拆個(gè)示波器無(wú)源探頭，看看里面到底有啥秘密

01

哪根筋搭錯(cuò)了要去研究一下無(wú)源探頭

一切都起源于一個(gè)問(wèn)題：能不能把1X的無(wú)源探頭當(dāng)同軸線去匹配50歐姆或者75歐姆的系統(tǒng)？有經(jīng)驗(yàn)的人會(huì)立刻回答不能，因?yàn)榫退闶?X的探頭上面也串接了一個(gè)不小的電阻。我手邊正好有一個(gè)報(bào)廢的探頭，拿萬(wàn)用表測(cè)了一測(cè)，內(nèi)芯的電阻有300多歐姆！外導(dǎo)體倒是正常的零點(diǎn)幾歐姆。這樣一條“同軸線”顯然不能拿去匹配50歐姆或者75歐姆的系統(tǒng)。

問(wèn)題看起來(lái)是解決了，可這又加深了我對(duì)無(wú)源探頭的疑問(wèn)：?jiǎn)柺裁刺筋^上要串那么大的電阻，又為什么1X探頭的帶寬比10X探頭小那么多？

02

拆根探頭看看里面有啥

要說(shuō)這無(wú)源探頭還真不太好拆，整體注塑的還特別硬，沒(méi)辦法用水口鉗一點(diǎn)一點(diǎn)把塑料夾下來(lái)吧，塑料外殼去掉了里面還有個(gè)金屬套筒，沒(méi)辦法繼續(xù)夾吧。廢了九牛二虎之力，手上也搞出了幾處傷，終于拆除了這樣一個(gè)玩意：

無(wú)源探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

一根探針，一塊電路板，幾個(gè)電阻電容，一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)，一根同軸線，就這樣。

然后電路長(zhǎng)成這個(gè)樣子：

無(wú)源探頭等效電路圖

03

探頭上的阻尼電阻

果然探頭上串接了不小的電阻，可為什么要串這樣一個(gè)電阻？簡(jiǎn)單建模仿真看看：

示波器測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單模型

其中RS1為源內(nèi)阻，這里取經(jīng)驗(yàn)值25歐姆；RD1是無(wú)源探頭的輸入阻尼電阻，仿真的時(shí)候會(huì)掃參這個(gè)電阻值；L1是探頭線纜的寄生電感，取經(jīng)驗(yàn)值500nH；C1是探頭線纜寄生電容和示波器輸入電容的和，也是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取100pF；R1是示波器的輸入阻抗，為1M歐姆。

把RD的取值作為掃描的參數(shù)，取1、25、50、75、100、150和200歐姆，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和階躍響應(yīng)如下：

這個(gè)阻尼電阻主要作用就是抵消探頭寄生電感帶來(lái)的系統(tǒng)頻響上的尖峰，阻尼電阻過(guò)小尖峰很大，時(shí)域波形會(huì)出現(xiàn)較大的過(guò)沖，阻尼電阻過(guò)大又會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)帶寬不足，實(shí)際的取值往往是根據(jù)探頭和示波器特性，經(jīng)過(guò)調(diào)試權(quán)衡出來(lái)的一個(gè)中間值。

04

為什么10X探頭比1X探頭擁有更高的帶寬

上一節(jié)可以看到，由于寄生電容電感和阻尼電阻的存在，1X探頭下系統(tǒng)的帶寬是比較低的，10X探頭卻可以通過(guò)在衰減網(wǎng)絡(luò)上增加補(bǔ)償電路來(lái)獲得更高的系統(tǒng)帶寬，簡(jiǎn)化的系統(tǒng)模型如下：

10X探頭下示波器測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

這里把阻尼電阻RD1設(shè)置為100歐姆，在1X下帶寬大約是17MHz；阻尼電阻和示代表線纜的寄生電感之間串接了一個(gè)衰減和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，其中C2是一個(gè)可調(diào)電容（還記得探頭上那個(gè)補(bǔ)償旋鈕么）。適當(dāng)調(diào)節(jié)C1、C2、R2和R3的取值，就可以獲得一個(gè)較為理想的系統(tǒng)頻響。

當(dāng)然真實(shí)的情況比這個(gè)模型要復(fù)雜不少。用過(guò)高帶寬無(wú)源探頭的朋友應(yīng)該會(huì)注意到，相比低帶寬探頭，高帶寬探頭除了調(diào)節(jié)低頻（1kHz方波）的那個(gè)可調(diào)點(diǎn)（這里是C2）外，還會(huì)有一到兩個(gè)調(diào)節(jié)高頻的補(bǔ)償點(diǎn)（可能是這里的R2和R3）用來(lái)調(diào)節(jié)高頻的過(guò)沖。

05

非一般的同軸線

探頭上的東西探索的差不多了，下面回到一開(kāi)始那個(gè)問(wèn)題：能不能把1X的無(wú)源探頭當(dāng)同軸線去匹配50歐姆或者75歐姆的系統(tǒng)？不能，因?yàn)樘筋^上串接了較大的阻尼電阻。那么我把探頭剪掉（探頭不便宜，這么做還是挺心疼的），用后面那一截同軸線去匹配50歐姆或者75歐姆的系統(tǒng)行不行？這個(gè)問(wèn)題能回答正確的人就不多了。

先把這一截同軸線拿到VNA上測(cè)測(cè)看是個(gè)什么結(jié)果。

同軸線S11參數(shù)

同軸線S21參數(shù)

什么鬼？！根本就不像是一條同軸線嘛。然后我又測(cè)了很多次，排除VNA故障，排除校準(zhǔn)問(wèn)題，排除測(cè)試方法不當(dāng)，排除同軸線斷了....反正真的就是這么丑。

說(shuō)到這細(xì)心的讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，我一開(kāi)始說(shuō)用萬(wàn)用表測(cè)出來(lái)探頭內(nèi)芯的電阻有300多歐姆，但是后面探頭簡(jiǎn)化的原理圖上，阻尼電阻怎么算都不到200歐姆吧，被我吃掉的100多歐姆難道在這同軸線上？是的沒(méi)錯(cuò)，拿萬(wàn)用表測(cè)這條同軸線芯的電阻，1m多長(zhǎng)的線居然有近180歐姆的電阻。

這么大的電阻當(dāng)然不是線纜壞掉了，肯定有它存在的道理，不廢話上TDR看看。

同軸線TDR測(cè)試

一條斜線，說(shuō)明阻抗在線上是均勻分布的，這難道是傳說(shuō)中的阻抗?jié)u近線？不過(guò)跟普通的阻抗?jié)u近線還有點(diǎn)不一樣，這條線的插入損耗特別大，因?yàn)榇嬖谳^大成分的電阻成分。

被測(cè)源、無(wú)源探頭和示波器組成的一個(gè)系統(tǒng)，源端阻抗未知，終端阻抗1M歐姆，探頭這個(gè)傳輸線要怎么去匹配這個(gè)系統(tǒng)呢？那索性就不匹配了吧，再搞個(gè)高損耗的傳輸線把反射降低一下，就這么簡(jiǎn)單粗暴。（我對(duì)射頻這部分并不是太了解，不知道這樣的說(shuō)法對(duì)不對(duì)，不恰當(dāng)?shù)牡胤竭€希望讀者不吝指出。）