CN104345185A - 一种有源单端探头及一种测试测量仪器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种有源单端探头和一种测试测量仪器，所述有源单端探头包括：信号输入端、手持前端、探头放大器和信号输出端；还包括：阻值相同的第一平衡电阻和第二平衡电阻；第一平衡电阻的一端接地，非接地端连接在输入阻抗单元的输出端和放大器单元的第一输入端之间的串联连线上；第二平衡电阻的一端接地，非接地端连接在第二电阻的非接地端和放大器单元的第二输入端之间的串联连线上，第二平衡电阻与第二电阻并联后的阻值小于第二电阻的阻值。本发明由于并联后的等效电阻相对于第二电阻变小了，而放大器单元的偏置电流固定不变，因此，由等效电阻产生偏移电压也同样变小了。

Description

一种有源单端探头及一种测试测量仪器

技术领域

本发明涉及测试测量技术领域，特别是涉及一种有源单端探头及一种测试测量仪器。

背景技术

在测试测量领域中，探头是一种采集信号的装置，它可以将采集的被测信号输入到测试测量仪器中。和探头结合使用的测试测量仪器可以是示波器、频谱分析仪器或数据采集装置等。

探头通常包括无源探头和有源探头两种，根据探头内部不同的前端电路，有源探头通常分为差分探头和单端探头两种。根据探头外部不同的结构，差分探头又包括手持式差分探头和焊接式差分探头，单端探头又包括手持式单端探头和焊接式单端探头。

有源差分探头的电路结构基本一致。例如，申请号为200910237397.5的中国专利申请公开了一种有源差分电压探头。如图1所示，有源差分探头100包括手柄端101、同轴线和探头放大器102。手柄端101设有两个输入端IN+和IN-，用于接入差分被测信号的正负端。输入端IN+连接有阻尼电阻R1P，输入端IN-连接有阻尼电阻R1N。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。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。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。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102的正极输入端相连。手柄负极输出端通过同轴线2与探头放大器102的负极输入端相连。

探头放大器102由全差分放大器U1及若干电容电阻构成。探头放大器102的正极输入端连接有终端电阻RTP，探头放大器102的负极输入端连接有终端电阻RTN。终端电阻RTP接入全差分放大器U1的正输入端，终端电阻RTN接入全差分放大器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，并联在全差分放大器U1的负输入端和正输出端之间。全差分放大器U1的负输出端为探头放大器102的正极输出端，全差分放大器U1的正输出端为探头放大器102的负极输出端。

探头放大器102的正极输出端通过电阻R6接地。探头放大器102的负极输出端通过电阻R5与同轴线3相连，并通过同轴线3将被测信号输出至示波器。为了保证有源差分探头100的正负输入对称，一般设计时取R1P=R1N，R2P=R2N，C1P=C1N，RTP=RTN，R4P=R4N，R3P=R3N，C2P=C2N。上述公开文件中还介绍了多种有源差分探头的实现方式，图1所示的结构仅是其一种实现方式，但有源差分探头的主要结构均是由手柄端101和探头放大器102构成。

有源单端探头的电路结构与有源差分探头100的电路结构部分类似，参照图2，有源单端探头200也包括手柄端201和探头放大器202，手柄端201具有输入端IN+的一条支路以及除手柄端201以外的电路结构与有源差分探头100相同，与有源差分探头100所不同的是，手柄端201的另一条支路由一端接地的电阻R2N直接连接至同轴线2。

有源单端探头200的此种结构，存在如下问题：当使用有源单端探头200时，由于探头放大器202的负极输入端通过电阻R2N接地，探头放大器202的负极输入端与地之间会产生偏置电流I，偏置电流I会在电阻R2N上形成偏移电压，这样在测量被测信号时，会在测试测量仪器上看到被测信号具有一个明显的偏移电压信号，当测试测量仪器的垂直档位较小时，该偏移电压信号尤为明显。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种有源单端探头和一种测试测量仪器，能够减小探头产生的偏移电压。

为了解决上述问题，本发明公开了一种有源单端探头，包括：信号输入端、手持前端、探头放大器和信号输出端；

手持前端包括：第一电阻、输入阻抗单元和第二电阻；第一电阻的一端连接信号输入端，另一端连接输入阻抗单元的输入端，第二电阻的一端接地；

探头放大器包括：第一终端电阻、第二终端电阻和放大器单元；第一终端电阻的一端电连接阻抗单元的输出端，另一端连接放大器单元的第一输入端；第二终端电阻的一端电连接第二电阻的非接地端，另一端连接放大器单元的第二输入端，放大器单元的第一输出端通过串联的第一负载电阻接地，放大器单元的第二输出端通过串联的第二负载电阻连接信号输出端；

所述有源单端探头还包括：阻值相同的第一平衡电阻和第二平衡电阻；第一平衡电阻的一端接地，非接地端连接在输入阻抗单元的输出端和放大器单元的第一输入端之间的串联连线上；第二平衡电阻的一端接地，非接地端连接在第二电阻的非接地端和放大器单元的第二输入端之间的串联连线上，其中，第二平衡电阻与第二电阻并联后的阻值小于第二电阻的阻值。

作为一个举例说明，本发明所述的第一平衡电阻的非接地端连接放大器单元的第一输入端，第二平衡电阻的非接地端连接放大器单元的第二输入端。

作为一个举例说明，本发明所述的第一平衡电阻的非接地端连接输入阻抗单元的输出端，第二平衡电阻的非接地端连接第二电阻的非接地端。

作为一个举例说明，本发明所述的第一终端电阻的一端通过串联的第一同轴线电连接阻抗单元的输出端，第二终端电阻的一端通过串联的第二同轴线电连接第二电阻的非接地端；第一平衡电阻的非接地端连接在第一同轴线与第一终端电阻之间的串联连线上，第二平衡电阻的非接地端连接在第二同轴线与第二终端电阻之间的串联连线上。

作为一个举例说明，在手持前端和探头放大器的PCB板上，第一平衡电阻和第二平衡电阻相对于放大器单元对称布设。

作为一个举例说明，本发明所述的输入阻抗单元包括并联的输入电阻和输入电容；第二电阻和输入电阻的阻值相同，第二电阻与第二平衡电阻的阻值比例为100:1。

作为一个举例说明，本发明所述的第二平衡电阻的取值范围为1KΩ～10KΩ。

作为一个举例说明，本发明所述的放大器单元包括：第一全差分放大器、连接在第一全差分放大器的正输入端与其负输出端之间的第一反馈阻抗单元、连接在第一全差分放大器的负输入端与其正输出端之间的第二反馈阻抗单元；第一全差分放大器的正输入端作为放大器单元的第一输入端，其负输入端作为放大器单元的第二输入端，其负输出端作为放大器单元的第一输出端，其正输出端作为放大器单元的第二输出端。

作为一个举例说明，本发明所述的探头还包括缓冲电路，所述缓冲电路包括：第二全差分放大器、连接在放大器单元的第一输出端和第二全差分放大器的负输入端之间的第一缓冲电阻、连接在放大器单元的第二输出端和第二全差分放大器的正输入端之间的第二缓冲电阻、连接在第二全差分放大器的负输入端与其正输出端之间的第一反馈电阻、连接在第二全差分放大器的正输入端与其负输出端之间的第二反馈电阻；放大器单元的第一输出端通过串联的第一缓冲电阻、第一反馈电阻、第一负载电阻接地，放大器单元的第二输出端通过第二缓冲电阻、第二反馈电阻和第二负载电阻连接信号输出端。

作为一个举例说明，本发明所述的放大器单元包括：第一全差分放大器、连接在第一全差分放大器的正输入端与其负输出端之间的第一反馈阻抗单元、连接在第一全差分放大器的负输入端与其正输出端之间的第二反馈阻抗单元；第一全差分放大器的正输入端作为放大器单元的第一输入端，其负输入端作为放大器单元的第二输入端，其正输出端作为放大器单元的第一输出端，其负输出端作为放大器单元的第二输出端。

作为一个举例说明，本发明所述的放大器单元包括：正输入端接地的第一放大器、正输入端接地的第二放大器、连接在第一放大器的负输入端与其输出端之间的第一反馈阻抗单元、连接在第二放大器的负输入端与其输出端之间的第二反馈阻抗单元；第一放大器的负输入端作为放大器单元的第一输入端，其输出端作为放大器单元的第一输出端；第二放大器的负输入端作为放大器单元的第二输入端，其输出端作为放大器单元的第二输出端。

作为一个举例说明，本发明所述的第一反馈阻抗单元和第二反馈阻抗单元中的每一个均包括：一个电阻与一个电容串联后、再与另一个电阻并联而成的阻容结构；阻容结构中电容的取值范围为0.1pF～0.4pF，阻容结构中电阻的取值范围为200Ω～500Ω。

本发明还公开了一种测试测量仪器，包括有源单端探头，所述有源单端探头包括：信号输入端、手持前端、探头放大器和信号输出端；手持前端包括：第一电阻、输入阻抗单元和第二电阻；第一电阻的一端连接信号输入端，另一端连接输入阻抗单元的输入端，第二电阻的一端接地；探头放大器包括：第一终端电阻、第二终端电阻和放大器单元；第一终端电阻的一端电连接阻抗单元的输出端，另一端连接放大器单元的第一输入端；第二终端电阻的一端电连接第二电阻的非接地端，另一端连接放大器单元的第二输入端，放大器单元的第一输出端通过串联的第一负载电阻接地，放大器单元的第二输出端通过串联的第二负载电阻连接信号输出端；

所述有源单端探头还包括：阻值相同的第一平衡电阻和第二平衡电阻；第一平衡电阻的一端接地，非接地端连接在输入阻抗单元的输出端和放大器单元的第一输入端之间的串联连线上；第二平衡电阻的一端接地，非接地端连接在第二电阻的非接地端和放大器单元的第二输入端之间的串联连线上，其中，第二平衡电阻与第二电阻并联后的阻值小于第二电阻的阻值。

所述测试测量仪器中的有源单端探头可以为前述各个举例说明中的有源单端探头。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明在有源单端探头电路的两条支路上对称性的增加第一平衡电阻和第二平衡电阻，相当于在第二电阻上并联了一个小阻值电阻，则并联后的等效电阻相对于第二电阻变小了，而放大器单元的偏置电流固定不变，因此，等效电阻两端的电压，即由第二电阻产生的偏移电压，也同样变小了。

2、第一平衡电阻、第二平衡电阻的非接地端有多种设置形式，在走线尽量短的情况下，即最靠近放大器单元的第一输入端和第二输入端时，可以减小产生的寄生电感和寄生电容，避免影响探头的高频部分参数。

3、在手持前端和探头放大器的PCB板上，第一平衡电阻和第二平衡电阻相对于放大器单元对称布设，以保证更好的对称性，获得更好的带内平坦度。

4、第二电阻与第二平衡电阻的阻值比例优选为100:1，使得二者的并联得到的等效电阻，相比第二电阻明显的减小，以达到减小偏移电压的目的；并且平衡电阻的取值也不会由于过小而影响有源单端探头的带宽与频响参数。

5、输入电阻、第二电阻的取值范围可以为100K～1MΩ，则相对比现有技术，增大了输入阻抗，并取值在合适的范围，既能够保证探头的带宽以及带内平坦度参数，又减小了对被测信号产生的干扰，扩大了探头的可测性以及使用范围。

6、阻容结构中电容的取值范围为0.1pF～0.4pF，阻容结构中电阻的取值范围为200Ω～500Ω。则通过调节放大器单元中的反馈参数，增大电阻，减小电容，从而增大了高频补偿路径的阻抗，减小了衰减比例，实现了增加探头高频带宽的目的。

附图说明

图1是现有技术公开的一种有源差分探头100的电路图；

图2是现有技术公开的一种有源单端探头200的电路图；

图3是本发明实施例一给出的一种有源单端探头300的电路图；

图4是本发明实施例二给出的一种有源单端探头400的电路图；

图5是本发明实施例三给出的一种有源单端探头500的电路图；

图6是本发明实施例四给出的一种有源单端探头600的电路图；

图7是本发明实施例五给出的一种有源单端探头700的电路图；

图8是本发明实施例六给出的一种有源单端探头800的电路图；

图9是本发明实施例七给出的一种有源单端探头900的电路图。

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。

实施例一

参照图3，示出了本发明实施例一给出的一种有源单端探头300的电路图。有源单端探头300包括：信号输入端IN+、手持前端301、探头放大器302和信号输出端OUT。

手持前端301（也称手柄端）包括：第一电阻R1P、输入阻抗单元3011和第二电阻R2N；第一电阻R1P的一端连接信号输入端IN+，另一端连接输入阻抗单元3011的输入端，第二电阻R2N的一端接地GND；

探头放大器302包括：第一终端电阻RTP、第二终端电阻RTN和放大器单元3021；第一终端电阻RTP的一端电连接阻抗单元3011的输出端，另一端连接放大器单元3021的第一输入端in1；第二终端电阻RTN的一端电连接第二电阻R2N的非接地端，另一端连接放大器单元3021的第二输入端in2，放大器单元3021的第一输出端out1通过串联的第一负载电阻R6接地，放大器单元3021的第二输出端out2通过串联的第二负载电阻R5连接信号输出端OUT。

作为一个举例说明，第一终端电阻RTP的一端通过串联的同轴线1电连接阻抗单元3011的输出端，第二终端电阻RTN的一端通过串联的同轴线2电连接第二电阻R2N的非接地端。第二负载电阻R5和信号输出端OUT之间还连接有同轴线3。同轴线1、同轴线2和同轴线3可以是高带宽同轴线缆。作为另一个举例说明，还可以将同轴线1、同轴线2和同轴线3替换为具有屏蔽层、绝缘层的插针、插线等。

本发明实施例一中，输入阻抗单元3011包括并联的输入电阻R2P和输入电容C1P。放大器单元3021包括：第一全差分放大器U1、连接在第一全差分放大器U1的正输入端与第一全差分放大器U1的负输出端之间的第一反馈阻抗单元3022、连接在第一全差分放大器U1的负输入端与第一全差分放大器U1的正输出端之间的第二反馈阻抗单元3023。第一全差分放大器U1的正输入端作为放大器单元3021的第一输入端in1，其负输入端作为放大器单元3021的第二输入端in2，其负输出端作为放大器单元3021的第一输出端out1，其正输出端作为放大器单元3021的第二输出端out2。第一反馈阻抗单元3022包括电阻R4P与电容C2P串联后、再与电阻R3P并联所构成的阻容结构，第二反馈阻抗单元3023包括电阻R4N与电容C2N串联后、再与电阻R3N并联所构成的阻容结构。

输入阻抗单元3011和放大器单元3021用于衰减来自于信号输入端IN+的被测信号，其中，输入阻抗单元3011和第二电阻R2N作为有源单端探头300的输入阻抗，与第一反馈阻抗单元3022、第二反馈阻抗单元3023组成衰减比例电路。探头放大器302有两个作用：一个是与手持前端301组成衰减网络，用于衰减由信号输入端IN+接入的被测信号，另一个是用于提高电路带载能力和系统带宽。

为了保证有源单端探头300的对称，一般设计时取R2P=R2N，RTP=RTN，R4P=R4N，R3P=R3N，C2P=C2N。作为一个优选的实施例，各个器件的参数可以有如下取值：C1P=0.2pF，R2P=R2N=100kΩ，RTP=RTN=50Ω，R3P=R3N=20KΩ，C2P=C2N=0.4pF，R4P=R4N=200Ω。在具体实施例中，还可以在第二电阻R2N的两端并联一个电容，该电容的取值与输入电容C1P相同，以保证更好的对称性，获得更好的带内平坦度。

有源单端探头300还包括：阻值相同的第一平衡电阻REP和第二平衡电阻REN；第一平衡电阻REP的一端接地，第一平衡电阻REP的非接地端连接放大器单元3021的第一输入端in1；第二平衡电阻REN的一端接地，第二平衡电阻REN的非接地端连接放大器单元3021的第二输入端in2，其中，第二平衡电阻REN与第二电阻R2N并联后的阻值小于第二电阻R2N的阻值。

由于偏移电压是图3中第二电阻R2N与放大器单元3021的偏置电流I的乘积。由于第二终端电阻RTN的阻值（通常为几十欧）远小于第二电阻R2N的阻值（通常达到上千欧），因此，忽略不计第二终端电阻RTN，在电路的两条支路上对称性的增加第一平衡电阻REP和第二平衡电阻REN，相当于在第二电阻R2N上并联了一个小阻值电阻，则并联后的等效电阻相对于第二电阻R2N变小了，而放大器单元3021的偏置电流I固定不变，因此，等效电阻两端的电压，即由第二电阻R2N产生的偏移电压，也同样变小了。

实施例二

参照图4，示出了本发明实施例二给出的一种有源单端探头400的电路图。有源单端探头400包括：信号输入端IN+、手持前端401、探头放大器402和信号输出端OUT。手持前端401包括：第一电阻R1P、输入阻抗单元4011和第二电阻R2N；探头放大器402包括：第一终端电阻RTP、第二终端电阻RTN和放大器单元4021。各个部件的连接关系及其内部的电路结构、各个元器件的取值范围，可参见实施例一。

与实施例一不同的是，第一平衡电阻REP的一端接地，第一平衡电阻REP的非接地端连接输入阻抗单元4011的输出端，第二平衡电阻REN的一端接地，第二平衡电阻REN的非接地端连接第二电阻R2N的非接地端。

实施例三

参照图5，示出了本发明实施例三给出的一种有源单端探头500的电路图。有源单端探头500包括：信号输入端IN+、手持前端501、探头放大器502和信号输出端OUT。手持前端501包括：第一电阻R1P、输入阻抗单元5011和第二电阻R2N；探头放大器502包括：第一终端电阻RTP、第二终端电阻RTN和放大器单元5021。各个部件的连接关系及其内部的电路结构、各个元器件的取值范围，可参见实施例一。

与实施例一不同的是，第一平衡电阻REP的一端接地，第一平衡电阻REP的非接地端连接在同轴线1与第一终端电阻RTP之间的串联连线上，即同轴线1的输出端；第二平衡电阻REN的一端接地，第二平衡电阻REN的非接地端连接在同轴线2与第二终端电阻RTN之间的串联连线上，即同轴线2的输出端。

通过上述实施例一、二和三，可以看出，由于第二平衡电阻RTN与第二电阻R2N并联后的阻值小于第二电阻R2N的阻值，因此，并联后的等效电阻变小了，而放大器单元3021、4021、5021的偏置电流I为第一全差分放大器U1的固有性能指标，固定不变，因此，等效电阻两端的电压，即由第二电阻R2N产生的偏移电压，也同样变小了。需要说明的是，第一平衡电阻REP、第二平衡电阻REN的接地端要尽可能靠近放大器单元3021、4021、5021，避免对地形成耦合电容，此外，第一平衡电阻REP、第二平衡电阻REN的走线应尽量短，以免产生寄生电感和寄生电容，影响探头的高频部分参数。因此，实施例一为优选的实施例，相比实施例二和三，对高频部分的影响最小。

实施例四

在前述的实施例一、二和三中，该有源差分电压探头仅采用了一个全差分放大器U1来实现一级比例放大电路。在无法满足整体衰减倍数时，就可以设计第二级的缓冲电路来实现不足够的增益，以保证有源单端探头达到所需要的增益。

参照图6，示出了本发明实施例四给出的一种有源单端探头600的电路图。有源单端探头600包括：信号输入端IN+、手持前端601、探头放大器602、缓冲电路603和信号输出端OUT。手持前端601包括：第一电阻R1P、输入阻抗单元6011和第二电阻R2N；探头放大器602包括：第一终端电阻RTP、第二终端电阻RTN和放大器单元6021。放大器单元6021包括：第一全差分放大器U1、连接在第一全差分放大器U1的正输入端与其负输出端之间的第一反馈阻抗单元6022、连接在第一全差分放大器U1的负输入端与其正输出端之间的第二反馈阻抗单元6023。各个部件的连接关系及其内部的电路结构、各个元器件的取值范围，可参见实施例一。

第一全差分放大器U1的正输入端作为放大器单元6021的第一输入端in1，第一全差分放大器U1的负输入端作为放大器单元6021的第二输入端in2。与实施例一不同的是，第一全差分放大器U1的正输出端作为放大器单元6021的第一输出端out1，第一全差分放大器U1的负输出端作为放大器单元6021的第二输出端out2。

有源单端探头600还包括缓冲电路603，缓冲电路603包括：第二全差分放大器U2、连接在放大器单元6021的第一输出端out1和第二全差分放大器U2的负输入端之间的第一缓冲电阻R7N、连接在放大器单元6021的第二输出端out2和第二全差分放大器U2的正输入端之间的第二缓冲电阻R7P、连接在第二全差分放大器U2的负输入端与其正输出端之间的第一反馈电阻R8N、连接在第二全差分放大器U2的正输入端与其负输出端之间的第二反馈电阻R8P。放大器单元6021的第一输出端out1通过串联的第一缓冲电阻R7N、第一反馈电阻R8N、第一负载电阻R6接地，放大器单元6021的第二输出端out2通过串联的第二缓冲电阻R7P、第二反馈电阻R8P、第二负载电阻R5连接信号输出端OUT。在缓冲电路600中，各个电阻可以有如下取值：R7P=R7N=100Ω，R8P=R8N=200Ω。

实施例五

参照图7，示出了本发明实施例五给出的一种有源单端探头700的电路图。有源单端探头700包括：信号输入端IN+、手持前端701、探头放大器702、缓冲电路703和信号输出端OUT。手持前端701包括：第一电阻R1P、输入阻抗单元7011和第二电阻R2N；探头放大器702包括：第一终端电阻RTP、第二终端电阻RTN和放大器单元7021。缓冲电路703包括：第二全差分放大器U2、连接在放大器单元7021的第一输出端out1和第二全差分放大器U2的负输入端之间的第一缓冲电阻R7N、连接在放大器单元7021的第二输出端out2和第二全差分放大器U2的正输入端之间的第二缓冲电阻R7P、连接在第二全差分放大器U2的负输入端与其正输出端之间的第一反馈电阻R8N、连接在第二全差分放大器U2的正输入端与其负输出端之间的第二反馈电阻R8P。各个部件的连接关系及其内部的电路结构、各个元器件的取值范围，相关内容可分别参见实施例一和实施例四。

与实施例四不同的是，第一平衡电阻REP的一端接地，第一平衡电阻REP的非接地端连接输入阻抗单元7011的输出端，第二平衡电阻REN的一端接地，第二平衡电阻REN的非接地端连接第二电阻R2N的非接地端。

可以理解的是，作为另一个实施例，在具有缓冲电路的有源单端探头中，第一平衡电阻REP和第二平衡电阻REN的连接位置可以参照图5所示的实施例三，其中，第一平衡电阻REP的一端接地，第一平衡电阻REP的非接地端连接在同轴线1与第一终端电阻RTP之间的串联连线上，即同轴线1的输出端；第二平衡电阻REN的一端接地，第二平衡电阻REN的非接地端连接在同轴线2与第二终端电阻RTN之间的串联连线上，即同轴线2的输出端。信号输入端、手持前端、探头放大器、缓冲电路和信号输出端的内部电路结构和连接关系，可参见图6所示的实施例四，此处从略，不再给出具体电路图。

通过上述实施例四和五，可以看出，由于第二平衡电阻RTN与第二电阻R2N并联后的阻值小于第二电阻R2N的阻值，因此，并联后的等效电阻变小了，而放大器单元6021、7021的偏置电流I为第一全差分放大器U1的固有性能指标，固定不变，因此，等效电阻两端的电压，即由第二电阻R2N产生的偏移电压，也同样变小了。同样的，第一平衡电阻REP、第二平衡电阻REN的接地端也需要尽可能靠近放大器单元6021、7021，且走线应尽量短，以免产生寄生电感和寄生电容，影响探头的高频部分参数。因此，实施例四为优选的实施例，相比实施例五，对高频部分的影响最小。

实施例六

在具有缓冲电路的有源单端探头中，探头放大器除了可以采用如前述实施例四和五所示的单个全差分放大器U1设计外，还可以采用两个普通放大器的设计方式。

参照图8，示出了本发明实施例六给出的一种有源单端探头800的电路图。有源单端探头800包括：信号输入端IN+、手持前端801、探头放大器802、缓冲电路803和信号输出端OUT。手持前端801包括：第一电阻R1P、输入阻抗单元8011和第二电阻R2N；探头放大器802包括：第一终端电阻RTP、第二终端电阻RTN和放大器单元8021。缓冲电路803包括：第二全差分放大器U2、第一缓冲电阻R7N、第二缓冲电阻R7P、第一反馈电阻R8N和第二反馈电阻R8P。各个部件的连接关系及其内部的电路结构、各个元器件的取值范围，相关内容可分别参见实施例一和实施例四。

与实施例四不同的是，放大器单元8021包括：正输入端接地的第一放大器U11、正输入端接地的第二放大器U12、连接在第一放大器U11的负输入端与其输出端之间的第一反馈阻抗单元8022、连接在第二放大器U12的负输入端与其输出端之间的第二反馈阻抗单元8023。第一反馈阻抗单元8022和第二反馈阻抗单元8023的内部电路结构和元器件的取值范围可参见实施例一。第一放大器U11的负输入端作为放大器单元8021的第一输入端in1，第一放大器U11的输出端作为放大器单元8021的第一输出端out1；第二放大器U12的负输入端作为放大器单元8021的第二输入端in2，第二放大器U12的输出端作为放大器单元8021的第二输出端out2。放大器单元8021的第一输出端out1通过串联的第一缓冲电阻R7N、第一反馈电阻R8N、第一负载电阻R6接地，放大器单元8021的第二输出端out2通过串联的第二缓冲电阻R7P、第二反馈电阻R8P、第二负载电阻R5连接信号输出端OUT。

实施例七

参照图9，示出了本发明实施例六给出的一种有源单端探头900的电路图。有源单端探头900包括：信号输入端IN+、手持前端901、探头放大器902、缓冲电路903和信号输出端OUT。手持前端901包括：第一电阻R1P、输入阻抗单元9011和第二电阻R2N；探头放大器902包括：第一终端电阻RTP、第二终端电阻RTN和放大器单元9021。缓冲电路903包括：第二全差分放大器U2、第一缓冲电阻R7N、第二缓冲电阻R7P、第一反馈电阻R8N和第二反馈电阻R8P。各个部件的连接关系及其内部的电路结构、各个元器件的取值范围，相关内容可分别参见实施例一、四和实施例六。

与实施例六不同的是，第一平衡电阻REP的一端接地，第一平衡电阻REP的非接地端连接输入阻抗单元9011的输出端，第二平衡电阻REN的一端接地，第二平衡电阻REN的非接地端连接第二电阻R2N的非接地端。

可以理解的是，作为另一个实施例，在具有由第一放大器U11和第二放大器U12构成的放大器单元、以及具有缓冲电路的有源单端探头中，第一平衡电阻REP和第二平衡电阻REN的连接位置可以参照图5所示的实施例三，其中，第一平衡电阻REP的一端接地，第一平衡电阻REP的非接地端连接在同轴线1与第一终端电阻RTP之间的串联连线上，即同轴线1的输出端；第二平衡电阻REN的一端接地，第二平衡电阻REN的非接地端连接在同轴线2与第二终端电阻RTN之间的串联连线上，即同轴线2的输出端。信号输入端、手持前端、探头放大器、缓冲电路和信号输出端的内部电路结构和连接关系，可参见图8所示的实施例六，此处从略，不再给出具体电路图。

通过上述实施例六和七，可以看出，由于第二平衡电阻RTN与第二电阻R2N并联后的阻值小于第二电阻R2N的阻值，因此，并联后的等效电阻变小了，而放大器单元8021、9021的偏置电流I为第二放大器U12的固有性能指标，固定不变，因此，等效电阻两端的电压，即由第二电阻R2N产生的偏移电压，也同样变小了。同样的，第一平衡电阻REP、第二平衡电阻REN的接地端也需要尽可能靠近放大器单元8021、9021，且走线应尽量短，以免产生寄生电感和寄生电容，影响探头的高频部分参数。因此，实施例六为优选的实施例，相比实施例七，对高频部分的影响最小。

在上述各个实施例中，优选的，在手持前端和探头放大器的PCB板上，第一平衡电阻REP和第二平衡电阻REN相对于放大器单元对称布设，以保证更好的对称性，获得更好的带内平坦度。

在上述各个实施例中，平衡电阻（即第一平衡电阻REP、第二平衡电阻REN）的取值一般需要满足如下两个条件：1、平衡电阻的阻值一般要远小于第二电阻R2N的阻值，通过二者的并联得到的等效电阻，相比第二电阻R2N明显的减小，以达到减小偏移电压的目的；2、平衡电阻的取值也不宜过小，过小会影响有源单端探头的带宽与频响参数。偏置电流I是第一全差分放大器U1或第二放大器U12固有的性能指标，由元器件本身决定。根据预设的偏移电压取值范围，以及公式：偏移电压U=偏置电流I*等效电阻R，就可以得出等效电阻R的取值范围，然后再根据等效电阻R和第二电阻R2N的取值，就可以得到第二平衡电阻REN的取值范围。作为一个举例说明，第二电阻R2N与第二平衡电阻REN的阻值比例为100:1。作为一个举例说明，第二平衡电阻REN的取值范围可以为1KΩ～10KΩ。优选的，第二电阻R2N取值100Ω，第二平衡电阻REN取值为1KΩ。

在上述各个实施例中，理想的探头输入阻抗为无穷大，但当输入阻抗增大到一定阻值后，会影响探头的带宽以及带内平坦度参数。而输入阻抗过小，则对被测信号产生的干扰大，造成信号失真。严格来讲，输入阻抗为R1P+R2P+RTP，由于第一电阻R1P、第一终端电阻RTP阻值相对较小，可以忽略不计，因此，输入阻抗可以看似为输入电阻R2P。在现有技术中，构成输入阻抗的输入电阻R2P的取值为25KΩ，输入阻抗小，制约了有源单端探头的使用范围，对于较大内阻的被测信号测量失真较大。作为一个举例说明，在上述各个实施例中，输入电阻R2P的取值范围可以为100K～1MΩ，由于第二电阻R2N和输入电阻R2P的阻值相同，因此，第二电阻R2N的取值范围也对应为100K～1MΩ。相对比现有技术，增大了输入阻抗，并取值在合适的范围，既能够保证探头的带宽以及带内平坦度参数，又减小了对被测信号产生的干扰，扩大了探头的可测性以及使用范围。

在上述各个实施例中，由于增加了第一平衡电阻REP和第二平衡电阻REN，对探头频响带来了一定影响，使得探头高频部分的带宽减小。在上述各个实施例中，可以通过调整第一反馈阻抗单元、第二反馈阻抗单元中的电阻R4P、R4N和电容C2P、C2N来实现频响的补偿。现有技术的电阻R4P和R4N的阻值通常为100Ω，电容C2P和C2N的电容值通常为0.5pF。作为一个举例说明，电阻R4P和R4N的取值范围为200Ω～500Ω，优选取值为200Ω；电容C2P和C2N的取值范围为0.1pF～0.4pF，优选取值为0.4pF。通过调节放大器单元中的反馈参数，增大电阻R4P和R4N，减小电容R4P和R4N，从而增大了高频补偿路径的阻抗，减小了衰减比例，实现了增加探头高频带宽的目的。

本发明还提供了一种测试测量仪器的实施例，包括一种有源单端探头，所述有源单端探头包括：信号输入端、手持前端、探头放大器和信号输出端。手持前端包括：第一电阻、输入阻抗单元和第二电阻；第一电阻的一端连接信号输入端，另一端连接输入阻抗单元的输入端，第二电阻的一端接地。探头放大器包括：第一终端电阻、第二终端电阻和放大器单元；第一终端电阻的一端电连接阻抗单元的输出端，另一端连接放大器单元的第一输入端；第二终端电阻的一端电连接第二电阻的非接地端，另一端连接放大器单元的第二输入端，放大器单元的第一输出端通过串联的第一负载电阻接地，放大器单元的第二输出端通过串联的第二负载电阻连接信号输出端。

所述有源单端探头还包括：阻值相同的第一平衡电阻和第二平衡电阻；第一平衡电阻的一端接地，非接地端连接在输入阻抗单元的输出端和放大器单元的第一输入端之间的串联连线上；第二平衡电阻的一端接地，非接地端连接在第二电阻的非接地端和放大器单元的第二输入端之间的串联连线上，其中，第二平衡电阻与第二电阻并联后的阻值小于第二电阻的阻值。

在本实施例中，测试测量仪器可以是示波器、频谱分析仪器和数据采集装置等。测试测量仪器的有源单端探头可以为前述各个有源单端探头实施例中任一实施例所述的探头。

本说明书中的每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的一种有源单端探头及一种测试测量仪器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (14)

1.一种有源单端探头，包括：信号输入端、手持前端、探头放大器和信号输出端；

手持前端包括：第一电阻、输入阻抗单元和第二电阻；第一电阻的一端连接信号输入端，另一端连接输入阻抗单元的输入端，第二电阻的一端接地；

探头放大器包括：第一终端电阻、第二终端电阻和放大器单元；第一终端电阻的一端电连接阻抗单元的输出端，另一端连接放大器单元的第一输入端；第二终端电阻的一端电连接第二电阻的非接地端，另一端连接放大器单元的第二输入端，放大器单元的第一输出端通过串联的第一负载电阻接地，放大器单元的第二输出端通过串联的第二负载电阻连接信号输出端；

其特征在于，所述有源单端探头还包括：

阻值相同的第一平衡电阻和第二平衡电阻；第一平衡电阻的一端接地，非接地端连接在输入阻抗单元的输出端和放大器单元的第一输入端之间的串联连线上；第二平衡电阻的一端接地，非接地端连接在第二电阻的非接地端和放大器单元的第二输入端之间的串联连线上，其中，第二平衡电阻与第二电阻并联后的阻值小于第二电阻的阻值。

2.如权利要求1所述的有源单端探头，其特征在于，

第一平衡电阻的非接地端连接放大器单元的第一输入端，第二平衡电阻的非接地端连接放大器单元的第二输入端。

3.如权利要求1所述的有源单端探头，其特征在于，

第一平衡电阻的非接地端连接输入阻抗单元的输出端，第二平衡电阻的非接地端连接第二电阻的非接地端。

4.如权利要求1所述的有源单端探头，其特征在于，

第一终端电阻的一端通过串联的第一同轴线电连接阻抗单元的输出端，第二终端电阻的一端通过串联的第二同轴线电连接第二电阻的非接地端；

第一平衡电阻的非接地端连接在第一同轴线与第一终端电阻之间的串联连线上，第二平衡电阻的非接地端连接在第二同轴线与第二终端电阻之间的串联连线上。

5.如权利要求1至4任一项所述的有源单端探头，其特征在于，

在手持前端和探头放大器的PCB板上，第一平衡电阻和第二平衡电阻相对于放大器单元对称布设。

6.如权利要求1至4任一项所述的有源单端探头，其特征在于，

输入阻抗单元包括并联的输入电阻和输入电容；

第二电阻和输入电阻的阻值相同，第二电阻与第二平衡电阻的阻值比例为100:1。

7.如权利要求6所述的有源单端探头，其特征在于，

所述第二平衡电阻的取值范围为1KΩ～10KΩ。

8.如权利要求1所述的有源单端探头，其特征在于，

所述放大器单元包括：第一全差分放大器、连接在第一全差分放大器的正输入端与其负输出端之间的第一反馈阻抗单元、连接在第一全差分放大器的负输入端与其正输出端之间的第二反馈阻抗单元，

第一全差分放大器的正输入端作为放大器单元的第一输入端，其负输入端作为放大器单元的第二输入端，其负输出端作为放大器单元的第一输出端，其正输出端作为放大器单元的第二输出端。

9.如权利要求1所述的有源单端探头，其特征在于，

所述探头还包括缓冲电路，所述缓冲电路包括：第二全差分放大器、连接在放大器单元的第一输出端和第二全差分放大器的负输入端之间的第一缓冲电阻、连接在放大器单元的第二输出端和第二全差分放大器的正输入端之间的第二缓冲电阻、连接在第二全差分放大器的负输入端与其正输出端之间的第一反馈电阻、连接在第二全差分放大器的正输入端与其负输出端之间的第二反馈电阻，

放大器单元的第一输出端通过串联的第一缓冲电阻、第一反馈电阻、第一负载电阻接地，放大器单元的第二输出端通过第二缓冲电阻、第二反馈电阻和第二负载电阻连接信号输出端。

10.如权利要求9所述的有源单端探头，其特征在于，

所述放大器单元包括：第一全差分放大器、连接在第一全差分放大器的正输入端与其负输出端之间的第一反馈阻抗单元、连接在第一全差分放大器的负输入端与其正输出端之间的第二反馈阻抗单元，

第一全差分放大器的正输入端作为放大器单元的第一输入端，其负输入端作为放大器单元的第二输入端，其正输出端作为放大器单元的第一输出端，其负输出端作为放大器单元的第二输出端。

11.如权利要求9所述的有源单端探头，其特征在于，

所述放大器单元包括：正输入端接地的第一放大器、正输入端接地的第二放大器、连接在第一放大器的负输入端与其输出端之间的第一反馈阻抗单元、连接在第二放大器的负输入端与其输出端之间的第二反馈阻抗单元；

第一放大器的负输入端作为放大器单元的第一输入端，其输出端作为放大器单元的第一输出端；第二放大器的负输入端作为放大器单元的第二输入端，其输出端作为放大器单元的第二输出端。

12.如权利要求8、10、或11所述的有源单端探头，其特征在于，

第一反馈阻抗单元和第二反馈阻抗单元中的每一个均包括：一个电阻与一个电容串联后、再与另一个电阻并联而成的阻容结构；

阻容结构中电容的取值范围为0.1pF～0.4pF，阻容结构中电阻的取值范围为200Ω～500Ω。

13.一种测试测量仪器，包括有源单端探头，其特征在于，所述有源单端探头为如权利要求1至4任一项所述的有源单端探头。

14.如权利要求13所述的测试测量仪器，其特征在于，

输入阻抗单元包括并联的输入电阻和输入电容；

第二电阻和输入电阻的阻值相同，第二电阻与第二平衡电阻的阻值比例为100:1。