原创 32GHz带宽实时示波器技术揭秘(四)

 2010-10-22 11:59  2583 9 9 分类: 测试测量

30GHz高阻差分示波器探头设计

杜吉伟安捷伦科技有限公司

探头之于示波器，就像手之于人一样，有了探头（或电缆），示波器才能触摸到被测信号，观察它、解读它，因此了解一台示波器，不能不花点功夫去了解她的探头。

磷化铟制程、快膜封装、三维微电路设计引入到示波器领域，不仅将示波器前置放大器带宽带到了32GHz这个高度，同时也将示波器的差分探头带宽带到了30GHz这个高度，更重要的是它在实现高带宽的同时也实现了高阻抗。我们将从以下几个角度来分析这种新的探头技术和结构：

-- 外观结构
-- 可用性(用户体验模式)
-- 核心技术
-- 新概念的引入

外观结构上，90000 X系列的输入端接口被重新设计，如图1所示，在这之前的12GHz或13GHz带宽的90000A系列输入接口是一种特别的空气线精密BNC，接口本身带宽是18GHz，推出90000 X 系列高达32GHz带宽的示波器，必须采用完全不同的接口设计，由图1可以看出，90000 X系列的输入接口是3.5mm口，其设计和安捷伦的网络分析仪、频谱分析仪、微波信号源一样，在安捷伦内部，把它叫做NMD 3.5mm接口，NMD是一个过时了的术语，代表Network Measurement Division，用在惠普的年代，是一种和传统SMA电缆兼容，但更加耐用，允许数千次重复连接，和SMA相比，在带宽、机械冗裕度、稳定性、温度性能、驻波比、损耗、可重复性等方面更加优越，实际上，它是计量级别的连接头。

图1 90000 X 系列示波器的3.5mm输入接口,专门为InfiniiMax III 差分探头放大器(16GHz~30GHz带宽)或电缆设计

NMD 3.5mm连接头外围的深灰色外围旋钮是为了保证电缆或探头连接的稳定，连接探头时，只需将探头一端对其该接口，旋转深灰色的外围旋钮，探头则可以被稳定、可靠地连接上，甚至不需要专业的射频微波连接工具( 通常专业的射频微波工程师会配备一套扳手工具用于电缆和连接头的可靠稳定操作)。

当使用SMA电缆连接的时候，则推荐使用3.5mm接口连接头保护头，如图2所示，其实它是一个阴到阴的转换头，这样做的目的是，SMA电缆和连接头是产品级的接口，不是计量级别的，多次使用后性能容易下降，甚至出现损伤，把一根有损伤的SMA接口和3.5mm接口直接相连，很容易让好的3.5mm接口也损伤，因此3.5mm接口连接头的好处是保护示波器、网络分析仪、微波信号源的输入端，换一个3.5mm接口保护头成本很低，而且容易实现。

图2 微波仪器(示波器、网络仪、信号源等)的3.5mm连接输入端的保护头

图3所显示的是，当我们把示波器机箱和探头拆开，图3-a是示波器输入端，图3-b是该系列揭秘文章中提到的多芯片集成磷化铟模块，磷化铟多芯片集成模块的输入端和示波器输入连接器相连，这样被测信号就经由示波器的输入端，进入磷化铟多芯片集成模块的前置放大器芯片、触发芯片和采样保持芯片。图3-c的右端是和示波器输入端直接相连的部分，黑色的连接器和图3-a白色的连接器是相连的，该连接器的作用是由示波器给探头供电。

可用性方面，可以参照图4， InfiniiMax III探头设计延续上一代分段式设计的思路，一个探头由两到四部分构成，最核心的部分是探头放大器，如图4-a所示，其一端和示波器直接相连，另外一端，则可针对4种不同的应用场合，连接不同的前端。总的来讲，是一种验证夹具、三种适配头、四种连接方式。

图4-b 最左边所示是针对有多个被测点的情况，这种连接前端叫做ZIF，取意“容易并且灵活(Easy and Flexible)”，将很小的前端直接和被测点焊接上，探头前端部分可用压接的方式插进去和这个小前端相连，因为小前端价格相对便宜，适合被测点比较多的场合。

图4-c是常用连接方式，带宽可达30GHz，直接拿在手中，将探头前端垂直放到被测点上进行量测的一种方法。另外两种方法分别如图4-c,4-d所示，这里不再赘述。

另外考虑到探头时间长了，如果性能有所下降，作为用户如何知道呢，图4-f最右手边的图代表的是探头性能验证夹具，目前对16GHz或以上带宽探头，只有安捷伦提供夹具，让用户自行验证探头性能，方法是用示波器自身的高速校准信号(或外置信号源) 透过2.92mm/3.5mm电缆和该夹具相连，比如接到示波器通道1，再把探头接到示波器通道3，探头前端接到该夹具上，这样电缆和探头量测的是同样一个高速信号，比较它们的重合度，便可验证探头的性能。

这么高带宽的探头，不用到其它射频微波仪器上未免有些可惜，因此，安捷伦推出了应用于采样示波器的探头适配器(如图4-f最左手边图所示)，对其它50欧姆的射频微波仪器，包括频谱仪和网络分析仪，从原理上也可以使用该探头，不过需要提供合适的外置电源给该探头供电，而实时示波器和采样示波器不需要是因为它们自身可以给该探头供电。

电流探头、高压差分探头以及无源探头，很多时候需要示波器输入阻抗为高阻，图4-f左手边第二个图，就是一高阻适配器，用于测试低速信号，高压信号或电流信号，很多时候工程师愿意使用低速无源探头的理由是好用，高速探头虽然性能好，但因要求信号间距窄，地线短，使用起来没有那么方便，不过从原理上讲，这是不可避免的。

由于示波器改为3.5mm输入端，30GHz的差分探头必须和它一致，但是前一代探头就不能直接用在上面，因此，安捷伦推出如图4-f右边数第二个图所示的适配器，让上一代InfiniiMax II(10GHz~13GHz) , InfiniiMax I(1.5GHz~7GHz) 和1156A(1.5GHz), 1157A (2.5GHz), 1158A(4GHz)探头可以使用在该磷化铟示波器上。

我们现在来了解该30GHz差分高阻探头的技术细节，图3-c为探头放大器的拆解图，其中金黄色的模块是该探头的核心电路，即探头放大器模块（图4-b,4-c,4-d,4-e所示的四种探头前端就是和这部分相连的）。

我们来给探头放大器微电路来个特写，就是图5-a所示，中间的黑色是磷化铟芯片，最右手边是微波输入端，二者之间是镀金的三维电路设计，安捷伦把它称作准同轴电缆传输设计，是因为其性能接近微波同轴电缆。图5-b是器件和芯片没有安装之前的样子，可以更清楚地看到快膜封装和氮化铝散热衬底，这两样是除了磷化铟芯片技术外的另两项核心技术。这些核心技术带来的设计性能改进可从4个方面体现出来。一、探头带宽达30GHz 二、容性差分负载32fF,单端容性负载48fF 三、探头的本底噪声小四、差分直流阻抗100K欧姆。

新概念和新技术的引入

随着磷化铟示波器推出的磷化铟探头，带来两个新概念，一个是探头的带宽是可以升级的，如果买的是16GHz的探头，日后可以升级成20GHz, 25GHz, 30GHz，安捷伦在这方面开了业界的先河，正如以前，她开了示波器带宽可以升级的先河一样。做法很简单，就是把探头放大器的模块换掉就可以了。

另一个新概念和技术的引入是探头的交流校准，在这以前所有探头的校准都是直流校准，对于到了射频微波段的探头，引入交流校准的概念是迟早的事情，探头放大器本身是有源器件，量产的个体差异是比较大的，因此，安捷伦的做法是每个探头放大器都提供一个唯一的S参数文件，而探头的前端则是无源器件，量产的个体差异较小，用一个归一化S参数文件就可以了。图6是探头的频响在交流校准前后的区别，可以看出明显的改进。