信号源阻抗对探头负荷的净效应影响

信号源阻抗会影响探头负荷的净效应

信号源阻抗的值可能会明显影响探头负荷的净效应。例如，在信号源阻抗低时，很难注意得到典型高阻抗10X 探头的负荷效应。这是因为与低阻抗并联增加的高阻抗不会明显改变总阻抗。

图1，在测试点 (TP) 上测量的信号可以通过信号源和相关的负荷阻抗表示 (1.a)。探测测试点在信号源负荷上增加了探头和示波器阻抗，导致测量系统吸收部分电流 (1.b)。

但是，在更高的信号源阻抗时，情况发生明显变化。例如，考虑一下图1中的信号源阻抗具有相同的值，且该值等于探头阻抗和示波器阻抗总和，如图2所示。

图 2. 信号源阻抗越高，探测导致的负荷越大。在这种情况下，所有阻抗都相等，探测导致测试点上的信号幅度下降了 30% 以上。

对相等的 Z 值，在没有把探头和示波器连接到测试点时，信号源负荷是 2Z ( 参见图2.a)。这导致在未探测的测试点上产生了 0.5ES 的信号幅度。但是，在连接探头和示波器时 ( 图2.b)，信号源上的总负荷变成1.5Z，测试点上的信号幅度降低到未探测值的 2/3。

在后一种情况下，可以采取两种方法，降低探测对阻抗负荷的影响。一种方法是使用阻抗更高的探头。另一种方法是在阻抗较低的测试点的电路中其它地方探测信号。例如，阴极、发射机和信号源的阻抗通常要低于金属盘、集电极或加蔽线。

电容负荷

随着信号频率或转换速率提高，阻抗的电容成分变成主要因素。结果，电容负荷成为主要问题。特别是电容负荷会影响快速转换波形上的上升时间和下降时间及波形中高频成分的幅度。

对上升时间的影响

为说明电容负荷，让我们考虑一下上升时间非常快的脉冲发生器，如图3所示，其中理想发生器输出上的脉冲的上升时间为零 (tr = 0)。但是，信号源阻抗负荷相关的电阻和电容改变了这个零上升时间。

图3. 脉冲发生器的上升时间取决于其 RC 负荷

RC积分网络一直产生 2.2RC的 10 - 90% 上升时间。这从电容器的通用时间常数曲线中推导得出。取值 2.2是 C 通过 R 充电，把脉冲幅度从 10% 提高到 90% 所需的 RC 时间。

在图3的情况下，50 欧姆和 20 pF 的信号源阻抗导致 2.2 ns 的脉冲上升时间。这个 2.2RC 值是脉冲可以拥有的最快上升时间。

图4. 探头增加的电容提高了 RC 值，同时提高了测得的上升时间

在探测脉冲发生器的输出时，探头的输入电容和电阻加到脉冲发生器的值中，如图 4.4 所示，其中增加了10 兆欧和 11 pF 的典型探头。由于探头 10 兆欧电阻要远远大于发生器的 50 欧姆电阻，因此探头的电阻可以忽略不计。但是，探头的电容与负荷电容大体持平，直接增加得到 31 pF 的负荷电容。这提高了 2.2RC 的值，导致测得的上升时间提高到 3.4 ns，而探测前的上升时间为 2.2 ns。

通过使用探头规定电容与已知或估算源电容之比，可以估计探头尖端电容对上升时间的影响。使用图4中的值，可以估算上升时间的百分比变化如下：

C 探头尖端 /C1 x 100%=11 pF/20 pF x 100%= 55%

从上面可以清楚地看出，探头选择、尤其是探头电容的选择会影响上升时间测量。对无源探头，一般来说，衰减比率越大，头部电容越低。从下表1中可以看出这一点，其中介绍了各种无源探头的部分探头电容实例。

表1. 探头尖端电容

在需要较小的头部电容时，应使用有源 FET 输入探头。根据具体的有源探头模型，可以提供小于等于 1 pF的头部电容。

除影响上升时间外，电容负荷还影响着波形中高频成分的幅度和相位。这个我们留待下期再作以详细说明。

审核编辑 黄宇