示波器探头原理、负载效应与高速信号测量

注：本文为 "示波器探头使用" 相关合辑。

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示波器探头原理、负载效应与高速信号测量方法

01 引言

示波器探头扩展了示波器的应用范围，使得示波器可以在线测试和分析被测电子电路。

探头的选择和使用需考虑两个方面：其一，探头具有负载效应，会直接影响被测信号和被测电路；其二，探头是整个示波器测量系统的一部分，会影响仪器的信号保真度和测试结果。

02 探头的负载效应

当探头探测被测电路后，探头成为被测电路的一部分。探头的负载效应包括以下三个部分：

阻性负载效应；
容性负载效应；
感性负载效应。

2.1 阻性负载

阻性负载相当于在被测电路上并联了一个电阻，对被测信号有分压作用，影响被测信号的幅度和直流偏置。一般推荐探头的电阻 R > 10 R > 10 R>10 倍被测源电阻，以维持小于 10 % 10\% 10% 的幅度误差。

2.2 容性负载

容性负载相当于在被测电路上并联了一个电容，对被测信号有滤波作用，影响被测信号的上升下降时间、传输延迟及传输互连通道的带宽。一般推荐使用电容负载尽量小的探头，以减小对被测信号边沿的影响。

2.3 感性负载

感性负载来源于探头地线的电感效应，该电感会与容性负载和阻性负载形成谐振，使显示的信号上出现振铃。若显示的信号上出现明显振铃，需检查确认是被测信号的真实特征还是由接地线引起的振铃，方法是使用尽量短的接地线。一般推荐地线电感约为 1 n H / m m 1\,\mathrm{nH/mm} 1nH/mm。

03 探头的类型

示波器探头按大类可分为无源探头和有源探头。无源探头无需供电，有源探头需要供电。

3.1 无源探头

无源探头可细分为：

低阻电阻分压探头
带补偿的高阻无源探头（最常用的无源探头）
高压探头

3.1.1 低阻电阻分压探头

低阻电阻分压探头具备较低的电容负载（ < 1 p F < 1\,\mathrm{pF} <1pF）、较高的带宽（ > 1.5 G H z > 1.5\,\mathrm{GHz} >1.5GHz）和较低的价格，但电阻负载较大，一般只有 500 Ω 500\,\Omega 500Ω 或 1 k Ω 1\,\mathrm{k}\Omega 1kΩ，因此只适合测试低源阻抗的电路，或仅关注时间参数测试的电路。

3.1.2 带补偿的高阻无源探头

带补偿的高阻无源探头是最常用的无源探头，一般示波器标配的探头均属此类。其具备较高的输入电阻（一般 > 1 M Ω > 1\,\mathrm{M}\Omega >1MΩ）、可调的补偿电容以匹配示波器输入、较高的动态范围，可以测试较大幅度的信号（几十伏以上），价格也较低。但输入电容较大（一般 > 10 p F > 10\,\mathrm{pF} >10pF），带宽较低（一般 ≤ 500 M H z \le 500\,\mathrm{MHz} ≤500MHz）。

带补偿的高阻无源探头有一个补偿电容，接上示波器后，一般需调整电容值（使用探头自带的小螺丝刀调整，调整时把探头连接到示波器补偿输出测试位置），以与示波器输入电容匹配，消除低频或高频增益。下图左侧为存在高频或低频增益的波形，右侧为调整补偿后的波形。

3.1.3 高压探头

高压探头在带补偿的无源探头基础上增大输入电阻，使得衰减加大（如 100 : 1 100:1 100:1 或 1000 : 1 1000:1 1000:1）。因需使用耐高压元器件，高压探头一般物理尺寸较大。

3.2 有源探头

有源探头可细分为：

单端有源探头
差分探头
电流探头

3.2.1 单端有源探头

单端有源探头使用放大器实现阻抗变换，输入阻抗较高（一般 > 100 k Ω > 100\,\mathrm{k}\Omega >100kΩ），输入电容较小（一般 < 1 p F < 1\,\mathrm{pF} <1pF），通过探头放大器后连接到示波器，示波器必须使用 50 Ω 50\,\Omega 50Ω 输入阻抗。有源探头带宽宽（可达 30 G H z 30\,\mathrm{GHz} 30GHz），负载小，但价格较高，动态范围较小（一般约 5 V 5\,\mathrm{V} 5V），使用需小心。

3.2.2 差分探头

差分探头使用差分放大器实现阻抗变换，输入阻抗较高（一般 > 50 k Ω > 50\,\mathrm{k}\Omega >50kΩ），输入电容较小（一般 < 1 p F < 1\,\mathrm{pF} <1pF），通过差分探头放大器后连接到示波器，示波器必须使用 50 Ω 50\,\Omega 50Ω 输入阻抗。差分探头带宽宽（可达 30 G H z 30\,\mathrm{GHz} 30GHz），负载小，共模抑制比较高，但价格较高，动态范围较小（一般约 3 V 3\,\mathrm{V} 3V），使用需小心。

差分探头适合测试高速差分信号（测试时不用接地）、放大器测试、电源测试及虚地测试等应用。

3.2.3 电流探头

电流探头利用霍尔传感器和感应线圈实现直流和交流电流的测量，把电流信号转换成电压信号，示波器采集电压信号后显示为电流信号。电流探头可测试几十毫安到几百安培的电流，使用时需引出电流线（电流探头把导线夹在中间进行测试，不会影响被测电路）。

直流和低频交流测量原理：

当电流钳闭合，把一通有电流的导体围在中心时，会出现一个磁场。该磁场使霍尔传感器内的电子发生偏转，在霍尔传感器输出端产生一个电动势。电流探头根据该电动势产生一个反向（补偿）电流送至电流探头的线圈，使电流钳中的磁场为零，以防止饱和。电流探头根据反向电流测得实际电流值。该方法能够线性地测量大电流，包括交直流混合的电流。

高频测量原理：

随着被测电流频率的增加，霍尔效应逐渐减弱。当测量不含直流成分的高频交流电流时，大部分通过磁场的强弱直接感应到电流探头的线圈。此时探头相当于一个电流变压器，电流探头直接测量的是感应电流，而不是补偿电流，功放输出为线圈提供一个低阻抗的接地回路。

交叉区域工作原理：

当电流探头工作在约 20 k H z 20\,\mathrm{kHz} 20kHz 的高低频交叉区域时，部分测量通过霍尔传感器实现，另一部分通过线圈实现。

Tektronix AM 503A Current Probe Amplifier Service Manual （泰克 AM 503A 电流探头放大器服务手册）中的 Figure 3-8: Waveform Components of the Current Probe（电流探头的波形分量）。

AM 503A 电流探头系统（配合 A6302/A6303 等探头）在 crossover region（交越区，约 20 kHz 附近） 的工作机理：

(a) 被测导体中的实际电流波形；
(b) 霍尔器件（Hall device）输出的低频（含直流）分量，经放大后送入衰减器；
(c) 电流互感器（transformer/coil）感应的高频分量，送入衰减器；
(d) AM 503A 输出端将 (b) 与 © 叠加后复原的波形。

04 有源探头附件

现代高带宽有源探头采用分离式设计，即探头放大器与探头附件部分分开。该设计的好处在于：

支持更多的探头附件，使探测更加灵活；
保护投资，最贵的是探头放大器（一个探头放大器可支持多种探测方式）；
探头附件保护探头放大器（附件即使损坏，价格也相对便宜）；
容易实现高带宽。

探头附件主要包括：

点测探头附件（单端点测和差分点测）；
焊接探头附件（单端焊接、差分焊接、分离式 ZIF 焊接）；
插孔探头附件；
差分 SMA 探头附件（示波器一般直接支持 SMA 连接，但若被测信号需要上拉如 HDMI，则必须使用 SMA 探头附件）。

探头附件的电路结构特点如下：

探头附件尖端部分有一对阻尼电阻（一般 82 Ω 82\,\Omega 82Ω），用于消除探头附件尖端部分电感的谐振影响；
探头尖端部分后面是 25 k Ω 25\,\mathrm{k}\Omega 25kΩ 的电阻，该电阻决定了探头的输入阻抗（直流输入阻抗单端 25 k Ω 25\,\mathrm{k}\Omega 25kΩ，差分 50 k Ω 50\,\mathrm{k}\Omega 50kΩ），使被测信号传输到探头放大器部分的功率很小，不至于对被测信号有较大影响；
25 k Ω 25\,\mathrm{k}\Omega 25kΩ 电阻后面是同轴传输线部分，负责把小信号传输到放大器，长度可长可短，中间可加衰减器或耦合电容；
同轴传输线连接到放大器，放大器是 50 Ω 50\,\Omega 50Ω 匹配的（差分 100 Ω 100\,\Omega 100Ω 匹配）。

有源探头为保持精确度，需工作在恒温状态，因此探头放大器不能放置到高低温箱里进行高低温环境下被测电路板的测试。从探头附件结构可见，中间 50 Ω 50\,\Omega 50Ω 传输线的长短不影响探测，因此可用很长的同轴电缆或扩展同轴电缆伸进高低温箱里进行测试。

05 探头及附件准确度验证

下图是一个例子：被测信号是一个频率 456 M H z 456\,\mathrm{MHz} 456MHz、边沿时间约 65 p s 65\,\mathrm{ps} 65ps 的时钟信号，分别使用不同类型的探头和探头附件的测试结果。

A 图：使用 12 G H z 12\,\mathrm{GHz} 12GHz 的 1169A 差分探头和 N5381A 12 G H z 12\,\mathrm{GHz} 12GHz 焊接探头附件，几乎完全复现被测信号；
B 图：使用 500 M H z 500\,\mathrm{MHz} 500MHz 的无源探头，显示的信号完全失真；
C 图：使用 12 G H z 12\,\mathrm{GHz} 12GHz 的 1169A 差分探头和较长的测试引线，显示的信号出现很大的过冲；
D 图：使用 4 G H z 4\,\mathrm{GHz} 4GHz 的 1158A 单端探头和较长的测试引线，显示的信号几乎是正弦波，失真较大。

验证探头和探头附件需要使用一台脉冲码型发生器（如 81134A， 3.35 G H z 3.35\,\mathrm{GHz} 3.35GHz 速率， 60 p s 60\,\mathrm{ps} 60ps 边沿），或示波器自带的高速信号输出功能（如 Infiniium 示波器的 AUX OUT 端口可输出 456 M H z 456\,\mathrm{MHz} 456MHz 频率、约 65 p s 65\,\mathrm{ps} 65ps 边沿的高速时钟）。

另外需要同轴电缆和测试夹具（Infiniium 示波器配置的探头校准夹具可作为验证测试夹具）。测试夹具外表是地（Ground），里面走线是信号（Signal）。使用时，通过同轴电缆把一端接到脉冲码型发生器或示波器辅助输出 AUX OUT 端口，另一端通过适配器连接到示波器的通道 1。

然后把被验证的探头连接到通道 2 上，探头通过探头附件接触到测试夹具的信号和地（差分探头把 + + + 端连接到信号线， − - − 端连接到地）。

探头不接触信号线时，屏幕上出现原始波形，存为参考波形；
用探头探测信号线时，通道 1 的波形发生变化，该波形为被探头和探头附件影响后的被测信号；
连接探头的通道 2 出现探头测试到的波形；
通过对比参考波形、通道 1 波形和通道 2 波形，可直观看出或通过测试参数读出三者差别，验证探头和探头附件的影响。

下图是实际验证的一个例子：图 A 把示波器 AUX OUT 通过同轴电缆连接到测试夹具，测试夹具另一端通过 SMA-PBNC 适配器连接到示波器通道 3；探头连接到通道 1，调整屏幕波形出现边沿阶跃波形（图 C），存为参考波形。图 B 把被验证探头和附件点测到测试夹具上，图 D 屏幕上出现 3 个波形：蓝色为参考波形，绿色为受探头影响后的被测波形，黄色为探头显示的波形。通过测试上升时间、过冲等参数，可确认探头和探头附件的性能。

06 探头接地线对高速信号测量的影响

示波器带宽再高、探头标称性能再好，若接地方式不合适，屏幕上的波形仍可能偏离电路的真实状态，引入杂波。问题往往出在那根不起眼的探头接地线。

6.1 接地线的寄生电感

普通无源电压探头通常配有约 15 c m 15\,\mathrm{cm} 15cm 长的鳄鱼夹接地线。测直流或低频信号时，它近似于一根普通导线；但面对高速边沿信号时，其寄生电感不能忽略。该电感会与探头输入电容形成谐振网络，使原本干净的边沿出现过冲、下冲和振铃。

探头数据手册中的带宽、上升时间等指标，并非在挂着探头钩和长接地线的状态下测得。厂商测试时通常拆掉这些附件，通过专用适配器直接连接测试夹具，即标称性能对应接近理想的连接状态。实际使用时，信号路径中因探头钩多出寄生电感，长长的鳄鱼夹接地线也使测量回路面积增大。

以常见的 10 : 1 10:1 10:1 无源探头为例，其参数大致为：

输入电阻 10 M Ω 10\,\mathrm{M}\Omega 10MΩ
输入电容 10 p F 10\,\mathrm{pF} 10pF
标准接地线长约 15 c m 15\,\mathrm{cm} 15cm
接地线寄生电感约 150 n H 150\,\mathrm{nH} 150nH

因此，探头"能夹住"不等于"测得准"。频率越高、边沿越快，这个区别越明显。

6.2 接地线与输入电容的谐振

完整的测量回路包含接地线电感、探头尖端电感和板上回流路径电感，接地线通常是其中最大的一项。

示波器读到的是探头输入电容两端的电压。按简化 LC 模型估算，谐振频率为：

f 0 = 1 2 π L C f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} f0=2πLC 1

取 L = 150 n H L = 150\,\mathrm{nH} L=150nH、 C = 10 p F C = 10\,\mathrm{pF} C=10pF，可得：

f 0 ≈ 130 M H z f_0 \approx 130\,\mathrm{MHz} f0≈130MHz

以上升时间 t r = 3 n s t_r = 3\,\mathrm{ns} tr=3ns 的数字信号为例，按常用近似关系 B W ≈ 0.35 / t r BW \approx 0.35 / t_r BW≈0.35/tr，其带宽量级约为 117 M H z 117\,\mathrm{MHz} 117MHz，已接近上述谐振频率。即纳秒级边沿的信号就足以激起接地回路的振铃。

从探头带宽看， 300 M H z 300\,\mathrm{MHz} 300MHz 探头的标称上升时间约为 1 n s 1\,\mathrm{ns} 1ns，但接上 150 ∼ 200 n H 150 \sim 200\,\mathrm{nH} 150∼200nH 的地回路后，整个测量系统的上升时间可能被拖到数纳秒。高频成分在到达示波器输入之前，已受到探头附件构成的寄生网络影响，某些频段被衰减，某些频段还可能出现谐振峰化，最终显示波形发生失真。

6.3 振铃大小与源阻抗的关系

同样是 150 n H 150\,\mathrm{nH} 150nH 和 10 p F 10\,\mathrm{pF} 10pF，有的电路振铃严重，有的却不明显，差别主要来自被测点的源阻抗 R s R_s Rs。

对于由回路电感 L L L 和输入电容 C C C 构成的简化串联谐振模型，定义 LC 阻抗尺度：

Z L C ≈ L C Z_{LC} \approx \sqrt{\frac{L}{C}} ZLC≈CL

取 L = 150 n H L = 150\,\mathrm{nH} L=150nH、 C = 10 p F C = 10\,\mathrm{pF} C=10pF，得到：

Z L C ≈ 150 n H 10 p F ≈ 122 Ω Z_{LC} \approx \sqrt{\frac{150\,\mathrm{nH}}{10\,\mathrm{pF}}} \approx 122\,\Omega ZLC≈10pF150nH ≈122Ω

若 R total R_{\text{total}} Rtotal 表示信号源输出电阻、探头串联阻尼电阻及其他损耗电阻之和，则串联谐振的品质因数可近似写成：

Q ≈ Z L C R total Q \approx \frac{Z_{LC}}{R_{\text{total}}} Q≈RtotalZLC

源阻抗越低，回路阻尼越小， Q Q Q 值越高，越容易出现较大的过冲和持续时间更长的振铃。

源阻抗 R s R_s Rs	大约 Q Q Q 值	频响特征	典型场景
5 Ω 5\,\Omega 5Ω	∼ 24 \sim 24 ∼24	谐振峰可达 + 20 ∼ 30 d B +20 \sim 30\,\mathrm{dB} +20∼30dB	强驱动、电源或地噪声测量
25 ∼ 30 Ω 25 \sim 30\,\Omega 25∼30Ω	∼ 4 ∼ 5 \sim 4 \sim 5 ∼4∼5	仍有十几个 dB 的尖峰	普通 CMOS / TTL 输出
50 Ω 50\,\Omega 50Ω	∼ 2.5 \sim 2.5 ∼2.5	峰值下降，频响仍不平坦	信号源、端接走线
∼ 120 Ω \sim 120\,\Omega ∼120Ω	∼ 1 \sim 1 ∼1	谐振峰已明显降低	串入约 100 Ω 100\,\Omega 100Ω 电阻后的工作点
200 Ω 200\,\Omega 200Ω	∼ 0.6 \sim 0.6 ∼0.6	接近临界阻尼，边沿变慢	阻尼偏大

上述约 130 M H z 130\,\mathrm{MHz} 130MHz 是无阻尼 LC 网络的自然频率。实际峰值频率会随阻尼变化；当 Q Q Q 降低到约 0.707 0.707 0.707 以下时，频响中将不再出现明显的谐振峰。

低源阻抗虽然可以减小探头的电阻性负载误差，却也会降低寄生 LC 回路的阻尼，使长接地线造成的测量失真更加突出。

6.4 仿真与实测验证

在探头接地路径中加入 150 n H 150\,\mathrm{nH} 150nH 电感模拟约 15 c m 15\,\mathrm{cm} 15cm 的接地线，上升沿附近会出现明显的过冲和振荡。

图中 (a) 接地路径中存在 150 n H 150\,\mathrm{nH} 150nH 寄生电感时，上升沿出现明显振铃；图中 (b) 去掉长接地线对应的电感后，振铃明显减小。同一被测信号，仅改变探头接地条件，示波器上的结果就可能完全不同。

交叉验证可按以下顺序进行：

把鳄鱼夹接地线换成弹簧式短地；
将探头地接到离测试点最近的地；
去掉探头钩，直接用探针接触测试点；
换一种探头或连接方式重复观察；
轻微移动探头电缆，观察振铃的幅度或频率是否随之改变。

若异常波形随接法明显变化，说明屏幕上混入了测量系统自身的响应。尤其是移动电缆时波形也跟着变化，通常可优先怀疑探头谐振，而不是板上的固定反射。

长接地线还会产生两个容易忽略的副作用：

与探头构成环形天线。回路面积越大，越容易拾取附近走线、连接器和电源回路产生的磁场。可把探头尖端与自身地线短接，再把这个闭合回路移到电路板附近，若屏幕上仍出现与开关边沿同步的脉冲，即为耦合噪声。缩短地线并让它贴近探头杆，可有效减小回路面积。
高阻探头在高频下并不"高阻"。 10 p F 10\,\mathrm{pF} 10pF 电容在 20 M H z 20\,\mathrm{MHz} 20MHz 时的容抗已低于 800 Ω 800\,\Omega 800Ω，到 100 M H z 100\,\mathrm{MHz} 100MHz 时约为 160 Ω 160\,\Omega 160Ω；再叠加接地电感，探头输入阻抗在谐振点附近甚至可能降得很低。于是会出现一种现象：接上探头后，有故障的电路似乎恢复正常；探头拿开后，故障又出现。此时探头并非旁观者，而是给电路加上了陷波负载。

6.5 减小接地线影响的方法

6.5.1 缩短接地回路

对高速边沿，最有效的做法是拆掉探头钩和鳄鱼夹地线，换用弹簧地、接地环或其他短接地附件，并把地接在测试点旁边。

实际操作时应注意：

信号端和地端都要短，若只去掉探头钩而仍保留长地线，改善有限；
不要在探头尖端再接几厘米导线来够到测试点，这样会增大 L tip L_{\text{tip}} Ltip，使谐振更严重；
接地点应选在被测点附近，接到"同一块 PCB 上的地"并不代表高频下也是同一个电位；
加粗接地线对降低高频电感帮助不大，缩短长度和减小回路面积才是关键。

短到什么程度才够，取决于边沿速度和源阻抗。对输入电容约 10 p F 10\,\mathrm{pF} 10pF 的无源探头，若要压低 1 n s 1\,\mathrm{ns} 1ns 量级 TTL 边沿上的过冲，地回路电感通常需要控制在约 10 n H 10\,\mathrm{nH} 10nH 以下；源阻抗更低时，要求还会更严。

6.5.2 加入阻尼电阻

有些测试点位置很深，或周围器件密集，必须使用探头钩和标准接地线才能稳定接触。这时可在探头信号端串联电阻，降低寄生 LC 网络的 Q Q Q 值。

该电阻不是用来修正振幅，而是给谐振网络增加损耗。前面算得 150 n H 150\,\mathrm{nH} 150nH 与 10 p F 10\,\mathrm{pF} 10pF 形成的特征阻抗约为 122 Ω 122\,\Omega 122Ω，因此从 100 Ω 100\,\Omega 100Ω 左右开始试验，通常能取得较好的阻尼效果。

图中 0.1 Ω 0.1\,\Omega 0.1Ω 时振荡明显，串入 100 Ω 100\,\Omega 100Ω 或 200 Ω 200\,\Omega 200Ω 后，振铃显著减轻。

《High Frequency Measurements and Noise in Electronic Circuits》一书中，Smith 对 12 i n 12\,\mathrm{in} 12in、约 240 n H 240\,\mathrm{nH} 240nH 的总回路和 10 p F 10\,\mathrm{pF} 10pF 探头做过计算，在源电阻很小时，误差从约 60 M H z 60\,\mathrm{MHz} 60MHz 起就超过 3 d B 3\,\mathrm{dB} 3dB，约 100 M H z 100\,\mathrm{MHz} 100MHz 处还有很高的谐振峰；尖端串入 100 Ω 100\,\Omega 100Ω 后， 3 d B 3\,\mathrm{dB} 3dB 误差点可推到约 120 M H z 120\,\mathrm{MHz} 120MHz。该方法能扩大可用范围，但不能恢复已经被长接地线滤掉的高频成分。

阻值也不是越大越好。电阻过小，抑制作用有限；电阻过大，又会与探头输入电容和被测点输出阻抗形成新的 RC 低通，使边沿变慢。实验时可从 100 Ω 100\,\Omega 100Ω 起步，再用 47 Ω 47\,\Omega 47Ω、 68 Ω 68\,\Omega 68Ω、 150 Ω 150\,\Omega 150Ω 或 220 Ω 220\,\Omega 220Ω 等常用阻值比较振铃与上升时间。一般应把源电阻和尖端串联电阻一并考虑，总串联电阻落在约 100 ∼ 200 Ω 100 \sim 200\,\Omega 100∼200Ω 时较容易取得平衡；超过这一范围后，边沿损失往往开始变得明显。

阻尼只是一种折中，不能把带 15 c m 15\,\mathrm{cm} 15cm 接地线的探头重新变成真正的 500 M H z 500\,\mathrm{MHz} 500MHz 探头。应当是能用短地就先用短地，结构实在不允许时再加阻尼。

6.5.3 更换探头结构

若短地和阻尼仍不能满足要求，可考虑低阻（ Z 0 Z_0 Z0）探头或有源 FET 探头。

低阻（ Z 0 Z_0 Z0）探头 ：在尖端串联 450 ∼ 950 Ω 450 \sim 950\,\Omega 450∼950Ω 电阻，另一端接示波器的 50 Ω 50\,\Omega 50Ω 输入，构成 10 : 1 10:1 10:1 或 20 : 1 20:1 20:1 分压。其输入以电阻为主，不容易形成高 Q Q Q 谐振，代价是会对被测点产生更明显的电阻负载。一组对照中， 500 M H z 500\,\mathrm{MHz} 500MHz 无源探头测得的上升时间约为 3.05 n s 3.05\,\mathrm{ns} 3.05ns， 1 G H z 1\,\mathrm{GHz} 1GHz 有源探头约为 1.76 n s 1.76\,\mathrm{ns} 1.76ns，自制低阻探头约为 1.85 n s 1.85\,\mathrm{ns} 1.85ns。低阻探头会带来一定幅度误差，但对边沿的还原往往更诚实。
有源 FET 探头 ：输入电容可降到约 1 p F 1\,\mathrm{pF} 1pF。同样的接地电感下，谐振频率会比 10 p F 10\,\mathrm{pF} 10pF 探头提高约 10 \sqrt{10} 10 ，即 3 3 3 倍左右。其代价是价格更高、前端更脆弱，且接地仍然必须尽量短。

无论采用哪种探头，同轴屏蔽地都应就近连接到被测点旁边的地。探头结构可以改善输入特性，却不能取消高频回流路径。

07 电源纹波测量中的探头选择

电源纹波为毫伏级微小交流信号，普通无源探头存在接地环路、衰减、寄生参数及屏蔽缺陷等固有误差；同轴电缆从结构与传输原理上规避了这些问题，测量真值更高、人为误差更小。

7.1 同轴电缆测试法

电源纹波应采用同轴电缆测试。同轴电缆测试结果较为准确，且受人为因素影响较小（焊接在单板上结果较稳定）；缺点为测试需要焊接，若测试点较多，耗费时间较长，若操作不慎，还有可能会损坏单板。

同轴电缆测试工作原理图如下：

焊接位置选取靠近被测对象的滤波电容处（即离芯片管脚最近，条件允许的情况下，优先选取背面的电容进行测试）。测试时尽量选取小电容作为测试点；现在所用电容，特别是 BGA 的去耦电容，封装都比较小，一般为 0201。为方便测试，可在电缆上焊接不大于 0.5 c m 0.5\,\mathrm{cm} 0.5cm 的漆包线，地线选择最近的地。

若被测对象同一网络电源管脚较分散，一般尽量选取靠近负载且离电源源端较远的点；如果同一网络分散在芯片周围，应至少选取两个离电源源端较远的点进行测试。

7.2 示波器设置

7.2.1 负载端电源纹波噪声示波器测试规范

7.2.1.1 测试配置

7.2.1.1.1 耦合方式：DC（配合隔直板）

隔直电容焊接在单板同轴电缆与示波器同轴电缆之间，用于滤除被测信号中的直流成分。示波器设置为 DC 耦合，此时测试到的信号即为实际信号的交流成分。隔直电容容值为 10 μ F 10~\mu\mathrm{F} 10 μF。

7.2.1.1.2 输入阻抗： 50 Ω 50~\Omega 50 Ω

当输入信号频率较低时，同轴电缆的直流电阻很小，近似等效为短路线，故示波器测得的信号即为 50 Ω 50~\Omega 50 Ω 内阻上的信号。

7.2.1.1.3 带宽限频：FULL

负载端电源纹波噪声存在于全频带信号中。除开关噪声和随机噪声外，单板电源还存在板上信号干扰带来的噪声，以及负载大电流瞬变引起的电压跌落。示波器设置 20 M H z 20~\mathrm{MHz} 20 MHz 带宽不足以覆盖上述噪声的频带，为真实测出纹波噪声，示波器应设置为全带宽（FULL）。

7.2.1.2 示波器参数设置

7.2.1.2.1 纵轴（电压档位）

纵轴每格刻度过大时，波形占屏幕比例较小，无法观察到波形周期；纵轴每格刻度过小时，波形超出屏幕，导致测试不准确，因为示波器无法测量超出屏幕的信号。

7.2.1.2.2 时间轴（横轴）

时间轴一般设置为 1 μ s 1~\mu\mathrm{s} 1 μs-- 1 m s / d i v 1~\mathrm{ms}/\mathrm{div} 1 ms/div，具体根据实际测试情况调整。

负载端电源纹波噪声为高频噪声，无具体周期。时间轴设置以能清楚观察到纹波形状为准。

7.2.1.2.3 采样率

采样率不小于 500 M S a / s 500~\mathrm{MSa/s} 500 MSa/s（若示波器最高采样率小于 500 M S a / s 500~\mathrm{MSa/s} 500 MSa/s，则设置到最大）。

7.2.1.3 测量与统计

7.2.1.3.1 测量值

打开统计测量功能，测量 MAX、MIN、PK-PK（峰峰值）。

统计功能开启后，示波器会记录 RUN 与 STOP 之间的所有值。

7.2.1.3.2 测量时间

测量时间不少于 3 3 3 分钟。

采样足够多的样本，以提高测试准确性。

测试项说明：

测试项	含义
MAX	当前屏幕波形中的最大值
MIN	当前屏幕波形中的最小值
PK-PK	当前屏幕波形中的峰峰值

图中每个测试项有五个值：第一个值为当前屏幕值，第二个值 μ \mu μ 为 RUN 到 STOP 的统计平均值，第三个值 m m m 为统计最小值，第四个值 M M M 为统计最大值，第五个值 σ \sigma σ 为标准差，Acqs 为统计次数。纹波读取 MAX、MIN、PK-PK 的值（MAX PK-PK 记录最大值，MIN 记录最小值）。

7.3 普通示波器探头测量纹波的误差来源

7.3.1 接地引线形成大环路，拾取干扰

标准探头自带长鳄鱼夹地线，信号线与长地线围成大面积环路，在开关电源高频 d i / d t \mathrm{d}i/\mathrm{d}t di/dt 磁场下，相当于接收天线，感应大量开关尖峰、辐射噪声。真实纹波可能仅 20 ∼ 50 m V 20 \sim 50\,\mathrm{mV} 20∼50mV，探头长地线会让测量读数虚高数倍，波形布满虚假尖峰。即便换成接地弹簧，仍存在一段外露地线，寄生电感无法完全消除，不同人手压、接触位置改变环路，结果重复性差。

为避免过多的噪声耦合到纹波测试，应使用尽可能小的环路。一般的示波器探头不能直接使用，需用专用示波器探头或使用同轴电缆小环。测量点应在电源输出端上，若测量点在负载上则会造成极大的测量误差。

使用无源探头进行 DC 耦合测试，示波器内部设置为 DC 耦合，耦合阻抗为 1 M Ω 1\,\mathrm{M}\Omega 1MΩ，此时无源探头的地线接主板地，信号线接待测电源信号。这种测量方法可以测到除 DC 以外的电源噪声纹波。

当采用普通探头时，由于地和待测信号之间的环路太大，而探头探测点靠近高速运行的 IC 芯片，近场辐射较大，会有很多 EMI 噪声辐射到探头回路中，使测试数据不准确。为改善这种情况，推荐用无源探头测试纹波时，将地信号缠绕在信号引脚上，相当于在地和信号之间存在一个环路电感，对高频信号相当于高阻，有效抑制由于辐射产生的高频噪声。

在隔离电源中，会产生大量流经探针接地连接点的共模电流，在电源接地连接点和示波器接地连接点之间形成压降，从而表现为纹波。要防止这一问题，需特别注意电源设计的共模滤波。另外，将示波器引线缠绕在铁氧体磁心周围有助于最小化这种电流，形成一个共模电感器，在不影响差分电压测量的同时，减少共模电流引起的测量误差。

有条件的话使用隔直板加同轴电缆的配置，同轴电缆能很好地抑制空间中的辐射。

单纯使用示波器测量时，地线夹要尽可能短，并绕在探针上，即成环最小；有条件的话，将示波器引线缠绕在铁氧体磁芯上。最好直接测量电源模块的输出引脚。

7.3.2 探头的信号衰减与底噪

万用表测示波器探头信号线会测出直流电阻，分 10 × 10\times 10× 档（兆欧级大电阻）和 1 × 1\times 1× 档（几百欧小阻尼电阻）。

10 × 10\times 10× 档位：

探头前端内部串联一颗 9 M Ω 9\,\mathrm{M}\Omega 9MΩ 金属膜高压电阻；示波器 BNC 输入端自带对地 1 M Ω 1\,\mathrm{M}\Omega 1MΩ 输入电阻。万用表表笔一头搭探针尖、一头搭探头 BNC 外壳（地线），测到的就是这颗 9 M Ω 9\,\mathrm{M}\Omega 9MΩ 串联电阻。

该 9 M Ω 9\,\mathrm{M}\Omega 9MΩ 电阻的作用：

实现 10 : 1 10:1 10:1 分压衰减 ： 9 M Ω 9\,\mathrm{M}\Omega 9MΩ（探头）与 1 M Ω 1\,\mathrm{M}\Omega 1MΩ（示波器输入）串联分压，示波器只采集 1 / 10 1/10 1/10 原始电压，波形读数 × 10 \times 10 ×10 即可；
大幅提升输入阻抗，减小负载效应 ：总输入阻抗 10 M Ω 10\,\mathrm{M}\Omega 10MΩ，从被测电路抽取的漏电流极小，不会把电源、模拟电路电压拉低；
拓宽测量电压量程、保护示波器 ：高压信号先衰减 10 10 10 倍再进示波器，避免超出 ADC 输入范围；
配合补偿电容实现全频带平坦衰减 ： 9 M Ω 9\,\mathrm{M}\Omega 9MΩ 旁并联可调补偿电容，满足 R 探头 C 补偿 = R 示波器 C 输入 R_{\text{探头}} C_{\text{补偿}} = R_{\text{示波器}} C_{\text{输入}} R探头C补偿=R示波器C输入，使直流、低频、高频信号衰减比例恒定，波形不失真。

1 × 1\times 1× 档位：

切到 1 × 1\times 1× 后 9 M Ω 9\,\mathrm{M}\Omega 9MΩ 电阻被旁路，但万用表依旧能测出几百欧阻值，来源分两处：

前端阻尼电阻 ：探头尖内部串 100 ∼ 200 Ω 100 \sim 200\,\Omega 100∼200Ω 阻尼电阻，用来抑制探头同轴电缆寄生电感、电容产生的高频振铃、过冲，消除波形虚假尖峰；
特制有损同轴电缆 ：示波器探头的线缆不是普通 50 Ω 50\,\Omega 50Ω 射频同轴线，是高阻损耗电缆，内芯铜丝掺合金， 1 1 1 米线缆自带 100 ∼ 180 Ω 100 \sim 180\,\Omega 100∼180Ω 分布直流电阻，用来吸收高频反射干扰、稳定带宽。

1 × 1\times 1× 档没有分压功能，只做高频阻尼，但代价是输入阻抗仅 1 M Ω 1\,\mathrm{M}\Omega 1MΩ、线缆电容大，带宽远低于 10 × 10\times 10× 档，不适合高精度纹波测试。

50 Ω 50\,\Omega 50Ω 同轴电缆的特点：

纯 50 Ω 50\,\Omega 50Ω 低阻传输，直流电阻极小；
必须示波器开启 50 Ω 50\,\Omega 50Ω 终端匹配使用；
无衰减， 1 : 1 1:1 1:1 采集微小纹波，无分压带来的底噪放大，这是测电源纹波精度远高于普通探头的关键原因。

简单区分方法：

探头拨 10 × 10\times 10×：万用表兆欧档，探针 ↔ \leftrightarrow ↔ 地线 ≈ 9 M Ω \approx 9\,\mathrm{M}\Omega ≈9MΩ；
探头拨 1 × 1\times 1×：万用表电阻档，探针 ↔ \leftrightarrow ↔ 地线 = 200 ∼ 350 Ω = 200 \sim 350\,\Omega =200∼350Ω；
纯 50 Ω 50\,\Omega 50Ω 射频同轴：芯线 ↔ \leftrightarrow ↔ 屏蔽层直流电阻接近 0 Ω 0\,\Omega 0Ω，和探头完全不同。

7.3.3 探头寄生电容大，高频纹波失真

无源探头输入寄生电容 15 ∼ 30 p F 15 \sim 30\,\mathrm{pF} 15∼30pF，与地线电感构成 LC 谐振，会在 40 ∼ 120 M H z 40 \sim 120\,\mathrm{MHz} 40∼120MHz 产生虚假振铃，衰减高频噪声分量，无法还原真实全带宽纹波噪声。

7.3.4 屏蔽结构差，内外信号耦合干扰

探头信号线与地线平行分离，外层屏蔽不完整，空间射频、相邻开关节点的共模噪声极易串入测量回路，共模抑制比（CMRR）在 10 M H z 10\,\mathrm{MHz} 10MHz 以上急剧恶化。

08 测量实践要点

探头的标称带宽只有在连接条件合适时才能发挥出来。装上长接地线后，不能再按标称参数理解测量结果。
约 15 c m 15\,\mathrm{cm} 15cm 的普通接地线可带来约 150 n H 150\,\mathrm{nH} 150nH 寄生电感，并与探头输入电容形成谐振。边沿越快、源阻抗越低，振铃通常越明显。
看到过冲和振铃，先换成短的接地环并就近接地，再判断被测电路是否真的有问题。
最有效的办法是缩短信号与回流路径；加粗导线、只摘掉探头钩，或在尖端增加延长线，均不能解决根本问题。
无法避免长接地线时，可从约 100 Ω 100\,\Omega 100Ω 尖端串联电阻开始尝试，但要同时观察振铃和边沿速度。
高阻探头在高频下并不一定高阻。需要更准确地观察高速边沿时，应考虑低阻（ Z 0 Z_0 Z0）探头或有源探头。
高速测量不能只看示波器和探头的标称参数。示波器、探头、附件、被测点和接地方式共同构成测量系统；其中任何一段路径处理不当，屏幕上的波形都可能混入测量系统自身的响应。

09 参考来源

Howard W. Johnson, Martin Graham. High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall PTR, 1993. ISBN-13: 978-0-13-395724-2.（第 3 章）
Douglas C. Smith. High Frequency Measurements and Noise in Electronic Circuits. New York: Van Nostrand Reinhold, 1993. ISBN-13: 978-0-442-00636-5.（第 4 章）
Thomas H. Lee. Planar Microwave Engineering: A Practical Guide to Theory, Measurement, and Circuits. Cambridge: Cambridge University Press, 2004. ISBN-13: 978-0-521-83526-8.（第 19.2.3c 节）
Tektronix. AM503A Current Probe Amplifier Service Manual , Manual No. 070-8174-01. Beaverton, OR: Tektronix, Inc.（Tektronix 官方文档 https://www.tek.com/en/a6302-manual/am503a-service-manual ）

Reference

示波器探头的作用及工作原理
https://mp.weixin.qq.com/s/rULEX1Jhm0LN41brMRrEFQ
为什么用同轴电缆测试电源纹波，而不用示波器探头？
https://mp.weixin.qq.com/s/eTlwDM-JQt9tKgIpyLa1Bw
怪不得我示波器一直测不准，原来探头接地线的影响辣么大啊
https://mp.weixin.qq.com/s/NtShrPbZNJQAYUF8yUiCdA