信號源阻抗會影響探頭負荷的凈效應

信號源阻抗的值可能會明顯影響探頭負荷的凈效應。例如，在信號源阻抗低時，很難注意得到典型高阻抗10X 探頭的負荷效應。這是因為與低阻抗并聯增加的高阻抗不會明顯改變總阻抗。

圖1，在測試點 (TP) 上測量的信號可以通過信號源和相關的負荷阻抗表示 (1.a)。探測測試點在信號源負荷上增加了探頭和示波器阻抗，導致測量系統吸收部分電流 (1.b)。

但是，在更高的信號源阻抗時，情況發生明顯變化。例如，考慮一下圖1中的信號源阻抗具有相同的值，且該值等于探頭阻抗和示波器阻抗總和，如圖2所示。

圖 2. 信號源阻抗越高，探測導致的負荷越大。在這種情況下，所有阻抗都相等，探測導致測試點上的信號幅度下降了 30% 以上。

對相等的 Z 值，在沒有把探頭和示波器連接到測試點時，信號源負荷是 2Z ( 參見圖2.a)。這導致在未探測的測試點上產生了 0.5ES 的信號幅度。但是，在連接探頭和示波器時 ( 圖2.b)，信號源上的總負荷變成1.5Z，測試點上的信號幅度降低到未探測值的 2/3。

在后一種情況下，可以采取兩種方法，降低探測對阻抗負荷的影響。一種方法是使用阻抗更高的探頭。另一種方法是在阻抗較低的測試點的電路中其它地方探測信號。例如，陰極、發射機和信號源的阻抗通常要低于金屬盤、集電極或加蔽線。

電容負荷

隨著信號頻率或轉換速率提高，阻抗的電容成分變成主要因素。結果，電容負荷成為主要問題。特別是電容負荷會影響快速轉換波形上的上升時間和下降時間及波形中高頻成分的幅度。

對上升時間的影響

為說明電容負荷，讓我們考慮一下上升時間非常快的脈沖發生器，如圖3所示，其中理想發生器輸出上的脈沖的上升時間為零 (tr = 0)。但是，信號源阻抗負荷相關的電阻和電容改變了這個零上升時間。

圖3. 脈沖發生器的上升時間取決于其 RC 負荷

RC積分網絡一直產生 2.2RC的 10 - 90% 上升時間。這從電容器的通用時間常數曲線中推導得出。取值 2.2是 C 通過 R 充電，把脈沖幅度從 10% 提高到 90% 所需的 RC 時間。

在圖3的情況下，50 歐姆和 20 pF 的信號源阻抗導致 2.2 ns 的脈沖上升時間。這個 2.2RC 值是脈沖可以擁有的最快上升時間。

圖4. 探頭增加的電容提高了 RC 值，同時提高了測得的上升時間

在探測脈沖發生器的輸出時，探頭的輸入電容和電阻加到脈沖發生器的值中，如圖 4.4 所示，其中增加了10 兆歐和 11 pF 的典型探頭。由于探頭 10 兆歐電阻要遠遠大于發生器的 50 歐姆電阻，因此探頭的電阻可以忽略不計。但是，探頭的電容與負荷電容大體持平，直接增加得到 31 pF 的負荷電容。這提高了 2.2RC 的值，導致測得的上升時間提高到 3.4 ns，而探測前的上升時間為 2.2 ns。

通過使用探頭規定電容與已知或估算源電容之比，可以估計探頭尖端電容對上升時間的影響。使用圖4中的值，可以估算上升時間的百分比變化如下：

C 探頭尖端 /C1 x 100%=11 pF/20 pF x 100%= 55%

從上面可以清楚地看出，探頭選擇、尤其是探頭電容的選擇會影響上升時間測量。對無源探頭，一般來說，衰減比率越大，頭部電容越低。從下表1中可以看出這一點，其中介紹了各種無源探頭的部分探頭電容實例。

表1. 探頭尖端電容

在需要較小的頭部電容時，應使用有源 FET 輸入探頭。根據具體的有源探頭模型，可以提供小于等于 1 pF的頭部電容。

除影響上升時間外，電容負荷還影響著波形中高頻成分的幅度和相位。這個我們留待下期再作以詳細說明。

審核編輯 黃宇