CN103185817A - 一种具有小输入电容的有源差分探头 - Google Patents

Abstract

一种具有小输入电容的有源差分探头，包括两个探头输入端子和一个具有双输入端的差分探头放大模块，每个探头输入端子与差分探头放大模块的一个输入端之间包括串联连接的一个阻尼电阻和一个RC并联电路；RC并联电路由设置在绝缘基板上的输入电阻和输入电容并联连接构成；所述输入电容设置在所述绝缘基板顶层，包括依次安装在一个第一过孔和一个第二过孔之间且串联连接的第一输入电容和第二输入电容；所述输入电阻连接在所述第一过孔和第二过孔之间，且安装在所述绝缘基板底层的与所述两个输入电容相对的位置上。本发明通过采用两个电容串联作为输入电容，实现了较小的输入电容，同时也保证了探头的两路输入电容良好的一致性。

Description

一种具有小输入电容的有源差分探头

技术领域

本发明涉及测量、测试技术领域，特别是涉及一种有源差分探头，更特别是一种具有小输入电容的有源差分探头。

背景技术

在测试测量领域中，探头是用来连接被测电路与测量仪器，采集被测信号并传输给测量仪器的设备。探头在其频带内需要能够不失真的检测信号，并不对被测电路或信号产生不利影响。这需要探头具有较大的输入电阻和较小的输入电容，高输入电阻和小输入电容能够从被测电路中分出很小的电流，减小对被测电路的影响，输入电阻需要比被测电路本身的电阻大很多，而越小的输入电容则对高频信号的影响越小。因此，设计出具有高输入电阻和小输入电容的探头具有十分重要的意义。

目前，一般示波器的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，因此又出现了有源差分探头。如申请号为CN200910237397.5中国公开专利文件就公开了一种有源差分电压探头100，结合参考图1，所述有源差分电压探头包括手柄端101、同轴线、探头放大模块102，探头尖连接两个手柄段的输入端IN+和IN-，用来连接被测电路，获取被测信号，而探头放大模块102的输出端则通过同轴线3将信号输出至示波器。

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与探头放大模块102正极输入端相连。手柄负极输出端通过同轴线2与探头放大模块102负极输入端相连。

为了保证有源差分探头的正负输入对称，一般设计时取R1P＝R1N，R2P＝R2N，C1P＝C1N。

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输入电容。

上述公开文件中还介绍了多种探头放大模块的实现方式，图1中的结构仅是其一种实现方式。但探头放大模块的核心都是由放大器构成，由于放大器的正负输入端虚短，只有共模信号，可以看成差模地，因此探头的输入电容包括电路中的电容C1P、C1N，还包括由电路板设计时的寄生电容。寄生电容包括输入端IN+和IN-对地的寄生电容，各元器件对地的寄生电容，探头放大器输入端对地的寄生电容等，因此寄生电容始终存在，且两路寄生电容由于PCB设计、元件封装等而不尽一致。

因此，需要重点设计电容C1P、C1N。由于电容C1P、C1N非常小，一般小于1pF，采用贴片电容实现，即使采用市场上现有的高精度高Q电容，受限于器件本身，其最高精度A档也只能实现±0.05pF，在寄生电容始终存在的情况下难以实现两路输入电容的一致性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种具有小输入电容的有源差分探头，输入电容采用两个电容串联实现，能够实现较小的输入电容，同时保持探头两路输入电容良好的一致性。

本发明所述的一种具有小输入电容的有源差分探头，包括：

两个探头输入端子和一个具有双输入端的差分探头放大模块，每个所述探头输入端子与所述差分探头放大模块的一个输入端之间包括串联连接的一个阻尼电阻和一个RC并联电路；

所述RC并联电路由设置在一个绝缘基板上的一个输入电阻和输入电容并联连接构成；

所述输入电容设置在所述绝缘基板顶层，包括依次安装在一个第一过孔和一个第二过孔之间且串联连接的第一输入电容和第二输入电容；

所述第一输入电容的输入端通过所述第一过孔与对应的阻尼电阻连接，所述第一输入电容的输出端与所述第二输入电容的输入端连接，所述第二输入电容的输出端通过所述第二过孔与所述差分探头放大模块的对应输入端连接；

所述输入电阻连接在所述第一过孔和第二过孔之间，且安装在所述绝缘基板底层的与所述两个输入电容相对的位置上。

本发明的输入电容通过采用两个电容串联实现，通过调节其中一个电容的电容值可以实现对输入电容的微调，易于保证探头两路输入电容的一致性；同时为了减小走线电感和探头的体积，将输入电阻设置在绝缘基板底层的与输入电容相对的位置上，通过过孔连接输入电阻和输入电容。

作为一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所述输入电阻与所述第一过孔之间的距离小于等于所述输入电阻与所述第二过孔之间的距离。

作为又一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所述输入电阻与所述第一过孔之间的距离小于所述输入电阻与所述第二过孔之间的距离。

作为又一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所述输入电容为贴片电容。

作为又一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所述两个输入电容中的一个输入电容的电容值大于等于另一个输入电容的电容值的两倍。

作为又一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所述两个输入电容中的一个输入电容的电容值大于等于另一个输入电容的电容值的两倍，且小于等于所述另一个输入电容的电容值的十倍。

作为又一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所述两个输入电容中的电容值小的一个输入电容为所述第一输入电容，所述两个输入电容中的电容值大的一个输入电容为所述第二输入电容。

作为又一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所述第一输入电容取值0.2pF，所述第二输入电容取值0.4pF--1pF。

作为又一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所述第一输入电容取值为0.2pF，所述第二输入电容取值为0.6pF。

作为又一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所述输入电阻为贴片电阻。

本发明提供的具有小输入电容的有源差分探头实现了探头的小输入电容，同时也使探头的两路输入电容的一致性良好，使得不同的探头之间一致性良好，且易于生产，成本低。

附图说明

图1是背景技术中的现有技术公开的有源差分探头100的电路原理图；

图2是本发明的有源差分探头200的电路原理图；

图3是本发明的有源差分探头200的一种结构示意图；

图4是本发明的有源差分探头200的又一种结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图2，本发明的实施例提供了一种有源差分探头200，所述有源差分探头200包括两个探头输入端子IN+、IN-和一个差分探头放大模块202，在每一个探头输入端子和差分探头放大模块202的一个输入端之间分别设置有一个阻尼电阻R11和R21，两个输入电容C11、C12和C21、C22，一个输入电阻R12和R22；输入端子IN+连接阻尼电阻R11的一端，阻尼电阻R11的另一端分别连接输入电容C11和输入电阻R12，输入电容C11的另一端连接输入电容C12，输入电容C12和输入电阻R12的另一端共同通过同轴线连接到差分探头放大模块202的一个输入端；输入端子IN-连接阻尼电阻R21的一端，阻尼电阻R21的另一端分别连接输入电容C21和输入电阻R22，输入电容C21的另一端连接到输入电容C22，输入电容C22和输入电阻R22的另一端通过同轴线共同连接到差分探头放大模块202的另一个输入端；两个探头输入端子IN+和IN-分别可以连接探头的探头尖，而差分探头放大模块202的输出端则通过同轴线连接示波器等测量仪器。

在本实施例中，为了保证有源差分探头的正负输入对称，设计时取R11＝R21，R12＝R22，C11＝C21，C12＝C22；所述两个阻尼电阻R11、R21和两个输入电阻R12、R22均采用贴片电阻实现，贴片电阻体积小，高频性能优越，不会增加探头手柄段的体积，也适应高频需求；所述四个输入电容C11、C12、C21、C22均采用贴片电容实现，贴片电容易于实现高精度高Q值，其最高精度A档能够实现±0.05pF，且体积小，易于PCB设计。

作为一种变形，所述阻尼电阻R11和R21也可以采用引线电阻，还可以采用绕线电阻，还可以采用碳膜电阻等。

作为一种变形，所述输入电阻R12和R22也可以采用引线电阻，还可以采用绕线电阻，还可以采用碳膜电阻等。

作为一种变形，所述输入电容C11、C12、C21、C22也可以采用插件电容实现。

在本实施例中，将两个阻尼电阻R11和R21、两个输入电阻R12和R22、四个输入电容C11、C12、C21、C22设置在一个绝缘基板上，本实施例中所述绝缘基板采用双面PCB板，作为有源差分探头200的手柄端。由于探头输入端子IN+、IN-和差分探头放大模块202之间的两路输入线路完全相同，本实施例以探头输入端子IN+所在的一路为例进行说明。

在本实施例中，结合参考图3，在所述PCB板201上安装所述阻尼电阻R11、第一输入电容C11和第二输入电容C12，并在所述阻尼电阻R11和所述第一输入电容C11之间设置第一过孔203，在所述第二输入电容C12另一侧设置第二过孔204，使得所述第一输入电容C11和第二输入电容C12依次设置在所述第一过孔203和所述第二过孔204之间。所述第一过孔203和所述第二过孔204在所述PCB板201的顶层和底层上分别设置焊盘作为接线端，所述第一输入电容C11的左侧输入端和所述阻尼电阻R11分别通过走线连接到第一过孔203的顶层焊盘，所述第一输入电容C11的右侧输出端通过走线连接所述第二输入电容C12的左侧输入端，所述第二输入电容C12的右侧输出端通过走线连接到所述第二过孔204的顶层焊盘，而所述差分探头放大模块202则通过同轴线也连接到所述第二过孔204的顶层焊盘，这样设置可以尽可能的减小各元器件之间的走线，进而减小寄生电容、寄生电感等的影响。

作为一种变形，结合参考图4，所述阻尼电阻R11可以不设置在所述PCB板201上，而作为单独器件存在，在所述PCB板201上设置一焊接点205，将所述阻尼电阻R11通过连接线206连接到所述焊接点205，然后再连接到所述第一过孔203。

作为又一种变形，所述阻尼电阻R11可以与所述第一过孔203位于所述PCB板201顶层的焊盘连接，进而连接所述输入电容C11与所述输入电阻R12；也可以与所述第一过孔203位于所述PCB板201底层的焊盘连接，进而连接所述输入电容C11与所述输入电阻R12。

作为又一种变形，所述差分探头放大模块202的输入端通过同轴线可以和所述第二过孔204位于所述PCB板201顶层的焊盘连接，进而连接所述输入电容C11与所述输入电阻R12；也可以与所述第二过孔204位于所述PCB板201底层201的焊盘连接，进而连接所述输入电容C11与所述输入电阻R12。

作为又一种变形，所述绝缘基板也可以采用四层PCB板，还可以采用六层PCB板，还可以采用更多层的PCB板实现。

在本实施例中，所述输入电阻R12采用贴片电阻实现，所述输入电阻R12连接在所述第一过孔203和第二过孔204之间，安装在所述PCB板201底层的与所述第一输入电容C11和所述第二输入电容C12相对的位置上，所述输入电阻R12通过走线与第一过孔203和第二过孔204底层上的设置的焊盘连接，且所述输入电阻R12和所述第一过孔203之间的距离H1小于所述输入电阻R12和所述第二过孔204之间的距离H2。即尽可能减小所述输入电阻R12和所述第一过孔203之间的走线距离，这样做能够有效的减小走线电感、寄生电容等问题。

作为一种变形，所述输入电阻R12和所述第一过孔203之间的距离H1也可以等于或者大于所述输入电阻R12和所述第二过孔204之间的距离H2。相对于H1小于H2的方案，H1等于或大于H2的方案会增大寄生电感，一定程度的影响阻尼电阻的作用，会给高频信号的响应带来一定的震荡。

在本实施例中，所述第一输入电容C11取值为0.2pF，所述第二输入电容C12取值为0.6pF，串联后的输入电容为0.15pF，结合所述有源差分探头200的寄生电容，可以计算测量出实际的输入电容。所述第一输入电容C11电容值小，其产生的寄生电感小，寄生电阻小，对所述阻尼电阻R11的影响小。

作为一种变形，当所述第一输入电容C11取值为0.2pF时，所述第二输入电容C12的取值也可以为0.4pF、0.5pF、0.7pF、0.8pF、0.9pF、1pF，结合参考表1，可以得到所述第一输入电容C11与所述第二输入电容C12串联后的总的输入电容的值，在所述有源差分探头200的寄生电容由于PCB设计、元器件封装等而不同时，通过调整所述第二输入电容C12，结合A档的输入电容的误差±0.05pF，可以实现对实际的有源差分探头200的输入电容的微调，进而使得所述有源差分探头200的两路输入电容实现良好的一致性，进而使得不同的探头之间实现良好的一致性。

表1

作为又一种变形，所述第二输入电容C12的取值当然也可以为1pF——2pF之间，也可以实现对有源差分探头200的调整。

作为又一种变形，所述第二输入电容C12的取值也可以是小于0.4pF，也可以是大于2pF，也能够实现对有源差分探头200的调整。

作为又一种变形，所述第一输入电容C11的取值也可以为其他值，例如可以为0.1pF，如果此时所述第二输入电容C12的取值为0.2pF，串联后的值为0.067pF；如果此时所述第二输入电容C12的取值为0.3pF，串联后的值为0.075pF；如果此时所述第二输入电容C12的取值为0.4pF，串联后的值为0.08pF，等等。结合输入电容的本身的误差，也可以实现对有源差分探头200的实际的输入电容的调整。

作为又一种变形，所述第一输入电容C11与所述第二输入电容C12的位置也可以调换，使得与所述阻尼电阻R11直接连接的一个输入电容(也可以说是直接与所述第一过孔203连接的一个输入电容)的电容值大于另一个输入电容的电容值(即直接与所述第二过孔204连接的一个输入电容)，由于电容值大，产生的寄生电感大，寄生电阻大，相当于在阻尼电阻R11后增加了一定的电感，会减弱所述阻尼电阻R11的作用，进而会一定程度的导致高频信号出现震荡。

在本实施例中，在实际生产时也可以设置一个标准探头，将所述有源差分探头200输出的波形与所述标准探头输出的同一波形进行对比，然后通过更换所述第二输入电容C12来实现第二输入电容C12的电容值的微调，直至使所述有源差分探头200输出的波形与所述标准探头输出的波形基本一致，即完成了对所述有源差分探头200的设计，实现了探头之间良好的一致性。

作为一种举例说明，所述差分探头放大模块202可以采用如图1中所示的探头放大器102。

作为一种变形，所述差分探头放大模块202也可以采用中国公开专利申请文件CN200910237397.5所公开的其他形式的探头放大器。

通过以上说明可以看出，本发明的实施例解决了背景技术中所述的输入电容的一致性难以保证的问题，提供了一种采用两个电容串联作为输入电容的有源差分探头，实现了有源差分探头的较低的输入电容，在寄生电容存在的情况下探头两路输入电容的一致性良好，进而也使得不同的探头之间的一致性良好；同时也克服了因手柄端体积小而带来的PCB电路设计困难的问题，也有效的降低了因走线带来的寄生电容、寄生电感等的影响，且易于生产。

以上所述的仅为本发明的具体实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有小输入电容的有源差分探头，包括：

两个探头输入端子和一个具有双输入端的差分探头放大模块，每个所述探头输入端子与所述差分探头放大模块的一个输入端之间包括串联连接的一个阻尼电阻和一个RC并联电路；

所述RC并联电路由设置在一个绝缘基板上的一个输入电阻和输入电容并联连接构成；

其特征在于：

所述输入电容设置在所述绝缘基板顶层，包括依次安装在一个第一过孔和一个第二过孔之间且串联连接的第一输入电容和第二输入电容；

所述第一输入电容的输入端通过所述第一过孔与对应的阻尼电阻连接，所述第一输入电容的输出端与所述第二输入电容的输入端连接，所述第二输入电容的输出端通过所述第二过孔与所述差分探头放大模块的对应输入端连接；

所述输入电阻连接在所述第一过孔和第二过孔之间，且安装在所述绝缘基板底层的与所述两个输入电容相对的位置上。

2.根据权利要求1所述的有源差分探头，其特征在于：

所述输入电阻与所述第一过孔之间的距离小于等于所述输入电阻与所述第二过孔之间的距离。

3.根据权利要求1所述的有源差分探头，其特征在于：

所述输入电阻与所述第一过孔之间的距离小于所述输入电阻与所述第二过孔之间的距离。

4.根据权利要求1或2或3所述的有源差分探头，其特征在于：

所述输入电容为贴片电容。

5.根据权利要求4所述的有源差分探头，其特征在于：

所述两个输入电容中的一个输入电容的电容值大于等于另一个输入电容的电容值的两倍。

6.根据权利要求5所述的有源差分探头，其特征在于：

所述两个输入电容中的一个输入电容的电容值大于等于另一个输入电容的电容值的两倍，且小于等于所述另一个输入电容的电容值的十倍。

7.根据权利要求5或6所述的有源差分探头，其特征在于：

所述两个输入电容中的电容值小的一个输入电容为所述第一输入电容，所述两个输入电容中的电容值大的一个输入电容为所述第二输入电容。

8.根据权利要求7所述的有源差分探头，其特征在于

所述第一输入电容取值0.2pF，所述第二输入电容取值0.4pF--1pF。

9.根据权利要求8所述的有源差分探头，其特征在于：

所述第一输入电容取值为0.2pF，所述第二输入电容取值为0.6pF。

10.根据权利要求1或2或3所述的有源差分探头，其特征在于：

所述输入电阻为贴片电阻。

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