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)源探頭當同軸線(xiàn)去匹配50歐姆或者75歐姆的系統？有經(jīng)驗的人會(huì )立刻回答不能，因為就算是1X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)報廢的探頭，拿萬(wàn)用表測了一測，內芯的電阻有300多歐姆！外導體倒是正常的零點(diǎn)幾歐姆。這樣一條“同軸線(xiàn)”顯然不能拿去匹配50歐姆或者75歐姆的系統。

問(wèn)題看起來(lái)是解決了，可這又加深了我對無(wú)源探頭的疑問(wèn)：?jiǎn)?wèn)什么探頭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)源探頭內部結構

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(xiàn)，就這樣。

然后電路長(cháng)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：

示波器測量系統簡(jiǎn)單模型

其中RS1為源內阻，這里取經(jīng)驗值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(xiàn)纜的寄生電感，取經(jīng)驗值500nH；C1是探頭線(xiàn)纜寄生電容和示波器輸入電容的和，也是根據經(jīng)驗取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，取1、25、50、75、100、150和200歐姆，系統的頻率響應和階躍響應如下：

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 )出現較大的過(guò)沖，阻尼電阻過(guò)大又會(huì )導致系統帶寬不足，實(shí)際的取值往往是根據探頭和示波器特性，經(jīng)過(guò)調試權衡出來(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 )上增加補償電路來(lái)獲得更高的系統帶寬，簡(jiǎn)化的系統模型如下：

10X探頭下示波器測量系統簡(jiǎn)化模型

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

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

05

非一般的同軸線(xiàn)

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)源探頭當同軸線(xiàn)去匹配50歐姆或者75歐姆的系統？不能，因為探頭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(xiàn)去匹配50歐姆或者75歐姆的系統行不行？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(xiàn)拿到VNA上測測看是個(gè)什么結果。

同軸線(xiàn)S11參數

同軸線(xiàn)S21參數

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

說(shuō)到這細心的讀者可能會(huì )發(fā)現，我一開(kāi)始說(shuō)用萬(wàn)用表測出來(lái)探頭內芯的電阻有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(xiàn)上？是的沒(méi)錯，拿萬(wàn)用表測這條同軸線(xiàn)芯的電阻，1m多長(cháng)的線(xiàn)居然有近180歐姆的電阻。

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

同軸線(xiàn)TDR測試

一條斜線(xiàn)，說(shuō)明阻抗在線(xiàn)上是均勻分布的，這難道是傳說(shuō)中的阻抗漸近線(xiàn)？不過(guò)跟普通的阻抗漸近線(xiàn)還有點(diǎn)不一樣，這條線(xiàn)的插入損耗特別大，因為存在較大成分的電阻成分。

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