如何正确使用高速探头前端--probe head

目前市面上的高速有源探头种类丰富,使用灵活,如下图所示,结构多为放大器+焊接前端的组合,以E2677B探头前端为例,其焊接前端电阻有三种选择,91ohm时可实现全带宽使用(12GHz),那么,阻值的不同,到底会产生怎样的测试影响呢?

要搞清楚这个问题,最简单地方式,就是建立其电路等效模型,如下图所示,为官方资料中提供的E2677B的spice模型,包括前端焊接电阻以及衰减器,都可以用RLC参数化的形式建立相应的电路模型,并且,根据文献[1]中的描述,可以将模型按照功能模块进行大致划分。

首先,利用ADS软件,将上述的spice电路模型进行还原,并仿真得到差分100ohm情况下的电路转移阻抗;

结果对比显示,得到的仿真数据,与文献[3]中提供的原始数据完全匹配;

然后,根据文献[2]中的描述,探头内部的补偿RC网络将放大器与探头输入隔离开来,并对输入信号进行衰减,因此,探头的原理图可以分为两个不同的部分,第一部分模拟被测点与衰减器输入之间的物理连接,第二部分对衰减器输入后的电路进行建模,第二部分通常是恒定的,然而,第一部分不是恒定的,它取决于物理连接的几何形状,即电阻焊接时的具体选择方式,因此,瞬态仿真时,可将RC补偿网络以及其后的电路统一作为负载进行考虑,即Vout节点置于该部分的前端,正负极信号均是如此;

得到的阶跃信号对比结果显示,只有91ohm时,信号边沿的失真度最小(图中紫色曲线),而0ohm时,信号边沿会产生强烈地振铃(图中红色曲线),150ohm时,信号边沿明显变缓(图中蓝色曲线)。

并且,91ohm时,测得100mV阶跃信号20~80%输入上升沿为33ps时(图中红色曲线),输出上升沿为44ps(图中蓝色曲线),损耗并不大,实际使用时,需要控制电阻的引线长度,因为,长引线会导致引线电感和杂散电容的提升,会进一步减缓信号的上升沿。

最后,观察了Vout节点处的频响曲线,结果显示,150ohm阻值时,虽然-3dB带宽达到了14.19GHz,但是,产生了1.765dB的正向谐振,相比较而言,91ohm阻值时,频响曲线过渡更为平缓,输出将更为准确地跟踪所有频率上的输入;

那么,是不是继续降低阻值,可以获取更为平坦的频响曲线呢?答案是可以,如图所示,随着阻值的降低,曲线过渡更为平坦,但是是以牺牲-3dB带宽为代价,因此,该焊接前端电阻值的选取,是有定量考虑的,需要考察带宽、谐振、上升沿等诸多因素,这也是为何实际使用时,采用其它电阻值依然可以获取不错的测试结果的原因。

参考文献:

[1] Performance Comparison of Differential and Single-Ended Active Voltage Probes;

[2] The Truth About the Fidelity of High-Bandwidth Voltage Probes;

[3] 1168/9B-Series Differential and Single-Ended Probes;

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