阻抗輸入探頭和低阻抗電阻分壓器探頭。具有 10:1 分壓比的高阻抗輸入無源探頭可能是目前最常用的探頭。目前大部分中低檔示波器在裝運時都附帶該探頭。探針電阻通常為 9 MΩ，當探頭與示波器的 1 MΩ 輸入端相連時，探針與示波器輸入端的分壓比（或衰減比）為 10:1。觀察到的探針處的凈輸入電阻為 10 MΩ。因此，示波器輸入端電壓是探針電壓的十分之一，兩者的關系可用下面的公式表示：

與有源探頭相比，無源探頭更耐用，也更便宜。它們具有非常寬的動態范圍（典型 10:1 探頭的動態范圍 >300 V）和高輸入阻抗，可與示波器的輸入阻抗相匹配。然而，高阻抗輸入探頭與有源探頭或低阻抗（Z0）電阻器分壓無源探頭相比，會產生較大的電容負載，并具有較窄的帶寬。

低阻抗電阻器分壓探頭具有 450 Ω 或 950 Ω 輸入電阻，與示波器的 50 Ω 輸入形成 10:1 或 20:1 的衰減比。輸入電阻器之后是 50 Ω 電纜，使用示波器的 50 Ω 輸入作為負載端接。切記，示波器必須具有 50 Ω 輸入，才能使用此類探頭。這種探頭的主要優勢包括，電容負載小，帶寬非常高――在幾 GHz 的范圍內―― 有助于進行高精度計時測量。此外，與類似帶寬范圍的有源探頭相比，此探頭的成本比有源探頭低。您可以在以下應用中使用這種探頭：探測電子電路邏輯 （ECL）電路、微波器件或 50 Ω 傳輸線路。唯一美中不足的是，這種探頭有較大的電阻負載，可能影響信號的測量幅度。

圖 2. 高阻抗無源探頭提供結實耐用、價格較低的通用探測與故障診斷解決方案。

圖 3. 低阻抗電阻器分壓探頭具有低電容負載和寬帶寬。

有源探頭

如果您的示波器帶寬超過 500 MHz，可能或應該使用有源探頭。雖然價格較高，但是當您需要高帶寬性能時，有源探頭還是您的最佳選擇。有源探頭比無源探頭價格較高，并且其輸入電壓有限，但是由于它們的電容負載顯著降低，因而能使您更深入地觀察快速信號。

顧名思義，有源探頭需要有探頭電源。許多先進的有源探頭使用智能探頭接口，該接口可提供電力，以及充當兼容探頭與示波器之間的通信鏈路。通常，探頭接口能夠識別連接的探頭類型，并且按正確設置輸入阻抗、衰減率、探頭功率和偏置范圍。

通常情況下，您會選擇使用單端有源探頭測量單端信號（以接地為參考的電壓），使用差分有源探頭測量差分信號（正電壓與負電壓之比）。差分探頭t中的信號連接之間的有效接地面比大部分單端探頭中的接地連接更理想。這個接地面將探針接地有效地連接到被測件（DUT）接地，連接阻抗非常小。因此在測量單端信號時，差分探頭可以獲得比單端探頭更精確的測量結果。Keysight In?niiMax 1130B 探頭系列探測系統使用專為手動點測、插座式連接或焊入式連接優化的可互換探頭，只需通過一個探頭放大器便可進行差分或單端探測。

圖 4. 許多先進的有源探頭使用智能探頭接口，該接口可提供電力，以及充當兼容探頭與示波器之間的通信鏈路。

圖 5.In?niiMax 探測系統提供多種單端和差分探頭附件，可構成經濟高效的單端和差分探測解決方案。

有源探頭的帶寬考慮

更高帶寬是有源探頭相對于無源探頭的一個明顯優勢。探頭用戶經常忽視的一個問題是連接到目標的效應，稱為“連接帶寬”。盡管特殊的有源探頭可能具有非常出色的帶寬技術指標，但是一般公布的性能都是在理想探測條件下實現的。在實際的探測條件下（可能需要使用探測附件連接探針），有源探頭的性能可能要遠遠遜色于公布的性能。有源探測系統的實際性能主要是由“連接” 系統決定。圖 5 中，在 VAtn 點左側的寄生元器件是確定實際有源探測系統在高頻應用中的性能的驅動因素。

例如，Keysight N2796A 2 GHz 單端有源探頭通過探針和 2 厘米長的偏置接地，提供 2 GHz 帶寬。使用這種最佳設置，您可以獲得 2 GHz 探頭帶寬。如果拆除探針和接地連接，改用 10 厘米雙引線適配器，則探頭帶寬下降到 1 GHz。再將其他夾具連接到雙引線適配器，則探頭帶寬進一步下降到 500 MHz。由此可見，此處的訣竅在于更短的輸入引線提高了探頭性能。

圖 6. 在 VAtn 點左側的寄生元器件是確定實際有源探測系統在高頻應用中的性能的驅動因素。

圖 7. 使用的引線越短，您將實現的探頭帶寬就越高。

探頭負載效應

現在我們來討論探頭的輸入阻抗和輸入負載。許多人以為探頭輸入阻抗是一個常數。您可能聽說過，探頭具有 kΩ、 MΩ 甚至 10 MΩ 級的輸入阻抗，但是輸入阻抗不是在任何頻率上都是恒定的。輸入阻抗會隨著頻率的增加而下降。

在直流和低頻范圍內，探頭的輸入阻抗最初等于額定輸入阻抗（如果是 10:1 無源探頭，輸入阻抗即為 10 MΩ），但是隨著頻率的增加，探頭的輸入電容開始變成短路，探頭的阻抗開始降低。輸入電容越高，阻抗下降趨勢越明顯。

圖 8 顯示了 500 MHz 無源探頭與 2 GHz 有源探頭的比較。您將會看到，在 ~10 kHz 交點及其之后，有源探頭的輸入阻抗比無源探頭高。輸入阻抗更高，意味著對目標信號施加的負載越小，負載越小即意味著對信號的影響越小或損害越小。

在圖中大約 70 MHz 帶寬處，無源探頭的輸入阻抗降低到 ~150 Ω，而有源探頭的輸入阻抗為 ~2.5 kΩ。兩者的差異相當大。例如，如果您的系統的信號源阻抗為 50 Ω 或 100 Ω，那么由于探頭負載的原因，無源探頭對信號的影響要比有源探頭大得多。

在該頻率范圍內，連接無源探頭就相當于在您的電路中加入了一個 150 Ω 電阻器。如果您可以容忍的話，可以繼續使用無源探頭。如果您不能容忍的話，再使用無源探頭就會產生問題，最好選擇使用在高頻范圍內具有更高阻抗的探頭，例如有源探頭。

圖 8. 在 ~10 kHz 交點及其之后，有源探頭的輸入阻抗比無源探頭高。

圖 9. 使用 2 GHz 有源探頭（黃色跡線）和 500 MHz 無源探頭（紅色跡線）測得的信號邊沿速度。

上面的圖 9 顯示了使用兩種不同的探頭測量實際信號的實例。綠色跡線顯示在未連接任何探頭時，信號邊沿速度為 1.1 ns。它表示該信號的帶寬為 300 MHz（=0.35/1.1 ns）。當連接 2 GHz 有源探頭測量這個 1.1 ns 信號時，示波器顯示黃色跡線位于綠色跡線之下，您甚至無法分辨原始信號與探頭所測量的信號的區別。顯然，有源探頭不會使目標信號發生較大的失真。

如果您連接 500 MHz 無源探頭測量相同信號，現在測得目標信號的邊沿速度為 1.5 ns。無源探頭實際上會破壞目標信號，使其速度變慢。

結論

用戶在為示波器應用選擇適當的測量工具時，往往忽視了探頭。許多工程師在選擇示波器時首先關注需要的帶寬、采樣率和通道數，其次考慮如何將信號輸入示波器。但是要進行可靠的示波器測量，首先應考慮為您的應用選擇適當的探頭以及如何正確地使用探頭。

對于一般的探測和故障診斷來說，無源探頭是一個妥當的選擇；但是在高頻應用中，有源探頭可以為您提供更精確的高速信號測量結果。雖然市場上許多有源探頭標有極其卓越的帶寬技術指標，但是請記住，有源探頭的實際性能主要是由您如何將其連接到目標決定的。一條簡單的經驗證明，如果您希望進行高保真度測量，輸入引線越短越好。