CN102053177A - 一种有源差分电压探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种有源差分电压探头由手柄端、同轴线和探头放大器构成。该有源差分电压探头通过对有源差分电压探头的电路结构进行改造，提供了一种具有较大输入电阻，极低输入电容，较宽的检测带宽的探头。该探头对被测信号产生的干扰较小，从而得到不失真的检测信号。并且，本发明还通过多级化放大器的设计方法，进一步改善了探头的检测性能，使得该探头受探头线长度的影响较小，探头频率响应好。

Description

一种有源差分电压探头

技术领域

本发明涉及一种有源差分电压探头，特别是一种用于测量高频电信号的示波器有源差分电压探头，能够对被测信号产生最小的干扰，得到不失真的信号。属于电信号检测设备技术领域。

背景技术

探头在其频带内需要能够不失真的检测信号，并不对被测系统或信号产生不利的影响。这需要探头具有较大的输入电阻，至少要比被测电路本身的电阻大很多。但是对于高频信号来说，不仅需要探头具有较大的输入电阻，还需要探头尖具有很小的电容，否则会对高频信号产生影响。

因此，设计出具有高输入电阻低输入电容的探头具有十分重要的意义。高输入电阻能够从被测电路分出很小的电流，减小对被测电路的影响。而较小的探头输入电容和被测电路的输出电阻构成了RC网络，能够扩大探头的检测带宽。

目前，一般的示波器无源探头都具有很高的输入电阻，当信号为直流时，输入阻抗很高，能够很好的完成低频信号检测任务。但是，这种无源探头的输入电容和探头线的长度以及探头尖电路的设计有关，因此很难做的非常小，一般大于10pF。由于其较大的输入电容，当频率升高时，其阻抗急剧下降，对高频信号的检测造成影响。而且，无源探头一般使用具有大电阻的阻尼线缆来减小线缆的电容影响，然而阻尼线对高频信号的损耗比较大。上述两点问题极大的限制了无源探头的检测带宽。

由于无源探头在检测高频信号中所存在的问题，一些人设计出了有源差分探头。美国专利US7256575B2中即公开了这样一种有源差分探头的实现形式。如图3所示，该有源差分探头的两个探头尖为R1P和R1N的一端，R1P和R1N的另一端分别连接到R2P和R2N的一端，R2P的另一端连接到RAP和CAP构成的并联的一端，R2N的另一端连接到RAN和CAN构成的并联的一端，RAP、CAP的另一端通过同轴线连接到RTP和差分缓冲放大器的正输入端，RTP的另一端连接到RBP和CBP组成的并联的一端，并联的另一端接地，RAN和CAN的另一端通过同轴线连接到RTN和差分缓冲放大器的负输入端，同时接地，RTN的另一端连接到RBN和CBN构成的并联的一端，并联的另一端接地。其中，R1P和R1N为探头尖处的电阻，用于阻尼作用，R2P和R2N为分压电阻，RAP、CAP和RAN、CAN为RC分压电路的补偿电路，RTP和RTN为终端电阻，RBP、CBP和RBN、CBN为终端电阻的补偿电路。其中，R1P和R1N的值相同，R2P和R2N值相同、RAP和RAN值相同，CAP和CAN值相同，RTP和RTN值相同，RBP和RBN值相同，CBP和CBN值相同。

差分信号一端经过R1P阻尼，由R2P、RAP、CAP和RTP、RBP、CBP构成的RC分压网络分压，另一端经过R1N阻尼，由R2N、RAN、CAN和RTN、RBN、CBN构成的RC分压网络分压，分压后的信号经过差分缓冲放大器输出，连接到示波器输入端。

这种结构的有源差分探头完全依靠RC分压阻容网络分压，由放大器缓冲，结构复杂，受RC器件寄生参数影响较大，很难实现很大的检测带宽(如几GHz)。

另外，由于该有源差分探头依靠R2、RAP、RTP、RBP的比例分压，要实现大的输入电阻就必然要求RTP+RBP的阻值较大。这样信号经过同轴线后，终端电阻为RTP+RBP。而一般同轴电缆的特征阻抗在50Ω到100Ω，这必然导致阻抗的不匹配，引起信号反射，产生较差的频率响应，极大的影响了该探头的检测效果。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于测量高频电信号的示波器有源差分电压探头，该探头具有较大输入电阻，极低输入电容，较宽的检测带宽，能够对被测信号产生最小的干扰，得到不失真的信号。

本发明的发明目的是通过下述技术方案予以实现的：

一种有源差分电压探头，用于示波器，其特征在于：所述探头包括一个第一输入端、一个第二输入端、一个第一同轴线、一个第二同轴线和一个运算放大单元，所述运算放大单元具有一个第一运放输入端、一个第二运放输入端、一个第一运放输出端和一个第二运放输出端，所述第一输入端经过一个第一输入阻抗单元和所述第一同轴线串联至所述第一运放输入端，所述第二输入端经过一个第二输入阻抗单元和所述第二同轴线串联至所述第二运放输入端，所述第一运放输入端与所述第一运放输出端之间并联一个第一反馈阻抗单元，所述第二运放输入端与所述第二运放输出端之间并联一个第二反馈阻抗单元，所述第一输入阻抗单元、第一反馈阻抗单元和运算放大单元用于衰减所述第一输入端的信号，所述第二输入阻抗单元、第二反馈阻抗单元和运算放大单元用于衰减所述第二输入端的信号。

所述运算放大单元包括一个第一全差分放大器，所述第一全差分放大器包括一个与所述第一运放输入端相连的正输入端、一个与所述第二运放输入端相连的负输入端、一个与所述第一运放输出端相连的负输出端、以及一个与所述第二运放输出端相连的正输出端。

所述运算放大单元包括一个第一运算放大器和一个第二运算放大器，所述第一运算放大器包括一个与所述第一运放输入端相连的负输入端、一个接地的正输入端、以及一个与所述第一运放输出端相连的输出端，所述第二运算放大器包括一个与所述第二运放输入端相连的负输入端、一个接地的正输入端、以及一个与所述第二运放输出端相连的输出端。

所述第一同轴线与所述第一运放输入端之间还串联有一个用于与所述第一同轴线阻抗匹配的第一终端电阻，所述第二同轴线与所述第二运放输入端之间还串联有一个用于与所述第二同轴线阻抗匹配的第二终端电阻。

所述第一输入端与所述第一输入阻抗单元之间还串联有一个用于减小震荡的第一阻尼电阻，所述第二输入端与所述第二输入阻抗单元之间还串联有一个用于减小震荡的第二阻尼电阻。

所述第一输入阻抗单元和第二输入阻抗单元中的每一个包括相互并联的电阻和电容，所述第一反馈阻抗单元和第二反馈阻抗单元中的每一个包括一个用于高频频率补偿的电阻与一个电容串联后与一个电阻并联而成的结构。

所述第一输出端串联一个负载电阻接地，所述第二输出端串联一个用于作为所述探头的输出电阻的第三终端电阻连接到一个第三同轴线。

所述探头还包括一个缓冲电路，所述缓冲电路包括一个第二全差分放大器，所述第二全差分放大器包括一个正输入端、一个负输入端、一个负输出端、以及一个正输出端，所述第二全差分放大器的正输入端串联一个第一缓冲电阻连接至所述第一输出端，所述第二全差分放大器的负输入端串联一个第二缓冲电阻连接至所述第二输出端，所述第二全差分放大器的正输入端和负输出端之间并联一个第三缓冲电阻，所述第二全差分放大器的负输入端和正输出端之间并联一个第四缓冲电阻，所述第二全差分放大器的负输出端串联一个负载电阻接地，所述第二全差分放大器的正输出端串联一个用于作为所述探头的输出电阻的第三终端电阻连接到一个第三同轴线。

所述负载电阻的阻值与所述第三终端的阻值具有一个电阻差，所述电阻差对应于所述探头连接的数字示波器所设置的输入电阻。

所述探头的输入电阻由所述第一输入阻抗单元和第二输入阻抗单元调整，所述探头的衰减比例由第一输入阻抗单元、第一反馈阻抗单元、第二输入阻抗单元和第二反馈阻抗单元调整。

本发明的有益效果是：该有源差分电压探头具有输入电阻较大，输入电容较小，检测带宽较宽的特点，具有良好的检测特性。并且，该探头受探头线长度的影响较小，探头频率响应好。

附图说明

图1为有源差分电压探头第一实施例电路图；

图2为有源差分电压探头第二实施例电路图；

图3为有源差分电压探头第三实施例电路图；

图4为现有有源差分探头的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：

图1为该有源差分电压探头第一实施例电路图。如图所示，该有源差分电压探头由手柄端、同轴线和探头放大器构成。

该手柄端设有两个输入端IN+和IN-，用于测量差分信号的正负端。输入端IN+连接有阻尼电阻R1P，输入端IN-连接有阻尼电阻R1N。该阻尼电阻R1P与电阻R2P、电容C1P并联构成的RC分压电路相串联。该阻尼电阻R1N与电阻R2N、电容C1N并联构成的RC分压电路相串联。该电阻R2P、电容C1P并联构成的RC分压电路的另一端连接于手柄正极输出端。该电阻R2N、电容C1N并联构成的RC分压电路的另一端连接于手柄负极输出端。

手柄正极输出端通过同轴线1与探头放大器正极输入端相连。手柄负极输出端通过同轴线2与探头放大器负极输入端相连。

该探头放大器由全差分放大器U1及若干电容电阻构成。所谓全差分放大器为一种差分输入差分输出的放大器。所述探头放大器正极输入端连接有终端电阻RTP，探头放大器负极输入端连接有终端电阻RTN。该终端电阻RTP接入所述全差分放大器U1的正输入端，终端电阻RTN接入所述全差分放大器U1的负输入端。由电阻R4P与电容C2P串联后再与电阻R3P并联所构成的RC分压电路，并联在所述全差分放大器U1的正输入端和负输出端之间。由电阻R4N与电容C2N串联后再与电阻R3N并联所构成的RC分压电路，并联在所述全差分放大器U1的负输入端和正输出端之间。所述全差分放大器U1的负输出端为探头放大器正极输出端，所述全差分放大器U1的正输出端为探头放大器负极输出端。

所述探头放大器正极输出端通过电阻R6接地。所述探头放大器负极输出端通过电阻R5与同轴线3相连，并通过同轴线3将检测信号输出至示波器。

其中，为了保证差分探头的正负输入对称，一般设计时取R1P＝P1N，R2P＝R2N，C1P＝C1N，RTP＝RTN，R4P＝R4N，R3P＝R3N，C2P＝C2N。

上述结构的有源差分电压探头，差分信号由输入端IN+和IN-输入。电阻R1P和R1N为阻尼电阻，用于减小探头和被测电路之间引线电感带来的振荡。R2P、C1P和R2N、C1N构成了差分探头的输入电阻和电容。同轴线1和同轴线2选用高带宽同轴线缆。电阻RTP和RTN为终端电阻，用于和同轴线阻抗匹配。由于全差分放大器U1的正负输入端虚短，只有共模信号，可以看成是差模地，所以电阻RTP和RTN为同轴线的对地终端电阻，用于匹配同轴线的阻抗。该终端电阻RTP和RTN一般不大于50Ω，这样就能减小高频信号的反射，实现更大带宽，获得更好的频率响应。

由于放大器正负输入端为差模地，且设计上电阻R2P、R2N远远大于电阻R1P、R1N、RTP、RTN，所以探头的差分输入电阻近似为R2P+R2N。假设输入端IN+、IN-对地的寄生电容为CinP和CinN，则探头差分输入电容近似为C1P+C1N+CinP+CinN。

电阻R2P、电容C1P构成的并联和R3P、R4P、C2P构成的网络近似为U1正输入端的输入阻抗和反馈阻抗，R2N、C1N构成的并联和R3N、R4N、C2N构成的网络近似为U1负输入端的输入阻抗和反馈阻抗。当检测信号频率为直流或低频时，电容近似开路，探头衰减倍数为R2P/R3P。当检测信号频率为高频时，电容的容抗降低，高频分量开始从电容通过，因此一般设计C1P/C2P＝R3P/R2P、C1N/C2N＝R3N/R2N，使探头频率响应平坦，电阻R4P和R4N为高频的频率补偿。

所述探头放大器正极输出端通过电阻R6接地。所述探头放大器负极输出端通过电阻R5与同轴线3相连，并通过同轴线3将检测信号输出至示波器。为了使探头输出阻抗匹配，示波器设置的输入电阻与电阻R5的合应与电阻R6相平衡，以使使放大器正负输出端的负载一致。

本发明的有源差分探头的检测带宽由差分放大器决定。由于，放大器本身的带宽较宽，且基于上述的电路形式终端电阻RTP和RTN与同轴线1和同轴线2的阻抗相匹配。因此，本发明所设计的这种有源差分电压探头的检测带宽可以做到几GHz。输入电阻主要由R2P和R2N决定，但受到探头衰减比和差分放大器反馈电阻限制，一般可以做到几十kΩ至几百kΩ。探头输入电容由C1P、C1N及输入端寄生电容决定，可以做到零点几pF。由于同轴线的终端都有阻抗匹配，所以探头受到同轴线的影响较小，同轴线长度影响较小。综上所述，本发明所设计的有源差分电压探头提供了具有较大输入电阻，极低输入电容，检测带宽较宽的检测探头，克服了现有探头中存在的问题。

以图1所示电器件参数为例，该实施例使用一级差分放大器，R2P＝R2N＝25kΩ，R3P＝R3N＝10KΩ，C1P＝C1N＝0.2pF，C2P＝C2N＝1pF，则放大器衰减比为25/10＝2.5。由于放大器差分输出只用一端，所以又衰减1/2。正输出端串联50Ω电阻和示波器50Ω输入电阻分压，又衰减1/2，所以该实施例探头的衰减比为(1/2.5)*(1/2)*(1/2)＝1/10。因此，该有源差分电压探头实现差分输入电阻50kΩ，差分输入电容0.4pF的有源差分电压探头，具有较大输入电阻即极低输入电容。

实施例二：

图1所示第一实施例中，该有源差分电压探头仅采用了一个全差分放大器U1来实现比例放大电路。但是，如果仅一级放大电路在实现需要的带宽情况下，无法满足整体衰减倍数的需要时，就可以设计第二级的缓冲电路来实现不够的增益，以保证整个电路增益为探头需要的增益。图2即给出了该有源差分电压探头的第二实施例电路图。如图所示，该第二实施例在所述探头放大器与电阻R5、R6之间还串联有缓冲电路。

如图所示，该缓冲电路由全差分放大器U3及若干电阻构成。该全差分放大器U3的正输入端通过电阻R7P与所述探头放大器正极输出端相连，该全差分放大器U3的负输入端通过电阻R7N与所述探头放大器负极输出端相连。在全差分放大器U3的正输入端与负输出端之间并接有电阻R8P，在全差分放大器U3的负输入端与正输出端之间并接有电阻R8N。所述全差分放大器U3的正输出端通过电阻R6接地。所述全差分放大器U3的负输出端通过电阻R5与同轴线3相连，并通过同轴线3将检测信号输出至示波器。

该实施例，使用两级放大器，R2P＝R2N＝25kΩ，R3P＝R3N＝5KΩ，C1P＝C1N＝0.2pF，C2P＝C2N＝1pF，则第一级放大器U 1衰减比为25/5＝5，U1放大器输出，经过U3和R7P、R7N、R8P、R8N放大2倍，由于放大器U3差分输出只用一端，所以又衰减1/2。正输出端串联50Ω电阻和示波器50Ω输入电阻分压，又衰减1/2，所以该实施例探头的衰减比为(1/5)*2*(1/2)*(1/2)＝1/10。该实施例也实现了差分输入电阻50kΩ，差分输入电容0.4pF，的有源差分电压探头。

所不同的是，由于全差分放大器对反馈电阻有要求，当反馈电阻大时，带宽会下降。而如图2所示，增加一级缓冲电路能够减小放大器U1反馈电阻R3P和R3N的值，使得放大器的频率响应和带宽更好，改善了第一实施例所示探头的检测性能。

实施例三：

所述所述探头放大器除了可以采用如第一实施例、第二实施例所示单个放大器设计外，还可以采用两个放大器的设计方式。图3为该有源差分电压探头的第三实施例电路图。

如图所示，该探头放大器由全差分放大器U1、全差分放大器U2及若干电容电阻构成。所述探头放大器正极输入端连接有终端电阻RTP，探头放大器负极输入端连接有终端电阻RTN。该终端电阻RTP接入所述全差分放大器U1的负输入端，终端电阻RTN接入所述全差分放大器U2的负输入端。所述全差分放大器U1、U2的正输入端接地。由电阻R4P与电容C2P串联后再与电阻R3P并联所构成的RC分压电路，并联在所述全差分放大器U1的负输入端和输出端之间。由电阻R4N与电容C2N串联后再与电阻R3N并联所构成的RC分压电路，并联在所述全差分放大器U2的负输入端和输出端之间。所述全差分放大器U1的输出端为探头放大器正极输出端，所述全差分放大器U2的输出端为探头放大器负极输出端。

如图3所示，在所述探头放大器与电阻R5、R6之间还串联有缓冲电路。该缓冲电路的结构与图2所示第二实施例中的缓冲电路结构相同，在此就不再重复叙述。当然，上述由双放大器组成的探头放大器也可不连接缓冲电路，而直接与电阻R5、R6相连，亦可以满足本发明的基本功能。这种实现结构在此就不再熬述。

综上所述，本发明通过对有源差分电压探头的电路结构进行改造，提供了一种具有较大输入电阻，极低输入电容，较宽的检测带宽，能够对被测信号产生最小的干扰，得到不失真的信号的有源探头。并且，还提出了通过多级化放大器改善探头检测性能的改进形式。本领域一般技术人员在此设计思想之下所做任何显而易见的改造，均应视为在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种有源差分电压探头，用于示波器，其特征在于：所述探头包括一个第一输入端、一个第二输入端、一个第一同轴线、一个第二同轴线和一个运算放大单元，所述运算放大单元具有一个第一运放输入端、一个第二运放输入端、一个第一运放输出端和一个第二运放输出端，所述第一输入端经过一个第一输入阻抗单元和所述第一同轴线串联至所述第一运放输入端，所述第二输入端经过一个第二输入阻抗单元和所述第二同轴线串联至所述第二运放输入端，所述第一运放输入端与所述第一运放输出端之间并联一个第一反馈阻抗单元，所述第二运放输入端与所述第二运放输出端之间并联一个第二反馈阻抗单元，所述第一输入阻抗单元、第一反馈阻抗单元和运算放大单元用于衰减所述第一输入端的信号，所述第二输入阻抗单元、第二反馈阻抗单元和运算放大单元用于衰减所述第二输入端的信号。

2.如权利要求1所述的有源差分电压探头，其特征在于：所述运算放大单元包括一个第一全差分放大器，所述第一全差分放大器包括一个与所述第一运放输入端相连的正输入端、一个与所述第二运放输入端相连的负输入端、一个与所述第一运放输出端相连的负输出端、以及一个与所述第二运放输出端相连的正输出端。

3.如权利要求1所述的有源差分电压探头，其特征在于：所述运算放大单元包括一个第一运算放大器和一个第二运算放大器，所述第一运算放大器包括一个与所述第一运放输入端相连的负输入端、一个接地的正输入端、以及一个与所述第一运放输出端相连的输出端，所述第二运算放大器包括一个与所述第二运放输入端相连的负输入端、一个接地的正输入端、以及一个与所述第二运放输出端相连的输出端。

4.如权利要求1所述的有源差分电压探头，其特征在于：所述第一同轴线与所述第一运放输入端之间还串联有一个用于与所述第一同轴线阻抗匹配的第一终端电阻，所述第二同轴线与所述第二运放输入端之间还串联有一个用于与所述第二同轴线阻抗匹配的第二终端电阻。

5.如权利要求1所述的有源差分电压探头，其特征在于：所述第一输入端与所述第一输入阻抗单元之间还串联有一个用于减小震荡的第一阻尼电阻，所述第二输入端与所述第二输入阻抗单元之间还串联有一个用于减小震荡的第二阻尼电阻。

6.如权利要求1所述的有源差分电压探头，其特征在于：所述第一输入阻抗单元和第二输入阻抗单元中的每一个包括相互并联的电阻和电容，所述第一反馈阻抗单元和第二反馈阻抗单元中的每一个包括一个用于高频频率补偿的电阻与一个电容串联后与一个电阻并联而成的结构。

7.如权利要求1所述的有源差分电压探头，其特征在于：所述第一输出端串联一个负载电阻接地，所述第二输出端串联一个用于作为所述探头的输出电阻的第三终端电阻连接到一个第三同轴线。

8.如权利要求1所述的有源差分电压探头，其特征在于：所述探头还包括一个缓冲电路，所述缓冲电路包括一个第二全差分放大器，所述第二全差分放大器包括一个正输入端、一个负输入端、一个负输出端、以及一个正输出端，所述第二全差分放大器的正输入端串联一个第一缓冲电阻连接至所述第一输出端，所述第二全差分放大器的负输入端串联一个第二缓冲电阻连接至所述第二输出端，所述第二全差分放大器的正输入端和负输出端之间并联一个第三缓冲电阻，所述第二全差分放大器的负输入端和正输出端之间并联一个第四缓冲电阻，所述第二全差分放大器的负输出端串联一个负载电阻接地，所述第二全差分放大器的正输出端串联一个用于作为所述探头的输出电阻的第三终端电阻连接到一个第三同轴线。

9.如权利要求7或8所述的有源差分电压探头，其特征在于：所述负载电阻的阻值与所述第三终端的阻值具有一个电阻差，所述电阻差对应于所述探头连接的数字示波器所设置的输入电阻。

10.如权利要求1至6中任意一项所述的有源差分电压探头，其特征在于：所述探头的输入电阻由所述第一输入阻抗单元和第二输入阻抗单元调整，所述探头的衰减比例由第一输入阻抗单元、第一反馈阻抗单元、第二输入阻抗单元和第二反馈阻抗单元调整。

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