一種有源單端探頭及一種測試測量儀器的製造方法
2023-12-02 23:02:46 3
一種有源單端探頭及一種測試測量儀器的製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種有源單端探頭和一種測試測量儀器，所述有源單端探頭包括：信號輸入端、手持前端、探頭放大器和信號輸出端；還包括：阻值相同的第一平衡電阻和第二平衡電阻；第一平衡電阻的一端接地，非接地端連接在輸入阻抗單元的輸出端和放大器單元的第一輸入端之間的串聯連線上；第二平衡電阻的一端接地，非接地端連接在第二電阻的非接地端和放大器單元的第二輸入端之間的串聯連線上，第二平衡電阻與第二電阻並聯後的阻值小於第二電阻的阻值。本發明由於並聯後的等效電阻相對於第二電阻變小了，而放大器單元的偏置電流固定不變，因此，由等效電阻產生偏移電壓也同樣變小了。
【專利說明】
一種有源單端探頭及一種測試測量儀器
【技術領域】
[0001]本發明涉及測試測量【技術領域】，特別是涉及一種有源單端探頭及一種測試測量儀器。
【背景技術】
[0002]在測試測量領域中，探頭是一種採集信號的裝置，它可以將採集的被測信號輸入到測試測量儀器中。和探頭結合使用的測試測量儀器可以是示波器、頻譜分析儀器或數據採集裝置等。
[0003]探頭通常包括無源探頭和有源探頭兩種，根據探頭內部不同的前端電路，有源探頭通常分為差分探頭和單端探頭兩種。根據探頭外部不同的結構，差分探頭又包括手持式差分探頭和焊接式差分探頭，單端探頭又包括手持式單端探頭和焊接式單端探頭。
[0004]有源差分探頭的電路結構基本一致。例如，申請號為200910237397.5的中國專利申請公開了一種有源差分電壓探頭。如圖1所示，有源差分探頭100包括手柄端101、同軸線和探頭放大器102。手柄端101設有兩個輸入端IN+和IN-，用於接入差分被測信號的正負端。輸入端IN+連接有阻尼電阻R1P，輸入端IN-連接有阻尼電阻R1N。阻尼電阻RlP與電阻R2P、電容ClP並聯構成的RC分壓電路相串聯。阻尼電阻RlN與電阻R2N、電容ClN並聯構成的RC分壓電路相串聯。電阻R2P、電容ClP並聯構成的RC分壓電路的另一端連接於手柄正極輸出端。電阻R2N、電容ClN並聯構成的RC分壓電路的另一端連接於手柄負極輸出端。
[0005]手柄正極輸出端通過同軸線I與探頭放大器102的正極輸入端相連。手柄負極輸出端通過同軸線2與探頭放大器102的負極輸入端相連。
[0006]探頭放大器102由全差分放大器Ul及若干電容電阻構成。探頭放大器102的正極輸入端連接有終端電阻RTP，探頭放大器102的負極輸入端連接有終端電阻RTN。終端電阻RTP接入全差分放大器Ul的正輸入端，終端電阻RTN接入全差分放大器Ul的負輸入端。由電阻R4P與電容C2P串聯後再與電阻R3P並聯所構成的RC分壓電路，並聯在全差分放大器Ul的正輸入端和負輸出端之間。由電阻R4N與電容C2N串聯後再與電阻R3N並聯所構成的RC分壓電路,並聯在全差分放大器Ul的負輸入端和正輸出端之間。全差分放大器Ul的負輸出端為探頭放大器102的正極輸出端,全差分放大器Ul的正輸出端為探頭放大器102的負極輸出端。
[0007]探頭放大器102的正極輸出端通過電阻R6接地。探頭放大器102的負極輸出端通過電阻R5與同軸線3相連，並通過同軸線3將被測信號輸出至示波器。為了保證有源差分探頭100的正負輸入對稱，一般設計時取RlP=RlN, R2P=R2N，ClP=ClN, RTP=RTN, R4P=R4N，R3P=R3N，C2P=C2N。上述公開文件中還介紹了多種有源差分探頭的實現方式，圖1所示的結構僅是其一種實現方式，但有源差分探頭的主要結構均是由手柄端101和探頭放大器102構成。
[0008]有源單端探頭的電路結構與有源差分探頭100的電路結構部分類似，參照圖2，有源單端探頭200也包括手柄端201和探頭放大器202，手柄端201具有輸入端IN+的一條支路以及除手柄端201以外的電路結構與有源差分探頭100相同，與有源差分探頭100所不同的是，手柄端201的另一條支路由一端接地的電阻R2N直接連接至同軸線2。
[0009]有源單端探頭200的此種結構，存在如下問題:當使用有源單端探頭200時，由於探頭放大器202的負極輸入端通過電阻R2N接地，探頭放大器202的負極輸入端與地之間會產生偏置電流I，偏置電流I會在電阻R2N上形成偏移電壓，這樣在測量被測信號時，會在測試測量儀器上看到被測信號具有一個明顯的偏移電壓信號，當測試測量儀器的垂直檔位較小時，該偏移電壓信號尤為明顯。
【發明內容】
[0010]本發明所要解決的技術問題是提供一種有源單端探頭和一種測試測量儀器，能夠減小探頭產生的偏移電壓。
[0011]為了解決上述問題，本發明公開了一種有源單端探頭，包括:信號輸入端、手持前端、探頭放大器和信號輸出端；
[0012]手持前端包括:第一電阻、輸入阻抗單元和第二電阻；第一電阻的一端連接信號輸入端，另一端連接輸入阻抗單元的輸入端，第二電阻的一端接地；
[0013]探頭放大器包括:第一終端電阻、第二終端電阻和放大器單元；第一終端電阻的一端電連接阻抗單元的輸出端，另一端連接放大器單元的第一輸入端；第二終端電阻的一端電連接第二電阻的非接地端，另一端連接放大器單元的第二輸入端，放大器單元的第一輸出端通過串聯的第一負載電阻接地，放大器單元的第二輸出端通過串聯的第二負載電阻連接信號輸出端；
[0014]所述有源單端探頭還包括:阻值相同的第一平衡電阻和第二平衡電阻；第一平衡電阻的一端接地，非接地端連接在輸入阻抗單元的輸出端和放大器單元的第一輸入端之間的串聯連線上；第二平衡電阻的一端接地，非接地端連接在第二電阻的非接地端和放大器單元的第二輸入端之間的串聯連線上，其中，第二平衡電阻與第二電阻並聯後的阻值小於第二電阻的阻值。
[0015]作為一個舉例說明，本發明所述的第一平衡電阻的非接地端連接放大器單元的第一輸入端，第二平衡電阻的非接地端連接放大器單元的第二輸入端。
[0016]作為一個舉例說明，本發明所述的第一平衡電阻的非接地端連接輸入阻抗單元的輸出端，第二平衡電阻的非接地端連接第二電阻的非接地端。
[0017]作為一個舉例說明，本發明所述的第一終端電阻的一端通過串聯的第一同軸線電連接阻抗單元的輸出端，第二終端電阻的一端通過串聯的第二同軸線電連接第二電阻的非接地端；第一平衡電阻的非接地端連接在第一同軸線與第一終端電阻之間的串聯連線上，第二平衡電阻的非接地端連接在第二同軸線與第二終端電阻之間的串聯連線上。
[0018]作為一個舉例說明，在手持前端和探頭放大器的PCB板上，第一平衡電阻和第二平衡電阻相對於放大器單元對稱布設。
[0019]作為一個舉例說明，本發明所述的輸入阻抗單元包括並聯的輸入電阻和輸入電容；第二電阻和輸入電阻的阻值相同，第二電阻與第二平衡電阻的阻值比例為100:1。
[0020]作為一個舉例說明，本發明所述的第二平衡電阻的取值範圍為1ΚΩ?10ΚΩ。
[0021]作為一個舉例說明，本發明所述的放大器單元包括:第一全差分放大器、連接在第一全差分放大器的正輸入端與其負輸出端之間的第一反饋阻抗單元、連接在第一全差分放大器的負輸入端與其正輸出端之間的第二反饋阻抗單元；第一全差分放大器的正輸入端作為放大器單元的第一輸入端，其負輸入端作為放大器單元的第二輸入端，其負輸出端作為放大器單元的第一輸出端，其正輸出端作為放大器單元的第二輸出端。
[0022]作為一個舉例說明，本發明所述的探頭還包括緩衝電路，所述緩衝電路包括:第二全差分放大器、連接在放大器單元的第一輸出端和第二全差分放大器的負輸入端之間的第一緩衝電阻、連接在放大器單元的第二輸出端和第二全差分放大器的正輸入端之間的第二緩衝電阻、連接在第二全差分放大器的負輸入端與其正輸出端之間的第一反饋電阻、連接在第二全差分放大器的正輸入端與其負輸出端之間的第二反饋電阻；放大器單元的第一輸出端通過串聯的第一緩衝電阻、第一反饋電阻、第一負載電阻接地，放大器單元的第二輸出端通過第二緩衝電阻、第二反饋電阻和第二負載電阻連接信號輸出端。
[0023]作為一個舉例說明，本發明所述的放大器單元包括:第一全差分放大器、連接在第一全差分放大器的正輸入端與其負輸出端之間的第一反饋阻抗單元、連接在第一全差分放大器的負輸入端與其正輸出端之間的第二反饋阻抗單元；第一全差分放大器的正輸入端作為放大器單元的第一輸入端，其負輸入端作為放大器單元的第二輸入端，其正輸出端作為放大器單元的第一輸出端，其負輸出端作為放大器單元的第二輸出端。
[0024]作為一個舉例說明，本發明所述的放大器單元包括:正輸入端接地的第一放大器、正輸入端接地的第二放大器、連接在第一放大器的負輸入端與其輸出端之間的第一反饋阻抗單元、連接在第二放大器的負輸入端與其輸出端之間的第二反饋阻抗單元；第一放大器的負輸入端作為放大器單元的第一輸入端，其輸出端作為放大器單元的第一輸出端；第二放大器的負輸入端作為放大器單元的第二輸入端，其輸出端作為放大器單元的第二輸出端。
[0025]作為一個舉例說明，本發明所述的第一反饋阻抗單元和第二反饋阻抗單元中的每一個均包括:一個電阻與一個電容串聯後、再與另一個電阻並聯而成的阻容結構；阻容結構中電容的取值範圍為0.1pF?0.4pF，阻容結構中電阻的取值範圍為200 Ω?500 Ω。
[0026]本發明還公開了一種測試測量儀器，包括有源單端探頭，所述有源單端探頭包括:信號輸入端、手持前端、探頭放大器和信號輸出端；手持前端包括:第一電阻、輸入阻抗單元和第二電阻；第一電阻的一端連接信號輸入端，另一端連接輸入阻抗單元的輸入端，第二電阻的一端接地；探頭放大器包括:第一終端電阻、第二終端電阻和放大器單元；第一終端電阻的一端電連接阻抗單元的輸出端，另一端連接放大器單元的第一輸入端；第二終端電阻的一端電連接第二電阻的非接地端，另一端連接放大器單元的第二輸入端，放大器單元的第一輸出端通過串聯的第一負載電阻接地，放大器單元的第二輸出端通過串聯的第二負載電阻連接信號輸出端；
[0027]所述有源單端探頭還包括:阻值相同的第一平衡電阻和第二平衡電阻；第一平衡電阻的一端接地，非接地端連接在輸入阻抗單元的輸出端和放大器單元的第一輸入端之間的串聯連線上；第二平衡電阻的一端接地，非接地端連接在第二電阻的非接地端和放大器單元的第二輸入端之間的串聯連線上，其中，第二平衡電阻與第二電阻並聯後的阻值小於第二電阻的阻值。
[0028]所述測試測量儀器中的有源單端探頭可以為前述各個舉例說明中的有源單端探頭。
[0029]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0030]1、本發明在有源單端探頭電路的兩條支路上對稱性的增加第一平衡電阻和第二平衡電阻，相當於在第二電阻上並聯了一個小阻值電阻，則並聯後的等效電阻相對於第二電阻變小了，而放大器單元的偏置電流固定不變，因此，等效電阻兩端的電壓，即由第二電阻產生的偏移電壓，也同樣變小了。
[0031]2、第一平衡電阻、第二平衡電阻的非接地端有多種設置形式，在走線儘量短的情況下，即最靠近放大器單元的第一輸入端和第二輸入端時，可以減小產生的寄生電感和寄生電容，避免影響探頭的高頻部分參數。
[0032]3、在手持前端和探頭放大器的PCB板上，第一平衡電阻和第二平衡電阻相對於放大器單元對稱布設，以保證更好的對稱性，獲得更好的帶內平坦度。
[0033]4、第二電阻與第二平衡電阻的阻值比例優選為100:1，使得二者的並聯得到的等效電阻，相比第二電阻明顯的減小，以達到減小偏移電壓的目的；並且平衡電阻的取值也不會由於過小而影響有源單端探頭的帶寬與頻響參數。
[0034]5、輸入電阻、第二電阻的取值範圍可以為100K?1ΜΩ，則相對比現有技術，增大了輸入阻抗，並取值在合適的範圍，既能夠保證探頭的帶寬以及帶內平坦度參數，又減小了對被測信號產生的幹擾，擴大了探頭的可測性以及使用範圍。
[0035]6、阻容結構中電容的取值範圍為0.1pF?0.4pF，阻容結構中電阻的取值範圍為200 Ω?500Ω。則通過調節放大器單元中的反饋參數，增大電阻，減小電容，從而增大了高頻補償路徑的阻抗，減小了衰減比例，實現了增加探頭高頻帶寬的目的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036]圖1是現有技術公開的一種有源差分探頭100的電路圖；
[0037]圖2是現有技術公開的一種有源單端探頭200的電路圖；
[0038]圖3是本發明實施例一給出的一種有源單端探頭300的電路圖；
[0039]圖4是本發明實施例二給出的一種有源單端探頭400的電路圖；
[0040]圖5是本發明實施例三給出的一種有源單端探頭500的電路圖；
[0041]圖6是本發明實施例四給出的一種有源單端探頭600的電路圖；
[0042]圖7是本發明實施例五給出的一種有源單端探頭700的電路圖；
[0043]圖8是本發明實施例六給出的一種有源單端探頭800的電路圖；
[0044]圖9是本發明實施例七給出的一種有源單端探頭900的電路圖。
【具體實施方式】
[0045]為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。
[0046]實施例一
[0047]參照圖3，示出了本發明實施例一給出的一種有源單端探頭300的電路圖。有源單端探頭300包括:信號輸入端IN+、手持前端301、探頭放大器302和信號輸出端OUT。
[0048]手持前端301 (也稱手柄端)包括:第一電阻RIP、輸入阻抗單元3011和第二電阻R2N ;第一電阻RlP的一端連接信號輸入端IN+，另一端連接輸入阻抗單元3011的輸入端，第二電阻R2N的一端接地GND ；
[0049]探頭放大器302包括:第一終端電阻RTP、第二終端電阻RTN和放大器單元3021 ；第一終端電阻RTP的一端電連接阻抗單元3011的輸出端，另一端連接放大器單元3021的第一輸入端ini ;第二終端電阻RTN的一端電連接第二電阻R2N的非接地端，另一端連接放大器單兀3021的第二輸入端in2,放大器單兀3021的第一輸出端outl通過串聯的第一負載電阻R6接地，放大器單元3021的第二輸出端out2通過串聯的第二負載電阻R5連接信號輸出端OUT。
[0050]作為一個舉例說明，第一終端電阻RTP的一端通過串聯的同軸線I電連接阻抗單元3011的輸出端，第二終端電阻RTN的一端通過串聯的同軸線2電連接第二電阻R2N的非接地端。第二負載電阻R5和信號輸出端OUT之間還連接有同軸線3。同軸線1、同軸線2和同軸線3可以是高帶寬同軸線纜。作為另一個舉例說明，還可以將同軸線1、同軸線2和同軸線3替換為具有屏蔽層、絕緣層的插針、插線等。
[0051]本發明實施例一中，輸入阻抗單兀3011包括並聯的輸入電阻R2P和輸入電容ClP。放大器單兀3021包括:第一全差分放大器U1、連接在第一全差分放大器Ul的正輸入端與第一全差分放大器Ul的負輸出端之間的第一反饋阻抗單元3022、連接在第一全差分放大器Ul的負輸入端與第一全差分放大器Ul的正輸出端之間的第二反饋阻抗單兀3023。第一全差分放大器Ul的正輸入端作為放大器單元3021的第一輸入端inl，其負輸入端作為放大器單元3021的第二輸入端in2，其負輸出端作為放大器單元3021的第一輸出端outl，其正輸出端作為放大器單元3021的第二輸出端out2。第一反饋阻抗單元3022包括電阻R4P與電容C2P串聯後、再與電阻R3P並聯所構成的阻容結構，第二反饋阻抗單元3023包括電阻R4N與電容C2N串聯後、再與電阻R3N並聯所構成的阻容結構。
[0052]輸入阻抗單元3011和放大器單元3021用於衰減來自於信號輸入端IN+的被測信號，其中，輸入阻抗單元3011和第二電阻R2N作為有源單端探頭300的輸入阻抗，與第一反饋阻抗單元3022、第二反饋阻抗單元3023組成衰減比例電路。探頭放大器302有兩個作用:一個是與手持前端301組成衰減網絡，用於衰減由信號輸入端IN+接入的被測信號，另一個是用於提高電路帶載能力和系統帶寬。
[0053]為了保證有源單端探頭300的對稱，一般設計時取R2P=R2N，RTP=RTN, R4P=R4N,R3P=R3N, C2P=C2N。作為一個優選的實施例，各個器件的參數可以有如下取值:C1P=0.2pF，R2P=R2N=100k Ω，RTP=RTN=50 Ω，R3P=R3N=20K Ω，C2P=C2N=0.4pF, R4P=R4N=200 Ω。在具體實施例中，還可以在第二電阻R2N的兩端並聯一個電容，該電容的取值與輸入電容ClP相同，以保證更好的對稱性，獲得更好的帶內平坦度。
[0054]有源單端探頭300還包括:阻值相同的第一平衡電阻REP和第二平衡電阻REN ;第一平衡電阻REP的一端接地，第一平衡電阻REP的非接地端連接放大器單元3021的第一輸入端inl ;第二平衡電阻REN的一端接地，第二平衡電阻REN的非接地端連接放大器單元3021的第二輸入端in2，其中，第二平衡電阻REN與第二電阻R2N並聯後的阻值小於第二電阻R2N的阻值。
[0055]由於偏移電壓是圖3中第二電阻R2N與放大器單元3021的偏置電流I的乘積。由於第二終端電阻RTN的阻值(通常為幾十歐)遠小於第二電阻R2N的阻值(通常達到上千歐)，因此，忽略不計第二終端電阻RTN，在電路的兩條支路上對稱性的增加第一平衡電阻REP和第二平衡電阻REN，相當於在第二電阻R2N上並聯了一個小阻值電阻，則並聯後的等效電阻相對於第二電阻R2N變小了，而放大器單元3021的偏置電流I固定不變，因此，等效電阻兩端的電壓，即由第二電阻R2N產生的偏移電壓，也同樣變小了。
[0056]實施例二
[0057]參照圖4，示出了本發明實施例二給出的一種有源單端探頭400的電路圖。有源單立而探頭400包括:彳目號輸入糹而IN+、手持如糹而401、探頭放大器402和彳目號輸出糹而OUT。手持前端401包括:第一電阻R1P、輸入阻抗單元4011和第二電阻R2N ;探頭放大器402包括:第一終端電阻RTP、第二終端電阻RTN和放大器單元4021。各個部件的連接關係及其內部的電路結構、各個元器件的取值範圍，可參見實施例一。
[0058]與實施例一不同的是，第一平衡電阻REP的一端接地，第一平衡電阻REP的非接地端連接輸入阻抗單元4011的輸出端，第二平衡電阻REN的一端接地，第二平衡電阻REN的非接地端連接第二電阻R2N的非接地端。
[0059]實施例三
[0060]參照圖5，示出了本發明實施例三給出的一種有源單端探頭500的電路圖。有源單立而探頭500包括:彳目號輸入糹而IN+、手持如糹而501、探頭放大器502和彳目號輸出糹而OUT。手持前端501包括:第一電阻R1P、輸入阻抗單元5011和第二電阻R2N ;探頭放大器502包括:第一終端電阻RTP、第二終端電阻RTN和放大器單元5021。各個部件的連接關係及其內部的電路結構、各個元器件的取值範圍，可參見實施例一。
[0061]與實施例一不同的是，第一平衡電阻REP的一端接地，第一平衡電阻REP的非接地端連接在同軸線I與第一終端電阻RTP之間的串聯連線上，即同軸線I的輸出端；第二平衡電阻REN的一端接地，第二平衡電阻REN的非接地端連接在同軸線2與第二終端電阻RTN之間的串聯連線上，即同軸線2的輸出端。
[0062]通過上述實施例一、二和三，可以看出，由於第二平衡電阻RTN與第二電阻R2N並聯後的阻值小於第二電阻R2N的阻值，因此，並聯後的等效電阻變小了，而放大器單元3021、4021、5021的偏置電流I為第一全差分放大器Ul的固有性能指標，固定不變，因此，等效電阻兩端的電壓，即由第二電阻R2N產生的偏移電壓，也同樣變小了。需要說明的是，第一平衡電阻REP、第二平衡電阻REN的接地端要儘可能靠近放大器單元3021、4021、5021，避免對地形成耦合電容，此外，第一平衡電阻REP、第二平衡電阻REN的走線應儘量短，以免產生寄生電感和寄生電容，影響探頭的高頻部分參數。因此，實施例一為優選的實施例，相比實施例二和三，對高頻部分的影響最小。
[0063]實施例四
[0064]在前述的實施例一、二和三中，該有源差分電壓探頭僅採用了一個全差分放大器Ul來實現一級比例放大電路。在無法滿足整體衰減倍數時，就可以設計第二級的緩衝電路來實現不足夠的增益，以保證有源單端探頭達到所需要的增益。
[0065]參照圖6，示出了本發明實施例四給出的一種有源單端探頭600的電路圖。有源單端探頭600包括:信號輸入端IN+、手持前端601、探頭放大器602、緩衝電路603和信號輸出端OUT。手持前端601包括:第一電阻R1P、輸入阻抗單元6011和第二電阻R2N ;探頭放大器602包括:第一終端電阻RTP、第二終端電阻RTN和放大器單元6021。放大器單元6021包括:第一全差分放大器U1、連接在第一全差分放大器Ul的正輸入端與其負輸出端之間的第一反饋阻抗單元6022、連接在第一全差分放大器Ul的負輸入端與其正輸出端之間的第二反饋阻抗單元6023。各個部件的連接關係及其內部的電路結構、各個元器件的取值範圍，可參見實施例一。
[0066]第一全差分放大器Ul的正輸入端作為放大器單元6021的第一輸入端inl,第一全差分放大器Ul的負輸入端作為放大器單元6021的第二輸入端in2。與實施例一不同的是，第一全差分放大器Ul的正輸出端作為放大器單元6021的第一輸出端outl,第一全差分放大器Ul的負輸出端作為放大器單兀6021的第二輸出端out2。
[0067]有源單端探頭600還包括緩衝電路603，緩衝電路603包括:第二全差分放大器U2、連接在放大器單兀6021的第一輸出端outl和第二全差分放大器U2的負輸入端之間的第一緩衝電阻R7N、連接在放大器單元6021的第二輸出端out2和第二全差分放大器U2的正輸入端之間的第二緩衝電阻R7P、連接在第二全差分放大器U2的負輸入端與其正輸出端之間的第一反饋電阻R8N、連接在第二全差分放大器U2的正輸入端與其負輸出端之間的第二反饋電阻R8P。放大器單元6021的第一輸出端outl通過串聯的第一緩衝電阻R7N、第一反饋電阻R8N、第一負載電阻R6接地，放大器單元6021的第二輸出端out2通過串聯的第二緩衝電阻R7P、第二反饋電阻R8P、第二負載電阻R5連接信號輸出端OUT。在緩衝電路600中，各個電阻可以有如下取值:R7P=R7N=100Q，R8P=R8N=200 Ω。
[0068]實施例五
[0069]參照圖7，示出了本發明實施例五給出的一種有源單端探頭700的電路圖。有源單端探頭700包括:信號輸入端IN+、手持前端701、探頭放大器702、緩衝電路703和信號輸出端OUT。手持前端701包括:第一電阻R1P、輸入阻抗單元7011和第二電阻R2N ;探頭放大器702包括:第一終端電阻RTP、第二終端電阻RTN和放大器單元7021。緩衝電路703包括:第二全差分放大器U2、連接在放大器單兀7021的第一輸出端outl和第二全差分放大器U2的負輸入端之間的第一緩衝電阻R7N、連接在放大器單元7021的第二輸出端out2和第二全差分放大器U2的正輸入端之間的第二緩衝電阻R7P、連接在第二全差分放大器U2的負輸入端與其正輸出端之間的第一反饋電阻R8N、連接在第二全差分放大器U2的正輸入端與其負輸出端之間的第二反饋電阻R8P。各個部件的連接關係及其內部的電路結構、各個元器件的取值範圍，相關內容可分別參見實施例一和實施例四。
[0070]與實施例四不同的是，第一平衡電阻REP的一端接地，第一平衡電阻REP的非接地端連接輸入阻抗單元7011的輸出端，第二平衡電阻REN的一端接地，第二平衡電阻REN的非接地端連接第二電阻R2N的非接地端。
[0071]可以理解的是，作為另一個實施例，在具有緩衝電路的有源單端探頭中，第一平衡電阻REP和第二平衡電阻REN的連接位置可以參照圖5所示的實施例三，其中，第一平衡電阻REP的一端接地，第一平衡電阻REP的非接地端連接在同軸線I與第一終端電阻RTP之間的串聯連線上，即同軸線I的輸出端；第二平衡電阻REN的一端接地，第二平衡電阻REN的非接地端連接在同軸線2與第二終端電阻RTN之間的串聯連線上，即同軸線2的輸出端。信號輸入端、手持前端、探頭放大器、緩衝電路和信號輸出端的內部電路結構和連接關係，可參見圖6所示的實施例四,此處從略,不再給出具體電路圖。
[0072]通過上述實施例四和五，可以看出，由於第二平衡電阻RTN與第二電阻R2N並聯後的阻值小於第二電阻R2N的阻值，因此，並聯後的等效電阻變小了，而放大器單元6021、7021的偏置電流I為第一全差分放大器Ul的固有性能指標，固定不變，因此，等效電阻兩端的電壓，即由第二電阻R2N產生的偏移電壓，也同樣變小了。同樣的，第一平衡電阻REP、第二平衡電阻REN的接地端也需要儘可能靠近放大器單元6021、7021，且走線應儘量短，以免產生寄生電感和寄生電容，影響探頭的高頻部分參數。因此，實施例四為優選的實施例，相比實施例五，對高頻部分的影響最小。
[0073]實施例六
[0074]在具有緩衝電路的有源單端探頭中，探頭放大器除了可以採用如前述實施例四和五所示的單個全差分放大器Ui設計外，還可以採用兩個普通放大器的設計方式。
[0075]參照圖8，示出了本發明實施例六給出的一種有源單端探頭800的電路圖。有源單端探頭800包括:信號輸入端IN+、手持前端801、探頭放大器802、緩衝電路803和信號輸出端OUT。手持前端801包括:第一電阻R1P、輸入阻抗單元8011和第二電阻R2N ;探頭放大器802包括:第一終端電阻RTP、第二終端電阻RTN和放大器單元8021。緩衝電路803包括:第二全差分放大器U2、第一緩衝電阻R7N、第二緩衝電阻R7P、第一反饋電阻R8N和第二反饋電阻R8P。各個部件的連接關係及其內部的電路結構、各個元器件的取值範圍，相關內容可分別參見實施例一和實施例四。
[0076]與實施例四不同的是，放大器單元8021包括:正輸入端接地的第一放大器U11、正輸入端接地的第二放大器U12、連接在第一放大器Ull的負輸入端與其輸出端之間的第一反饋阻抗單元8022、連接在第二放大器U12的負輸入端與其輸出端之間的第二反饋阻抗單元8023。第一反饋阻抗單元8022和第二反饋阻抗單元8023的內部電路結構和元器件的取值範圍可參見實施例一。第一放大器Ull的負輸入端作為放大器單元8021的第一輸入端inl,第一放大器UlI的輸出端作為放大器單兀8021的第一輸出端outl ;第二放大器U12的負輸入端作為放大器單兀8021的第二輸入端in2,第二放大器U12的輸出端作為放大器單兀8021的第二輸出端out2。放大器單兀8021的第一輸出端outl通過串聯的第一緩衝電阻R7N、第一反饋電阻R8N、第一負載電阻R6接地，放大器單元8021的第二輸出端out2通過串聯的第二緩衝電阻R7P、第二反饋電阻R8P、第二負載電阻R5連接信號輸出端OUT。
[0077]實施例七
[0078]參照圖9，示出了本發明實施例六給出的一種有源單端探頭900的電路圖。有源單端探頭900包括:信號輸入端IN+、手持前端901、探頭放大器902、緩衝電路903和信號輸出端OUT。手持前端901包括:第一電阻R1P、輸入阻抗單元9011和第二電阻R2N ;探頭放大器902包括:第一終端電阻RTP、第二終端電阻RTN和放大器單元9021。緩衝電路903包括:第二全差分放大器U2、第一緩衝電阻R7N、第二緩衝電阻R7P、第一反饋電阻R8N和第二反饋電阻R8P。各個部件的連接關係及其內部的電路結構、各個元器件的取值範圍，相關內容可分別參見實施例一、四和實施例六。
[0079]與實施例六不同的是，第一平衡電阻REP的一端接地，第一平衡電阻REP的非接地端連接輸入阻抗單元9011的輸出端，第二平衡電阻REN的一端接地，第二平衡電阻REN的非接地端連接第二電阻R2N的非接地端。
[0080]可以理解的是，作為另一個實施例，在具有由第一放大器Ull和第二放大器U12構成的放大器單元、以及具有緩衝電路的有源單端探頭中，第一平衡電阻REP和第二平衡電阻REN的連接位置可以參照圖5所示的實施例三，其中，第一平衡電阻REP的一端接地，第一平衡電阻REP的非接地端連接在同軸線I與第一終端電阻RTP之間的串聯連線上，即同軸線I的輸出端；第二平衡電阻REN的一端接地，第二平衡電阻REN的非接地端連接在同軸線2與第二終端電阻RTN之間的串聯連線上，即同軸線2的輸出端。信號輸入端、手持前端、探頭放大器、緩衝電路和信號輸出端的內部電路結構和連接關係，可參見圖8所示的實施例六，此處從略，不再給出具體電路圖。
[0081]通過上述實施例六和七，可以看出，由於第二平衡電阻RTN與第二電阻R2N並聯後的阻值小於第二電阻R2N的阻值，因此，並聯後的等效電阻變小了，而放大器單元8021、9021的偏置電流I為第二放大器U12的固有性能指標，固定不變，因此，等效電阻兩端的電壓，即由第二電阻R2N產生的偏移電壓，也同樣變小了。同樣的，第一平衡電阻REP、第二平衡電阻REN的接地端也需要儘可能靠近放大器單元8021、9021，且走線應儘量短，以免產生寄生電感和寄生電容，影響探頭的高頻部分參數。因此，實施例六為優選的實施例，相比實施例七，對高頻部分的影響最小。
[0082]在上述各個實施例中，優選的，在手持前端和探頭放大器的PCB板上，第一平衡電阻REP和第二平衡電阻REN相對於放大器單元對稱布設，以保證更好的對稱性，獲得更好的帶內平坦度。
[0083]在上述各個實施例中，平衡電阻(即第一平衡電阻REP、第二平衡電阻REN)的取值一般需要滿足如下兩個條件:1、平衡電阻的阻值一般要遠小於第二電阻R2N的阻值，通過二者的並聯得到的等效電阻，相比第二電阻R2N明顯的減小，以達到減小偏移電壓的目的；2、平衡電阻的取值也不宜過小，過小會影響有源單端探頭的帶寬與頻響參數。偏置電流I是第一全差分放大器Ul或第二放大器U12固有的性能指標，由元器件本身決定。根據預設的偏移電壓取值範圍，以及公式:偏移電壓U=偏置電流I*等效電阻R，就可以得出等效電阻R的取值範圍，然後再根據等效電阻R和第二電阻R2N的取值，就可以得到第二平衡電阻REN的取值範圍。作為一個舉例說明，第二電阻R2N與第二平衡電阻REN的阻值比例為100:1。作為一個舉例說明，第二平衡電阻REN的取值範圍可以為1ΚΩ?10ΚΩ。優選的，第二電阻R2N取值100 Ω，第二平衡電阻REN取值為IK Ω。
[0084]在上述各個實施例中，理想的探頭輸入阻抗為無窮大，但當輸入阻抗增大到一定阻值後，會影響探頭的帶寬以及帶內平坦度參數。而輸入阻抗過小，則對被測信號產生的幹擾大，造成信號失真。嚴格來講，輸入阻抗為R1P+R2P+RTP,由於第一電阻R1P、第一終端電阻RTP阻值相對較小，可以忽略不計，因此，輸入阻抗可以看似為輸入電阻R2P。在現有技術中，構成輸入阻抗的輸入電阻R2P的取值為25ΚΩ，輸入阻抗小，制約了有源單端探頭的使用範圍，對於較大內阻的被測信號測量失真較大。作為一個舉例說明，在上述各個實施例中，輸入電阻R2P的取值範圍可以為100K?IM Ω，由於第二電阻R2N和輸入電阻R2P的阻值相同，因此，第二電阻R2N的取值範圍也對應為100K?1ΜΩ。相對比現有技術，增大了輸入阻抗，並取值在合適的範圍，既能夠保證探頭的帶寬以及帶內平坦度參數，又減小了對被測信號產生的幹擾，擴大了探頭的可測性以及使用範圍。
[0085]在上述各個實施例中，由於增加了第一平衡電阻REP和第二平衡電阻REN，對探頭頻響帶來了一定影響，使得探頭高頻部分的帶寬減小。在上述各個實施例中，可以通過調整第一反饋阻抗單元、第二反饋阻抗單元中的電阻R4P、R4N和電容C2P、C2N來實現頻響的補償。現有技術的電阻R4P和R4N的阻值通常為100 Ω，電容C2P和C2N的電容值通常為0.5pF。作為一個舉例說明，電阻R4P和R4N的取值範圍為200 Ω?500 Ω，優選取值為200 Ω ;電容C2P和C2N的取值範圍為0.1pF?0.4pF，優選取值為0.4pF。通過調節放大器單元中的反饋參數，增大電阻R4P和R4N，減小電容R4P和R4N，從而增大了高頻補償路徑的阻抗，減小了衰減比例，實現了增加探頭高頻帶寬的目的。
[0086]本發明還提供了一種測試測量儀器的實施例，包括一種有源單端探頭，所述有源單端探頭包括:信號輸入端、手持前端、探頭放大器和信號輸出端。手持前端包括:第一電阻、輸入阻抗單元和第二電阻；第一電阻的一端連接信號輸入端，另一端連接輸入阻抗單元的輸入端，第二電阻的一端接地。探頭放大器包括:第一終端電阻、第二終端電阻和放大器單元；第一終端電阻的一端電連接阻抗單元的輸出端，另一端連接放大器單元的第一輸入端；第二終端電阻的一端電連接第二電阻的非接地端，另一端連接放大器單元的第二輸入端，放大器單元的第一輸出端通過串聯的第一負載電阻接地，放大器單元的第二輸出端通過串聯的第二負載電阻連接信號輸出端。
[0087]所述有源單端探頭還包括:阻值相同的第一平衡電阻和第二平衡電阻；第一平衡電阻的一端接地，非接地端連接在輸入阻抗單元的輸出端和放大器單元的第一輸入端之間的串聯連線上；第二平衡電阻的一端接地，非接地端連接在第二電阻的非接地端和放大器單元的第二輸入端之間的串聯連線上，其中，第二平衡電阻與第二電阻並聯後的阻值小於第二電阻的阻值。
[0088]在本實施例中，測試測量儀器可以是示波器、頻譜分析儀器和數據採集裝置等。測試測量儀器的有源單端探頭可以為前述各個有源單端探頭實施例中任一實施例所述的探頭。
[0089]本說明書中的每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。
[0090]以上對本發明所提供的一種有源單端探頭及一種測試測量儀器，進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在【具體實施方式】及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
【權利要求】
1.一種有源單端探頭，包括:信號輸入端、手持前端、探頭放大器和信號輸出端； 手持前端包括:第一電阻、輸入阻抗單兀和第二電阻；第一電阻的一端連接信號輸入端，另一端連接輸入阻抗單元的輸入端，第二電阻的一端接地； 探頭放大器包括:第一終端電阻、第二終端電阻和放大器單元；第一終端電阻的一端電連接阻抗單元的輸出端，另一端連接放大器單元的第一輸入端；第二終端電阻的一端電連接第二電阻的非接地端，另一端連接放大器單元的第二輸入端，放大器單元的第一輸出端通過串聯的第一負載電阻接地，放大器單元的第二輸出端通過串聯的第二負載電阻連接信號輸出端； 其特徵在於，所述有源單端探頭還包括: 阻值相同的第一平衡電阻和第二平衡電阻；第一平衡電阻的一端接地，非接地端連接在輸入阻抗單元的輸出端和放大器單元的第一輸入端之間的串聯連線上；第二平衡電阻的一端接地，非接地端連接在第二電阻的非接地端和放大器單元的第二輸入端之間的串聯連線上，其中，第二平衡電阻與第二電阻並聯後的阻值小於第二電阻的阻值。
2.如權利要求1所述的有源單端探頭，其特徵在於， 第一平衡電阻的非接地端連接放大器單元的第一輸入端，第二平衡電阻的非接地端連接放大器單元的第二輸入端。
3.如權利要求1所述的有源單端探頭，其特徵在於， 第一平衡電阻的非接地端連接輸入阻抗單元的輸出端，第二平衡電阻的非接地端連接第二電阻的非接地端。
4.如權利要求1所述的有源單端探頭，其特徵在於， 第一終端電阻的一端通過串聯的第一同軸線電連接阻抗單元的輸出端，第二終端電阻的一端通過串聯的第二同軸線電連接第二電阻的非接地端； 第一平衡電阻的非接地端連接在第一同軸線與第一終端電阻之間的串聯連線上，第二平衡電阻的非接地端連接在第二同軸線與第二終端電阻之間的串聯連線上。
5.如權利要求1至4任一項所述的有源單端探頭，其特徵在於， 在手持前端和探頭放大器的PCB板上，第一平衡電阻和第二平衡電阻相對於放大器單元對稱布設。
6.如權利要求1至4任一項所述的有源單端探頭，其特徵在於， 輸入阻抗單元包括並聯的輸入電阻和輸入電容； 第二電阻和輸入電阻的阻值相同，第二電阻與第二平衡電阻的阻值比例為100:1。
7.如權利要求6所述的有源單端探頭，其特徵在於， 所述第二平衡電阻的取值範圍為1ΚΩ?10ΚΩ。
8.如權利要求1所述的有源單端探頭，其特徵在於， 所述放大器單元包括:第一全差分放大器、連接在第一全差分放大器的正輸入端與其負輸出端之間的第一反饋阻抗單元、連接在第一全差分放大器的負輸入端與其正輸出端之間的第二反饋阻抗單元， 第一全差分放大器的正輸入端作為放大器單元的第一輸入端，其負輸入端作為放大器單元的第二輸入端，其負輸出端作為放大器單元的第一輸出端，其正輸出端作為放大器單元的第二輸出端。
9.如權利要求1所述的有源單端探頭，其特徵在於， 所述探頭還包括緩衝電路，所述緩衝電路包括:第二全差分放大器、連接在放大器單元的第一輸出端和第二全差分放大器的負輸入端之間的第一緩衝電阻、連接在放大器單元的第二輸出端和第二全差分放大器的正輸入端之間的第二緩衝電阻、連接在第二全差分放大器的負輸入端與其正輸出端之間的第一反饋電阻、連接在第二全差分放大器的正輸入端與其負輸出端之間的第二反饋電阻， 放大器單元的第一輸出端通過串聯的第一緩衝電阻、第一反饋電阻、第一負載電阻接地，放大器單元的第二輸出端通過第二緩衝電阻、第二反饋電阻和第二負載電阻連接信號輸出端。
10.如權利要求9所述的有源單端探頭，其特徵在於， 所述放大器單元包括:第一全差分放大器、連接在第一全差分放大器的正輸入端與其負輸出端之間的第一反饋阻抗單元、連接在第一全差分放大器的負輸入端與其正輸出端之間的第二反饋阻抗單元， 第一全差分放大器的正輸入端作為放大器單元的第一輸入端，其負輸入端作為放大器單元的第二輸入端，其正輸出端作為放大器單元的第一輸出端，其負輸出端作為放大器單元的第二輸出端。
11.如權利要求9所述的有源單端探頭，其特徵在於， 所述放大器單元包括:正輸入端接地的第一放大器、正輸入端接地的第二放大器、連接在第一放大器的負輸入端與其輸出端之間的第一反饋阻抗單元、連接在第二放大器的負輸入端與其輸出端之間的第二反饋阻抗單元； 第一放大器的負輸入端作為放大器單元的第一輸入端，其輸出端作為放大器單元的第一輸出端；第二放大器的負輸入端作為放大器單元的第二輸入端，其輸出端作為放大器單元的第二輸出端。
12.如權利要求8、10、或11所述的有源單端探頭，其特徵在於， 第一反饋阻抗單元和第二反饋阻抗單元中的每一個均包括:一個電阻與一個電容串聯後、再與另一個電阻並聯而成的阻容結構； 阻容結構中電容的取值範圍為0.1pF?0.4pF，阻容結構中電阻的取值範圍為200 Ω?500 Ω。
13.—種測試測量儀器，包括有源單端探頭，其特徵在於，所述有源單端探頭為如權利要求I至4任一項所述的有源單端探頭。
14.如權利要求13所述的測試測量儀器，其特徵在於， 輸入阻抗單元包括並聯的輸入電阻和輸入電容； 第二電阻和輸入電阻的阻值相同，第二電阻與第二平衡電阻的阻值比例為100:1。
【文檔編號】G01R1/067GK104345185SQ201310319426
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年7月26日 優先權日:2013年7月26日
【發明者】張瑞忠, 王悅, 王鐵軍, 李維森 申請人:蘇州普源精電科技有限公司