CN102762993B - 具有补偿网络的探针系统 - Google Patents

Abstract

一种用于记录差分输入信号的探针系统，所述探针系统包括：第一输入网络（ENp），所述第一输入网络被提供有所述差分输入信号的第一成分（Vinp）以便产生第一中间信号（Ip）；和第二输入网络（ENn），所述第二输入网络被提供有所述差分输入信号的第二成分（Vinn）以便产生第二中间信号（In）。用于放大中间信号（Ip、In）之间的差值的差分放大器（A1）被布置在输入网络的信号流方向的下游。至少一个补偿网络（KNpn）用于补偿输入网络（ENp；ENn）的影响并且被布置在所述差分放大器（A1）的输出端或被布置在将输出端连接到所述差分放大器的输入端的反馈路径中。

Description

具有补偿网络的探针系统

技术领域

本发明涉及一种例如用于示波器的探针系统。然而，该探针系统也可以用于其它测量仪器，例如，频谱分析仪或网络分析仪。

背景技术

从现有技术已知具有不同的放大器架构的各种探针系统。例如，专利号为6,856,126B2的美国专利公开了一种放大器架构，该放大器架构具有差分探针，所述差分探针具有在共基极电路中操作的两个双极缓冲单元；以及差分放大器。在这种情况下，存在期望补偿峰值网络的零点的补偿网络。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种具有改进的共模抑制的探针系统，该探针系统在整个频率范围内尽可能均匀地作用。

通过权利要求1的特征实现所述目的。独立权利要求详细说明本发明的进一步发展的优点。

根据本发明，至少一个补偿网络被布置在差分放大器的输出端或反馈路径中，反馈路径将输出端连接到差分放大器的输入端。与从现有技术中获知的补偿网络的输入端布置相比，本发明具有提供显著改进的共模抑制的优点。虽然在现有技术的情况下，两个输入电流被提供给分别以接地为基准且彼此不关联的补偿网络，并且仅在此之后实现在电压电平的差值的形成，但是在本发明的情况下，首先形成输入电流之间的差值，随后仅输入电流之间的差值被提供到放大器的输出端的至少一个补偿网络。虽然在现有技术的情况下，共模电流被直接传输至作为共模调制的差分放大器，但是在本发明的情况下，共模输入信号在被提供给补偿网络之前已经被抑制。因此，还大大减少有关共模噪声的敏感度。

虽然在现有技术的情况下，例如通过制造公差产生的在两个输入端补偿网络之间的甚至小的差异立即导致共模电压转化成差分电压，但是利用根据本发明的实施方式大大减少这种影响，这是因为补偿在差值形成之后发生，并且仅关联于一个补偿网络。因此，如在两个独立的补偿网络的情况下，没有发生公差问题。此外，可以看出，在广泛的带宽上的高的线性度可能引起电流的差值形成。

在具有两个电阻器的输入网络的实施方式中，仅一个电阻器被并联连接的电容器桥接，该实施方式具有的优点是在输入网络中除了零点之外还存在极点。在现有技术的情况下，通过对比，仅存在零点，这是因为没有串联的电阻器。由于极点，在几GHz的范围内提高在高频率处的输入阻抗。

然而，通过具有两个串联电阻器和与两个串联电阻器之一并联的电容器的补偿网络的相应的实施方式，实现了适量的相互补偿。在这种情况下，补偿网络的极点补偿输入网络的零点，以及补偿网络的零点补偿输入网络的极点。通常，在输出端仅提供单个补偿网络是足够的，优选在输出端处，在输出端处获取待被进一步处理的信号。如果放大器被具体化为具有差分输出的全差分放大器，则还可有利于改进对称以在第二反相输入端处提供第二补偿网络。可替选地，还可以将补偿网络直接布置在两个输出端之间而不是布置在各输出端与电路接地之间，其中，随后有利地提供至少两个串联的电阻器，并且电容器被布置成与电阻器之一并联。

可替选地，还可以在输出端和分配的输入端之间的反馈路径中布置补偿网络，而不是在输出端和电路接地之间布置补偿网络。

附图说明

下文将参照附图中示出的示例性实施方式、通过示例，更详细地描述本发明。附图如下：

图1示出根据本发明的探针系统的第一示例性实施方式的基本电路图；

图2示出根据本发明的探针系统的第二示例性实施方式的基本电路图；

图3示出根据本发明的探针系统的第三示例性实施方式的基本电路图；

图4示出根据本发明的探针系统的第四示例性实施方式的基本电路图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的探针系统的第一示例性实施方式。根据本发明的探针系统特别用作示波器的探针；然而，其还可以以其他方式被使用。

输入信号的电压Vinp被提供给输入端E1。在示例性实施方式中，该输入信号Vinp在其到达传输线Tp之前首先通过第一电阻器R1p和第二电阻器R2p。这种传输线Tp可以为例如同轴线。然而，还可以为平带导线或带线，尤其为共面线。通过传输线Tp，信号被传输给定的空间距离到达放大单元VE。

然后，在放大器单元VE中，输入信号通过第三电阻器R3p传输至差分放大器A1的输入端ENI。这种放大器A1的输入电阻优选被设计成低欧姆的，使得大量的电流IP流入放大器A1的输入端。放大器A1优选被设计成差分电流放大器，也就是说，其输出电流Ioutn或输出电流Ioutp与输入电流Ip和输入电流In之间的差值成正比。

在优选示例性实施方式中，通过将第一电容器C1p与电阻器R2p并联连接，第二电阻器R2p被第一电容器C1p桥接。因此，电阻器R2p被桥接并且不传输输入信号Vinp的高频信号部分，也就是说，不传输高频信号成分。电阻器R1p和电阻器R2p与电容器一起形成输入网络ENp。

包括第四电阻器R4p、第五电阻器R5p和第二电容器C2p的第一补偿网络KNp被连接到第一放大器A1的第一输出端OUTp。在示例性实施方式中，补偿网络KNp被具体化为电阻器R5p与电容器C2p的并联电路并且被布置在放大器A1的第一输出端OUTp和电路接地M之间。与现有技术的专利号为6,856,126B2的美国专利相比，仅一个补偿网络与电路的功能相关。这具有实质性的优点。尤其是，在补偿网络KNp和补偿网络KNn之间的不可避免的制造公差不会导致共模信号转变成差分信号。在根据本发明的实施方式中显著改进CMM（共模响应比，在共模控制下的特性）。

探针系统被设想用于差分输入信号，即，在输出端A的输出电压Vout取决于在第一输入端E1和第二输入端E2之间的电压差或在放大器A1的相应的输入端ENI和输入端EIP之间的电流差Ip-In。与用于正输入信号Vinp的第一信号路径并联，存在用于负输入信号Vinn的第二信号支路，该第二信号支路被连接到第二输入端E2。这种负输入信号Vinn通过对应的第一电阻器R1n和第二电阻器R2n传输至第二传输线Tn的输入端。在此第二电阻器R2n也与相应的第一电容器C1n桥接。信号从传输线Tn的输出端通过第三电阻器R3n传输至放大器A1的反相输入端EIN，该放大器A1被具体化为全差分放大器。

此处的放大器A为电流放大器。在第一输出端OUTp处的输出电流Ioutp取决于借助放大因子A1的、在输入端的电流Ip和电流In之间的差值。适用于下列公式：Ioutp=Ai×（Ip－In）。反之，下列公式适用于在第二输出端OUTn处的电流Ioutn Von：IOutn=Ai×（In－Ip）。补偿网络KNn包括第五电阻器R5n和第二电容器C2n的并联电路、及与第二电容器C2n串联连接的第四电阻器R4n，该补偿网络KNn将放大器A1的第二反相输出端OUTn连接到也可以存在于第二信号支路中的电路接地M。第二补偿网络KNn不是绝对必要的并且还可以设置成替代第一补偿网络KNp。在每种情况下，在KNp和KNn之间的小的差异不起作用并且不会导致具有共模调制（Vinp-Vinn）的输出信号Vout。

图2示出根据本发明的探针系统的第二示例性实施方式。已经用相应的附图标记标明参照图1已描述的电路元件并且将不会再描述以免重复。以下描述仅集中于第二示例性实施方式的特性。

在示出的第二示例性实施方式中，放大器A2具体为全差分运算放大器。与在图1中示出的第一示例性实施方式相比，在图2中示出的第二示例性实施方式中的补偿网络KNp和相应的补偿网络KNn没有被具体化在输出端OUTp和电路接地M之间、以及相应的输出端OUTn和电路接地M之间，而是被具体化在全差分运算放大器A2的反相输出端OUTn和放大器A2的非反相输入端ENI之间，或在相应的非反相输出端OUTp和反相输入端EIN之间。

在图2中示出的示例性实施方式中，补偿网络KNp也被具体化为第五电阻器R5p和第二电容器C2p的并联电路、且结合与该并联电路串联连接的第四电阻器R4p。补偿网络KNp将放大器A2的输出端OUTn连接到非反相输入端ENI。将放大器A2的输出端OUTp连接到其反相输入端EIN的补偿网络KNn以类似的方式被具体化。图2所示的电路与图1所示的电路的功能基本相同。

电阻器R1、电阻器R2和电容器C1分别产生频率响应中的零点和第一极点。典型值被设置为R2n=R2p=50kOhm。优选值的范围被设置在5kOhm和100kOhm之间。对于R1p=R1n的典型值被设置为450Ohm。合理的值的范围被设置在50Ohm和1kOhm之间。用于第一电容器的典型值被设置为C1p=C1n=0.2pF。优选值的范围被设置在0.1pF和1pF之间。用于第三电阻器R3p=R3n的典型值被设置为50Ohm。此处优选值的范围被设置在10Ohm和100Ohm之间。用于第四电阻器R4p=R4n的典型值被设置成例如5050Ohm。优选值的范围被设置在1kOhm和10kOhm之间。用于第二电容器C2p=C2n的电容的典型值被设置为2pF。对此优选值的范围被设置在0.5pF和5pF之间。

电阻器R3p和电阻器R3n用于相对于浪涌阻抗正确地终止传输线Tp和传输线Tn。所谓的跨阻抗运算放大器可以用作放大器A1，其应当提供取决于高频率的相对低的输入阻抗。

利用补偿网络KNn和补偿网络KNp产生频率响应中的第二零点和第二极点，补偿网络KNn包括电阻器R4n、电阻器R5n以及电容器C2n，补偿网络KNp包括电阻器R4p、电阻器R5p以及电容器C2p，其中，第二极点的频率等于第一零点的频率，并且第二零点的频率等于第一极点的频率。

在整个频率范围内正确地终止传输线Tp和传输线Tn，使得在频率响应中未出现干扰波纹。具有直流电压的电路的输入电阻对应于电阻的和R1+R2+R3并且因此非常高。在探针的近端的传输线Tp和相应的传输线Tn的输入端处布置的输入网络ENp和相应的输入网络ENn远小于放大器模块VE并且可以被非常简单地布置在探针内难以接近的位置上。

上述值的范围和解释不仅应用于图2的示例性实施方式，而且还应用于所有的示例性实施方式。

图3示出另一替选示例性实施方式。所述示例性实施方式与图1的示例性实施方式对比，补偿网络KNp和第二补偿网络KNn没有分别设置在输出端OUTp和电路接地M之间、以及输出端OUTn和电路接地M之间，但是存在通用补偿网络KNpn，该通用补偿网络KNpn被布置在两个输出端OUTp和输出端OUTn之间。由于相对于电路接地的对称性，因此不需要连接到电路接地。这种补偿网络KNpn便利地包括两个串联连接的电阻器R4pn、电阻器R5pn。电容器C2pn则便利地并联连接到电阻器R5pn。在这种示例性实施方式中，输出电压Vout为两个输出电压Vop和Von之间的差值，Vout=Vop－Von。

图4示出根据本发明的探针系统的第四示例性实施方式。该示例性实施方式与图1中示出的示例性实施方式的区别在于：省掉不用于进一步处理信号的在输出端OUTn处的第二补偿网络KNn。实际上，利用端式电阻器Ra终止输出端OUTn，从输出端OUTn流出乘以放大因子Ai的电流之间的差值In-Ip。该端式电阻器Ra将输出端OUTn连接到电路接地M。以类似的方式，也可以通过省略此处的第二补偿网络KNn修改在图2中示出的示例性实施方式。

因此，仅单个补偿网络KNp是足够的，这是因为其作用于输出电流，该输出电流取决于借助放大因子Ai的、在两个输入电流Ip和输入电流In之间的差值Ip－In。因此，补偿网络KNp作用于输入网络ENp和输入网络ENn。仅使用单个补偿网络KNp甚至是有利的，一方面，以简化电路，另一方面，以避免补偿网络的第二零点和第二极点的精确位置上的成分公差的影响。补偿网络KNp被便利地布置在输出端OUTp，在输出端OUTp处，通过输出端A获取输出电压Vout。然而，原则上，单个补偿网络KNn也可以被布置在另一输出端OUTn，则可以省掉补偿网络KNp。

如果差分放大器A1仅具有单个输出端，例如，仅具有输出端OUTp，但没有输出端OUTn，则也可以使用根据图4的实施方式，输出端OUTp的输出电流Ioutp仅取决于电流之间的差值Ip－In，输出端OUTn的输出电流Ioutn取决于电流之间的差值In-Ip。

也可以进一步缓冲输出电压Vout以便通过另外的波导提供给测量装置。还可以将电压Vop和电压Von利用差分输入直接提供给测量装置。为了进一步改善由波导Tp和波导Tn上的多次反射造成的残余波纹，还可以利用大约电阻器R3p和电阻器R3n的电阻值的大小的电阻器终止波导Tp和波导Tn。反之，还可以设想在波导Tp和波导Tn的输入端之间连接2×R3p=2×R3n大小的电阻器。

正如已经提到的，在输出端A的输出电压Vout与输入电压之间的差值成正比，也就是说，与Vinp－Vinn成正比。如果正确选择补偿网络的极点和零点的阈值频率，放大率Vout/（Vinp－Vinn）至少近似与频率无关。如果在整个频率范围内正确地终止波导，则在频率响应中没有发生波纹干涉。具有直流电压的电路的输入电阻对应于电阻值的总和R1p+R2p+R3p=R1n+R2n+R3n。因此，输入电阻非常高。

本发明并不仅限于示出的示例性实施方式。例如，还可以再分补偿网络，其中，补偿网络的第一部分被设置在相应的反馈路径中并且补偿网络的另一部分被布置在放大器的负载端。

Claims (10)

1.一种用于记录差分输入信号的探针系统，所述探针系统包括：

第一输入网络（ENp），所述第一输入网络被提供有所述差分输入信号的第一成分（Vinp）以便产生第一中间信号（Ip）；

第二输入网络（ENn），所述第二输入网络被提供有所述差分输入信号的第二成分（Vinn）以便产生第二中间信号（In）；

差分放大器（A1），所述差分放大器被布置在输入网络（ENp、ENn）的信号流方向的下游，用于放大所述中间信号（Ip、In）之间的差值；以及

至少一个补偿网络（KNp、KNn；KNpn），所述至少一个补偿网络用于补偿所述输入网络（ENp、ENn）对所述差分输入信号的所述成分（Vinp、Vinn）的影响，

所述探针系统的特征在于：

所述至少一个补偿网络（KNp、KNn；KNpn）被布置在所述差分放大器（A1）的输出端，

各输入网络（ENp；ENn）包括第一电阻器（R1p；R1n）与第二电阻器（R2p；R2n）的串联电路、以及第一电容器（C1p；C1n），所述第一电容器并联连接到所述第二电阻器（R2p；R2n），以及

各补偿网络（KNp；KNn）包括串联连接的第四电阻器（R4p；R4n）与第五电阻器（R5p；R5n）、以及第二电容器（C2p；C2n），所述第二电容器并联连接到所述第五电阻器（R5p；R5n）。

2.根据权利要求1所述的探针系统，其特征在于：

用于传输所述差分输入信号的所述第一成分（Vinp）的第一传输线（Tp）在所述信号流方向上被连接在所述第一输入网络（ENp）的输出端和所述差分放大器（A1）的第一输入端（ENI）之间，和/或

用于传输所述差分输入信号的所述第二成分（Vinn）的第二传输线（Tn）在所述信号流方向上被连接在所述第二输入网络（ENn）的输出端和所述差分放大器（A1）的第二输入端（EIN）之间。

3.根据权利要求2所述的探针系统，其特征在于：

第三电阻器（R3p；R3n）被布置在各传输线（Tn；Tp）和所述差分放大器（A1）的关联输入端（ENI；EIN）之间，所述第三电阻器（R3p；R3n）利用匹配的终端电阻值终止相应的传输线（Tn；Tp）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的探针系统，其特征在于：

第一补偿网络（KNp）被布置在所述差分放大器（A1）的第一输出端（OUTp）和电路接地（M）之间，和/或

第二补偿网络（KNn）被布置在所述差分放大器（A1）的第二输出端（OUTn）和电路接地（M）之间。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的探针系统，其特征在于：

第一补偿网络（KNp）被布置在所述差分放大器（A1）的第一输出端（OUTn）和所述差分放大器（A1）的第一输入端（ENI）之间，和/或

第二补偿网络（KNn）被布置在所述差分放大器（A1）的第二输出端（OUTp）和所述差分放大器（A1）的第二输入端（EIN）之间。

6.根据权利要求3所述的探针系统，其特征在于：

通用补偿网络（KNpn）被布置在所述差分放大器（A1）的第一输出端（OUTp）和第二输出端（OUTn）之间。

7.根据权利要求6所述的探针系统，其特征在于：

所述通用补偿网络（KNpn）包括三个电阻器（R4p；R5pn；R4n）的串联电路、以及另一电容器（C2pn），所述另一电容器（C2pn）并联连接到所述三个电阻器（R4p；R5pn；R4n）的中间的一个电阻器上。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的探针系统，其特征在于：

各输入网络（ENp；ENn）在所述各输入网络的传输函数中分别提供第一零点和第一极点，以及

各补偿网络（KNp；KNp；KNpn）在所述各补偿网络的传输函数中分别提供第二零点和第二极点，

其中，各补偿网络（KNp；KNp；KNpn）的所述第二零点补偿至少一个输入网络（ENp；ENn）的极点，以及各补偿网络（KNp；KNp；KNpn）的所述第二极点补偿至少一个输入网络（ENp；ENn）的零点。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的探针系统，其特征在于：

所述差分放大器（A1）提供低欧姆输入端，并且所述差分放大器（A1）提供至少一个输出端，所述至少一个输出端的输出信号与两个输入电流之间的差值成正比。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的探针系统，其特征在于：

所述差分放大器（A2）提供非反相输出端（OUTp）和反相输出端（OUTn）。