CN211293035U - 一种差分有源探头电路 - Google Patents

Abstract

一种差分有源探头电路，包括：输入平衡模块，用于平衡其输入正端和输入负端的信号；衰减模块，用于对平衡后的信号进行衰减处理；阻抗变换模块，用于对衰减后的信号进行从高阻抗至低阻抗的变换，并输出低阻抗驱动信号给差分放大模块；差分放大模块，用于对低阻抗驱动信号进行差分放大并将得到的信号输出给示波器；共模反馈模块，用于获取阻抗变换模块的输出共模并进行处理，将处理结果反馈给阻抗变换模块以调节阻抗变换模块，使阻抗变换模块的输出共模适配于差分放大模块的输入共模。差分有源探头的输入阻抗由衰减模块决定，与差分放大模块无关，使得差分放大模块可以使用高带宽的差分放大器，从而使差分有源探头实现较高的带宽。

Description

一种差分有源探头电路

技术领域

本实用新型涉及测试测量技术领域，具体涉及一种差分有源探头电路。

背景技术

探头是一种连接被测电路或被测器件与测量仪器输入端的电子部件，比如示波器探头，能够将被测信号连接到示波器输入端。探头的性能对测量结果的准确性和正确性至关重要，在其频带内需要能够不失真地检测信号，并且需要尽量减小对被测系统或被测信号产生不利的影响，这就要求探头具有较高的输入阻抗和较低的输入电容。

示波器探头可以分为有源探头和无源探头。无源探头由线缆和无源器件构成，探头不需要电源供电，通常可以提供1MΩ或者10MΩ的高输入阻抗，但是其输入电容无法做到很小，一般大于10pF。较大的输入电容导致无源探头的带宽无法做到很高。有源探头内包含有源器件，同时需要外部提供电源，其在实现高输入阻抗的同时也能做到很小的输入电容，负载效应明显优于无源探头。

有源差分探头是示波器探头的一种，主要用来测量差分信号。现有的差分有源探头的结构可参见图1，其包含有手柄端、同轴线、探头放大器和缓冲电路，手柄端通过同轴线与探头放大器连接，将手柄端检测的信号输入到探头放大器，经探头放大器处理后的信号再经缓冲电路缓冲后输入给示波器。这种结构的探头要求探头放大器使用较大的反馈电阻，但是高带宽的放大器普遍要求使用较小的反馈电阻，因此，现有的这种探头结构限制了探头的带宽。

实用新型内容

本申请提供一种差分有源探头电路，以解决现有探头的放大器需要使用较大反馈电阻而限制了探头带宽的问题。

一种实施例中提供一种差分有源探头电路，包括输入平衡模块、衰减模块、阻抗变换模块、共模反馈模块和差分放大模块；

所述输入平衡模块包括输入正端、输入负端和两个输出端，用于平衡输入正端和输入负端的信号，并将平衡后的信号通过两个输出端输出给衰减模块；

所述衰减模块，用于对平衡后的信号进行衰减处理，并将衰减后的信号通过其两个输出端输出给阻抗变换模块；

所述阻抗变换模块，用于对衰减后的信号进行从高阻抗至低阻抗的变换，并通过其两个输出端输出低阻抗驱动信号给差分放大模块；

所述差分放大模块包括信号输出端，该信号输出端用于与示波器连接，所述差分放大模块用于对所述低阻抗驱动信号进行差分放大，并将差分放大后的信号输出给示波器；

所述共模反馈模块包括两个输入端和两个输出端，其两个输入端与阻抗变换模块的两个输出端分别连接，其两个输出端与阻抗变换模块的两个输入端分别连接，所述共模反馈模块用于获取阻抗变换模块的输出共模，并对所述输出共模进行处理，将处理结果反馈给阻抗变换模块的输入端以调节阻抗变换模块，使阻抗变换模块的输出共模适配于差分放大模块的输入共模。

优选地，所述差分放大模块包括差分放大器、第一增益电阻、第二增益电阻、第一反馈电阻、第二反馈电阻、端接电阻和匹配电阻；

所述差分放大器包括同相输入端、反相输入端、第一输出端和第二输出端，所述同相输入端通过第一增益电阻与阻抗变换模块的一输出端连接，所述反相输入端通过第二增益电阻与阻抗变换模块的另一输出端连接，所述第一输出端通过第一反馈电阻连接至所述同相输入端且通过端接电阻接地，所述第二输出端通过第二反馈电阻连接至所述反相输入端且通过匹配电阻连接至差分放大模块的信号输出端。

优选地，所述差分放大模块还包括第一开关、第二开关、第三增益电阻和第四增益电阻；

所述第一开关与第三增益电阻串联后与第一增益电阻并联，所述第二开关与第四增益电阻串联后与第二增益电阻并联；

所述第一开关和所述第二开关同时闭合或断开以实现差分放大模块不同的放大倍数。

优选地，所述差分放大模块还包括第一直流偏置端、第二直流偏置端、第一偏置电阻和第二偏置电阻；

所述第一直流偏置端通过第一偏置电阻与差分放大器的同相输入端连接；

所述第二直流偏置端通过第二偏置电阻与差分放大器的反相输入端连接；

所述第一直流偏置端和所述第二直流偏置端用于输入直流偏置信号。

优选地，所述共模反馈模块包括运算放大器、积分电容、第一取样电阻、第二取样电阻、第一隔离电阻和第二隔离电阻；

所述运算放大器包括同相端、反相端和输出端，所述同相端用于配置阻抗变换模块的目标输出共模，所述目标输出共模适配于差分放大模块的输入共模；所述反相端通过积分电容与运算放大器的输出端连接，并通过第一取样电阻与阻抗变换模块的一输出端连接，且通过第二取样电阻与阻抗变换模块的另一输出端连接；所述运算放大器的输出端通过第一隔离电阻与阻抗变换模块的一输入端连接，且通过第二隔离电阻与阻抗变换模块的另一输入端连接；

所述运算放大器通过第一取样电阻和第二取样电阻获取阻抗变换模块的输出共模，将该输出共模与其同相端的电压进行比较和积分，并将得到的结果通过第一隔离电阻和第二隔离电阻反馈给阻抗变换模块。

优选地，所述阻抗变换模块包括第一受电端、第二受电端、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻，所述第一三极管的基极和所述第三三极管的基极作为阻抗变换模块的两个输入端，所述第二三极管的发射极和所述第四三极管的发射极作为阻抗变换模块的两个输出端；

所述第一三极管、所述第二三极管、所述第三三极管和所述第四三极管的集电极分别与第一受电端连接，所述第一受电端用于与第一电源连接；

所述第一三极管的发射极通过第一电阻与所述第二三极管的基极连接，且该发射极通过第二电阻与第二受电端连接，所述第二三极管的发射极通过第三电阻与第二受电端连接，所述第二受电端用于与第二电源连接；

所述第三三极管的发射极通过第四电阻与所述第四三极管的基极连接，且该发射极通过第五电阻与第二受电端连接，所述第四三极管的发射极通过第六电阻与第二受电端连接。

优选地，所述第一三极管和第二三极管为低输入电容的三极管。

优选地，所述输入平衡模块包括第七电阻、第八电阻、第一平衡电阻、第二平衡电阻和第一可调电阻；

所述输入平衡模块的输入正端通过依次串联的第七电阻、第一平衡电阻、第一可调电阻、第二平衡电阻和第八电阻与其输入负端连接；

所述第七电阻和所述第一平衡电阻的串联节点作为输入平衡模块的一输出端与衰减模块的一输入端连接，所述第八电阻和所述第二平衡电阻的串联节点作为输入平衡模块的另一输出端与衰减模块的另一输入端连接；

所述第一可调电阻包括调节端，该调节端用于与第二电源连接，通过该调节端调节第一可调电阻以使输入正端和输入负端的信号平衡。

优选地，所述衰减模块包括第一衰减电阻、第二衰减电阻、第三衰减电阻、第四衰减电阻、第一高频补偿电容、第二高频补偿电容、第一高频补偿电阻、第二高频补偿电阻、第三高频补偿电阻、第四高频补偿电阻、第二可调电阻、第三可调电阻、第一隔直电容、第二隔直电容、第三隔离电阻、第四隔离电阻、第一变容二极管和第二变容二极管；

所述第一衰减电阻连接于输入平衡模块的一输出端和阻抗变换模块的一输入端之间，所述第一高频补偿电容和所述第一高频补偿电阻串联后与所述第一衰减电阻并联；

所述第二衰减电阻连接于输入平衡模块的另一输出端和阻抗变换模块的另一输入端之间，所述第二高频补偿电容和所述第二高频补偿电阻串联后与所述第二衰减电阻并联；

所述第三衰减电阻、所述第二可调电阻和所述第四衰减电阻依次串联后连接于衰减模块的两个输出端；

所述衰减模块的一输出端通过依次串联的第一隔直电容、第三高频补偿电阻和第一变容二极管与地连接，所述衰减模块的另一输出端通过依次串联的第二隔直电容、第四高频补偿电阻和第二变容二极管与地连接；

所述第三高频补偿电阻和所述第一变容二极管的串联节点通过串联的第三隔离电阻和第四隔离电阻与第四高频补偿电阻和第二变容二极管的串联节点连接；

所述第三可调电阻包括第一端、第二端和调节端，其第一端用于与第一电压源连接，其第二端与地连接，其调节端与第三隔离电阻和第四隔离电阻的串联节点连接。

依据上述实施例的差分有源探头电路，由于在差分放大模块和差分有源探头的输入端之间插入了衰减模块和阻抗变换模块，差分有源探头的输入阻抗由衰减模块决定，与差分放大模块没有任何关联，而且通过阻抗变换模块实现了高输入阻抗到低输出阻抗的变化，满足了差分放大模块需要低阻抗信号来驱动的需求，因此，差分放大模块不会受到探头输入端的限制，使得差分放大模块依然能够以高带宽的性能工作。而且，阻抗变换模块和共模反馈模块组成的网络可以使阻抗变换模块的输出共模适配于差分放大模块的输入共模，避免了探头输入的共模信号对差分放大模块的影响。进一步的，通过在差分放大器的输入端增加开关和增益电阻，可以调节差分有源探头的放大倍数，使差分有源探头具有更大的输入动态范围；通过在差分放大器的输入端增加直流偏置输入，使得差分有源探头具有输入偏置可调功能。

附图说明

图1为现有技术中差分有源探头的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种差分有源探头电路的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种差分有源探头电路的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的又一种差分有源探头电路的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种具体的差分有源探头电路的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

在本申请实施例中，差分放大模块和差分有源探头的输入端之间插入了衰减模块和阻抗变换模块，经输入平衡模块平衡后的输入信号经衰减模块衰减后送入阻抗变换模块进行从高阻抗至低阻抗的变化，并用得到的低阻抗驱动信号驱动差分放大模块，以满足差分有源探头高输入阻抗的需求和差分放大模块需要低阻抗信号来驱动的需求，差分有源探头的输入阻抗与差分放大模块无任何关联，不会限制差分放大模块的宽带性能。阻抗变换模块和共模反馈模块组成的网络，通过共模反馈模块获取阻抗变换模块的输出共模，并形成负反馈来调节阻抗变换模块的输入共模。

实施例一：

请参考图2，为本申请实施例提供的一种差分有源探头电路的结构示意图，该差分有源探头电路包括输入平衡模块01、衰减模块02、阻抗变换模块03、共模反馈模块04和差分放大模块05。

其中，输入平衡模块01包括输入正端S+、输入负端S-和两个输出端a1、a2，输入平衡模块01用于平衡输入正端S+和输入负端S-的信号，并将平衡后的信号通过两个输出端a1和a2输出给衰减模块02。在一种具体的实施例中，该输入平衡模块01可以包括第七电阻R21、第八电阻R22、第一平衡电阻R23、第二平衡电阻R24和第一可调电阻RA1，输入平衡模块01的输入正端S+通过依次串联的第七电阻R21、第一平衡电阻R23、第一可调电阻RA1、第二平衡电阻R24和第八电阻R22与其输入负端S-连接，第七电阻R21和第一平衡电阻R23的串联节点作为输入平衡模块01的一输出端a1与衰减模块02的一输入端连接，第八电阻R22和第二平衡电阻R24的串联节点作为输入平衡模块01的另一输出端a2与衰减模块02的另一输入端连接。输入平衡模块01的第一可调电阻RA1包括调节端，该调节端用于与第二电源连接，由第二电源提供所需的电压VEE，输入平衡模块01可以通过该调节端调节第一可调电阻RA1的阻值来改变与其串联的R21、R23、R24和R22的分压，从而能够调节输出端a1和a2的电压，使输入正端S+和输入负端S-的信号平衡。

衰减模块02用于对输入平衡模块01平衡后的信号进行衰减处理，并将衰减后的信号通过其两个输出端g1和g2输出给阻抗变换模块03。阻抗变换模块03用于对衰减后的信号进行从高阻抗至低阻抗的变换，并通过其两个输出端d1和d2输出低阻抗驱动信号给差分放大模块05。差分放大模块05包括信号输出端S0，该信号输出端S0用于与示波器连接，差分放大模块05用于对阻抗变换模块03输出的低阻抗驱动信号进行差分放大，并将差分放大后的信号输出给示波器。实际应用中，信号输出端S0可以通过同轴线与示波器连接。

一种具体的实施例中，差分放大模块05可以包括差分放大器U1、第一增益电阻R60、第二增益电阻R61、第一反馈电阻R62、第二反馈电阻R63、端接电阻R64和匹配电阻R65。差分放大器U1包括同相输入端V1+、反相输入端V1-、第一输出端e1和第二输出端e2，同相输入端V1+通过第一增益电阻R60与阻抗变换模块03的一输出端d1连接，反相输入端V1-通过第二增益电阻R61与阻抗变换模块03的另一输出端d2连接，第一输出端e1通过第一反馈电阻R62连接至同相输入端V1+且通过端接电阻R64接地，第二输出端e2通过第二反馈电阻R63连接至反相输入端V1-且通过匹配电阻R65连接至差分放大模块05的信号输出端S0。

对于差分有源探头，其输入端需要高阻抗，而差分放大模块05中的差分放大器U1需要低阻抗的信号来驱动，通过阻抗变换模块03可以提供较高的输入阻抗来满足差分有源探头高输入阻抗的需求，同时可以提供低输出阻抗的信号来驱动差分放大器U1。在实际应用中，射随器具有高的输入阻抗和低的输出阻抗，因此阻抗变换模块03可以由射随器来实现。

共模反馈模块04包括两个输入端f1、f2和两个输出端f3、f4，其两个输入端f1和f2与阻抗变换模块03的两个输出端分别连接，其两个输出端f3和f4与阻抗变换模块03的两个输入端分别连接，共模反馈模块04用于获取阻抗变换模块03的输出共模，并对该输出共模进行处理，将处理结果反馈给阻抗变换模块03的输入端以调节阻抗变换模块03，使阻抗变换模块03的输出共模适配于差分放大模块05的输入共模。对于差分放大模块05，其中的差分放大器U1的性能会受到输入共模的影响，因此，所有差分放大器U1对输入共模都有指定的要求。在本申请中，利用阻抗变换模块03和共模反馈模块04组成的网络，可以通过共模反馈模块04得到阻抗变换模块03的输出共模，并形成负反馈来调节阻抗变换模块03的输入共模，可以稳定阻抗变换模块03的输出共模，使该输出共模适配于差分放大模块05的输入共模要求。

本实施例提供的差分有源探头电路，输入平衡模块对其输入正端和输入负端输入的差分信号进行调节，使其输入正端和输入负端的信号平衡，然后将平衡后的信号输入到衰减模块进行衰减处理，通过衰减处理可以增大差分有源探头的最大输入电压；经衰减处理后的信号输入到阻抗变换模块进行从高阻抗至低阻抗的变换，可以提供较高的输入阻抗来满足差分有源探头高输入阻抗的需求，同时可以提供低输出阻抗的信号来驱动差分放大模块，满足差分放大模块中差分放大器需要低阻抗信号来驱动的需求；共模反馈模块和阻抗变换模块组成的网络，能够通过共模反馈模块得到阻抗变换模块的输出共模，并形成负反馈来调节阻抗变换模块的输入共模，以稳定阻抗变换模块的输出共模，使该输出共模适配于差分放大模块的输入共模要求。在该差分有源探头电路中，差分有源探头的输入端和差分放大模块之间插入了衰减模块和阻抗变换模块，输入端的输入阻抗由衰减模块决定，与差分放大模块无关，因此不会限制差分放大模块的性能，这样，差分放大模块便可以使用高带宽的差分放大器，能够使差分有源探头达到较高的带宽。

实施例二：

基于实施例一，本实施例提供另一种差分有源探头电路，其结构示意图参见图3，与实施例一不同的是，该差分有源探头电路中的差分放大模块05还包括第一开关K1、第二开关K2、第三增益电阻R66和第四增益电阻R67，第一开关K1与第三增益电阻R66串联后与第一增益电阻R60并联，第二开关K2与第四增益电阻R67串联后与第二增益电阻R61并联。

其中，第一开关K1和第二开关K2用于选择是否将第三增益电阻R66和第四增益电阻R67接入电路中，通过同时闭合或断开第一开关K1和第二开关K2以实现差分放大模块05的两种不同的放大倍数。具体的，当第一开关K1和第二开关K2同时断开时，差分放大模块05的放大倍数由第一增益电阻R60、第二增益电阻R61、第一反馈电阻R62和第二反馈电阻R63来决定；当第一开关K1和第二开关K2同时闭合时，第三增益电阻R66和第四增益电阻R67接入电路中，差分放大模块05的放大倍数由第一增益电阻R60、第二增益电阻R61、第三增益电阻R66、第四增益电阻R67、第一反馈电阻R62和第二反馈电阻R63共同决定。因此可以通过第一开关K1和第二开关K2切换差分放大模块05的增益电阻来改变差分放大模块05的放大倍数，使得差分有源探头的放大倍数可以调节，从而使得差分有源探头具有更大的信号输入动态范围。

本实施例提供的差分有源探头电路，在差分放大器的同相输入端和反相输入端分别并联了串联的开关和增益电阻，通过闭合或断开该开关可以选择是否将该增益电阻接入电路中以改变差分放大模块的放大倍数，使得差分有源探头的放大倍数可以调节，从而使得差分有源探头在具有实施例一所述的性能外，还具有更大的信号输入动态范围。

实施例三：

基于实施例一，本实施例提供又一种差分有源探头电路，其结构示意图参见图4，与实施例一不同的是，该差分有源探头电路中的差分放大模块05还包括第一直流偏置端Z1、第二直流偏置端Z2、第一偏置电阻R68和第二偏置电阻R69，第一直流偏置端Z1通过第一偏置电阻R68与差分放大器U1的同相输入端V1+连接，第二直流偏置端Z2通过第二偏置电阻R69与差分放大器U1的反相输入端V1-连接，该第一直流偏置端Z1和第二直流偏置端Z2用于输入直流偏置信号。这样，当差分有源探头输入正端和输入负端输入的信号有直流偏置时，可以通过调节第一直流偏置端Z1和第二直流偏置端Z2输入的直流偏置信号来抵消输入信号中的直流偏置。

本实施例提供的差分有源探头电路，在差分放大器的同相输入端和反相输入端增加了用于叠加直流偏置信号的端口和偏置电阻，当差分有源探头的输入信号中有直流偏置时，可以通过调节直流偏置端的直流偏置信号来抵消输入信号中的直流偏置，使得差分有源探头具有输入偏置可调的功能。

实施例四：

本实施例提供一种具体的差分有源探头电路，其结构示意图参见图5，该差分有源探头电路同样包括输入平衡模块01、衰减模块02、阻抗变换模块03、共模反馈模块04和差分放大模块05。其中，输入平衡模块01的具体结构和工作原理可参见实施例一，此处不再赘述。

衰减模块02包括第一衰减电阻R30、第二衰减电阻R31、第三衰减电阻R32、第四衰减电阻R33、第一高频补偿电容C1、第二高频补偿电容C2、第一高频补偿电阻R34、第二高频补偿电阻R35、第三高频补偿电阻R36、第四高频补偿电阻R37、第二可调电阻RA2、第三可调电阻RA3、第一隔直电容C3、第二隔直电容C4、第三隔离电阻R38、第四隔离电阻R39、第一变容二极管D1和第二变容二极管D2。其中，第一衰减电阻R30连接于输入平衡模块01的一输出端a1和阻抗变换模块03的一输入端b1之间，第一高频补偿电容C1和第一高频补偿电阻R34串联后与第一衰减电阻R30并联。第二衰减电阻R31连接于输入平衡模块01的另一输出端a2和阻抗变换模块03的另一输入端b2之间，第二高频补偿电容C2和第二高频补偿电阻R35串联后与第二衰减电阻R31并联。第三衰减电阻R32、第二可调电阻RA2和第四衰减电阻R33依次串联后与衰减模块02的两个输出端g1和g2连接。衰减模块02的一输出端g1通过依次串联的第一隔直电容C3、第三高频补偿电阻R36和第一变容二极管D1与地连接，衰减模块02的另一输出端g2通过依次串联的第二隔直电容C4、第四高频补偿电阻R37和第二变容二极管D2与地连接。第三高频补偿电阻R36和第一变容二极管D1的串联节点m1通过串联的第三隔离电阻R38和第四隔离电阻R39与第四高频补偿电阻R37和第二变容二极管D2的串联节点m2连接，第三可调电阻RA3包括第一端、第二端和调节端，其第一端用于与第一电源连接，由第一电源提供所需的电压VCC，其第二端与地连接，其调节端与第三隔离电阻R38和第四隔离电阻R39的串联节点连接。

其中的第一衰减电阻R30、第二衰减电阻R31、第三衰减电阻R32、第四衰减电阻R33和第二可调电阻RA2构成衰减模块02的第一衰减单元，通过调节第二可调电阻RA2的阻值可以改变该第一衰减单元的衰减倍数。第一高频补偿电容C1、第二高频补偿电容C2、第一高频补偿电阻R34、第二高频补偿电阻R35、第三高频补偿电阻R36、第四高频补偿电阻R37、第三可调电阻RA3、第一隔直电容C3、第二隔直电容C4、第三隔离电阻R38、第四隔离电阻R39、第一变容二极管D1和第二变容二极管D2构成衰减模块02的第二衰减单元，通过调节第三可调电阻RA3的阻值可以改变第一变容二极管D1和第二变容二极管D2上的反向电压，从而改变第一变容二极管D1和第二变容二极管D2的等效电容，进而可以改变第二衰减单元的衰减倍数。

衰减模块02中使用的各电阻会存在寄生电容电感，各元器件之间的走线也会存在寄生电容，而且阻抗变换模块03存在一个等效的输入电容，所以在衰减模块02中设置各高频补偿电容和高频补偿电阻可以实现高频补偿，以抵消这些寄生电容电感的影响。

差分有源探头的最大输入信号电压受限于阻抗变换模块03，假设衰减模块02的衰减倍数是A，那么差分有源探头的最大输入信号电压就是阻抗变换模块03所能承受的最大输入电压的A倍，这样，通过衰减模块02便可以增大差分有源探头的最大输入信号电压值。同时，通过衰减模块02还可以减小差分有源探头的输入电容。

阻抗变换模块03包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第一电阻R41、第二电阻R42、第三电阻R43、第四电阻R44、第五电阻R45、第六电阻R46以及用于与第一电源连接的第一受电端和用于与第二电源连接的第二受电端，其中的第一电源可以提供电压VCC，第二电源可以提供电压VEE。第一三极管Q1的基极作为阻抗变换模块03的一输入端b1，第三三极管Q3的基极作为阻抗变换模块03的另一输入端b2，第二三极管Q2的发射极和第四三极管Q4的发射极作为阻抗变换模块03的两个输出端d1和d2，第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3和第四三极管Q4的集电极分别与第一受电端连接，通过第一受电端获取所需的电压VCC。第一三极管Q1的发射极通过第一电阻R41与第二三极管Q2的基极连接，第三三极管Q3的发射极通过第四电阻R44与第四三极管Q4的基极连接，第一三极管Q1的发射极通过第二电阻R42与第二受电端连接，第二三极管Q2的发射极通过第三电阻R43与第二受电端连接，第三三极管Q3的发射极通过第五电阻R45与第二受电端连接，第四三极管Q4的发射极通过第六电阻R46与第二受电端连接，通过第二受电端获取所需的电压VEE。

阻抗变换模块03由Q1、Q2、Q3和Q4构成了射随器电路，射随器具有高的输入阻抗和低的输出阻抗，从而能够实现从高阻抗至低阻抗的阻抗变换。其中，第一三极管Q1和第二三极管Q2构成的射随器采用了低输入电容的三极管，并可以通过采用较大阻值的第二电阻R42和第五电阻R45将Q1和Q2的静态工作电流设置到较低，低的静态工作电流可以使射随器的输入阻抗更高。第三三极管Q3和第四三极管Q4构成的射随器可以用来驱动差分放大模块05。

差分放大模块05包括差分放大器U1、第一增益电阻R60、第二增益电阻R61、第一反馈电阻R62、第二反馈电阻R63、端接电阻R64、匹配电阻R65、第一开关K1、第二开关K2、第三增益电阻R66、第四增益电阻R67，第一直流偏置端Z1、第二直流偏置端Z2、第一偏置电阻R68和第二偏置电阻R69。差分放大器U1包括同相输入端V1+、反相输入端V1-、第一输出端e1和第二输出端e2，同相输入端V1+通过第一增益电阻R60与阻抗变换模块03的一输出端d1连接，反相输入端V1-通过第二增益电阻R61与阻抗变换模块03的另一输出端d2连接，第一输出端e1通过第一反馈电阻R62连接至同相输入端V1+且通过端接电阻R64接地，第二输出端e2通过第二反馈电阻R63连接至反相输入端V1-且通过匹配电阻R65连接至差分放大模块05的信号输出端S0。差分放大模块05的信号输出端S0可以通过同轴线连接到示波器的输入端。第一开关K1与第三增益电阻R66串联后与第一增益电阻R60并联，第二开关K2与第四增益电阻R67串联后与第二增益电阻R61并联。第一直流偏置端Z1通过第一偏置电阻R68与差分放大器U1的同相输入端V1+连接，第二直流偏置端Z2通过第二偏置电阻R69与差分放大器U1的反相输入端V1-连接，该第一直流偏置端Z1和第二直流偏置端Z2用于输入直流偏置信号。

其中，端接电阻R64是输出平衡的端接电阻，匹配电阻R65用于实现差分放大模块05的信号输出端S0的阻抗匹配。同轴线的阻抗以及示波器的输入阻抗一般都是50Ω，所以需要对差分放大器U1的输出端做50Ω的匹配，将差分放大器U1内部的输出电阻值加上匹配电阻R65的阻值等于50Ω便可以实现信号输出端S0的阻抗匹配。

基于与上述实施例二和实施例三相同的理由，可以通过第一开关K1和第二开关K2切换差分放大模块05的增益电阻来改变差分放大模块05的放大倍数，同时可以通过调节第一直流偏置端Z1和第二直流偏置端Z2输入的直流偏置信号来抵消差分有源探头输入信号中的直流偏置。

共模反馈模块04包括运算放大器U2、积分电容C5、第一取样电阻R51、第二取样电阻R52、第一隔离电阻R53和第二隔离电阻R54。运算放大器U2包括同相端V2+、反相端V2-和输出端e0，同相端V2+用于配置阻抗变换模块03的目标输出共模，该目标输出共模适配于差分放大模块05的输入共模。反相端V2-通过积分电容C5与运算放大器U2的输出端e0连接，并通过第一取样电阻R51与阻抗变换模块03的一输出端d1连接，且通过第二取样电阻R52与阻抗变换模块03的另一输出端d2连接。运算放大器U2的输出端e0通过第一隔离电阻R53与阻抗变换模块03的一输入端b1连接，且通过第二隔离电阻R54与阻抗变换模块03的另一输入端b2连接。

工作时，运算放大器U2通过第一取样电阻R51和第二取样电阻R52获取阻抗变换模块03的输出共模电压，将该输出共模与同相端V2+的电压进行比较和积分，并将得到的结果通过第一隔离电阻R53和第二隔离电阻R54反馈给阻抗变换模块03的输入端，从而实现对阻抗变换模块03的调节。差分有源探头输入的共模信号能够通过阻抗变换模块03和共模反馈模块04设置为一个定值，并用作差分放大器U1的等额输入共模，这样，差分放大器U1的输入共模就不受差分有源探头输入的共模信号的影响，从而使差分放大器U1工作在最优的状态。

阻抗变换模块03的目标输出共模需要根据差分放大器U1的输入共模要求来设置。在一种实施例中，比如选用的差分放大器的输入共模要求为0V，这时只要将同相端V2+与地连接，便可以通过共模反馈模块04将阻抗变换模块03的输出共模调整到0V。又比如，选用的差分放大器的输入共模要求为-1V，则只需要给同相端V2+接-1V的电压便可以通过共模反馈模块04将阻抗变换模块03的输出共模调整到-1V，以满足差分放大器U1的输入共模要求。

在本实施例提供的差分有源探头电路中，衰减模块02、阻抗变换模块03和差分放大模块05的电路结构都是对称的，但各对称器件会存在一定的参数误差或性能误差，这便使得原本对称的电路结构实际不平衡，这种不平衡会使得差分有源探头的输入正端和输入负端之间产生一个偏置电压，通过调节输入平衡模块01使输入正端和输入负端平衡便可以消除该偏置电压。另一方面，阻抗变换模块03的输入端会存在一个共模电压，输入平衡模块01能够提供一个反向的共模电压，使得差分有源探头输入端的共模电压为0V。

本实施例提供的差分有源探头电路，一方面，在差分放大器和差分有源探头的输入端之间插入了衰减模块和阻抗变换模块，输入端的输入阻抗由衰减模块决定，与差分放大器无关，因此，差分放大器的反馈电阻不会受到任何限制，从而可以选用需要小反馈电阻值的高带宽差分放大器，差分有源探头的带宽不再像现有技术那样受到限制，使得差分有源探头能够达到较高的带宽。另一方面，阻抗变换模块和共模反馈模块组成的网络除了能够实现阻抗变换功能外，还可以将差分有源探头输入的共模信号设置为一个定值，以适配差分放大器所要求的共模电压，具有稳定输出共模的功能，使差分放大器的输入共模不受差分有源探头输入的共模信号的影响，从而使差分放大器工作在最优的状态。同时，通过给差分放大器的输入端叠加直流偏置输入端口，使得差分有源探头具有输入偏置可调的功能；通过在差分放大器的同相输入端和反相输入端分别并联串联的开关和增益电阻，可以通过开关切换差分放大器的增益电阻以改变差分放大器的放大倍数，使得差分有源探头的放大倍数可以调节，具有更大的信号输入动态范围。

以上应用了具体个例对本申请进行阐述，只是用于帮助理解本申请，并不用以限制本申请。对于本申请所属技术领域的技术人员，依据本申请的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (9)

1.一种差分有源探头电路，其特征在于，包括输入平衡模块、衰减模块、阻抗变换模块、共模反馈模块和差分放大模块；

所述输入平衡模块包括输入正端、输入负端和两个输出端，用于平衡输入正端和输入负端的信号，并将平衡后的信号通过两个输出端输出给衰减模块；

所述衰减模块，用于对平衡后的信号进行衰减处理，并将衰减后的信号通过其两个输出端输出给阻抗变换模块；

所述阻抗变换模块，用于对衰减后的信号进行从高阻抗至低阻抗的变换，并通过其两个输出端输出低阻抗驱动信号给差分放大模块；

所述差分放大模块包括信号输出端，该信号输出端用于与示波器连接，所述差分放大模块用于对所述低阻抗驱动信号进行差分放大，并将差分放大后的信号输出给示波器；

所述共模反馈模块包括两个输入端和两个输出端，其两个输入端与阻抗变换模块的两个输出端分别连接，其两个输出端与阻抗变换模块的两个输入端分别连接，所述共模反馈模块用于获取阻抗变换模块的输出共模，并对所述输出共模进行处理，将处理结果反馈给阻抗变换模块的输入端以调节阻抗变换模块，使阻抗变换模块的输出共模适配于差分放大模块的输入共模。

2.如权利要求1所述的差分有源探头电路，其特征在于，所述差分放大模块包括差分放大器、第一增益电阻、第二增益电阻、第一反馈电阻、第二反馈电阻、端接电阻和匹配电阻；

所述差分放大器包括同相输入端、反相输入端、第一输出端和第二输出端，所述同相输入端通过第一增益电阻与阻抗变换模块的一输出端连接，所述反相输入端通过第二增益电阻与阻抗变换模块的另一输出端连接，所述第一输出端通过第一反馈电阻连接至所述同相输入端且通过端接电阻接地，所述第二输出端通过第二反馈电阻连接至所述反相输入端且通过匹配电阻连接至差分放大模块的信号输出端。

3.如权利要求2所述的差分有源探头电路，其特征在于，所述差分放大模块还包括第一开关、第二开关、第三增益电阻和第四增益电阻；

所述第一开关与第三增益电阻串联后与第一增益电阻并联，所述第二开关与第四增益电阻串联后与第二增益电阻并联；

所述第一开关和所述第二开关同时闭合或断开以实现差分放大模块不同的放大倍数。

4.如权利要求2所述的差分有源探头电路，其特征在于，所述差分放大模块还包括第一直流偏置端、第二直流偏置端、第一偏置电阻和第二偏置电阻；

所述第一直流偏置端通过第一偏置电阻与差分放大器的同相输入端连接；

所述第二直流偏置端通过第二偏置电阻与差分放大器的反相输入端连接；

所述第一直流偏置端和所述第二直流偏置端用于输入直流偏置信号。

5.如权利要求1至4中任一项所述的差分有源探头电路，其特征在于，所述共模反馈模块包括运算放大器、积分电容、第一取样电阻、第二取样电阻、第一隔离电阻和第二隔离电阻；

所述运算放大器包括同相端、反相端和输出端，所述同相端用于配置阻抗变换模块的目标输出共模，所述目标输出共模适配于差分放大模块的输入共模；所述反相端通过积分电容与运算放大器的输出端连接，并通过第一取样电阻与阻抗变换模块的一输出端连接，且通过第二取样电阻与阻抗变换模块的另一输出端连接；所述运算放大器的输出端通过第一隔离电阻与阻抗变换模块的一输入端连接，且通过第二隔离电阻与阻抗变换模块的另一输入端连接；

所述运算放大器通过第一取样电阻和第二取样电阻获取阻抗变换模块的输出共模，将该输出共模与其同相端的电压进行比较和积分，并将得到的结果通过第一隔离电阻和第二隔离电阻反馈给阻抗变换模块。

6.如权利要求1至4中任一项所述的差分有源探头电路，其特征在于，所述阻抗变换模块包括第一受电端、第二受电端、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻，所述第一三极管的基极和所述第三三极管的基极作为阻抗变换模块的两个输入端，所述第二三极管的发射极和所述第四三极管的发射极作为阻抗变换模块的两个输出端；

所述第一三极管、所述第二三极管、所述第三三极管和所述第四三极管的集电极分别与第一受电端连接，所述第一受电端用于与第一电源连接；

所述第一三极管的发射极通过第一电阻与所述第二三极管的基极连接，且该发射极通过第二电阻与第二受电端连接，所述第二三极管的发射极通过第三电阻与第二受电端连接，所述第二受电端用于与第二电源连接；

所述第三三极管的发射极通过第四电阻与所述第四三极管的基极连接，且该发射极通过第五电阻与第二受电端连接，所述第四三极管的发射极通过第六电阻与第二受电端连接。

7.如权利要求6所述的差分有源探头电路，其特征在于，所述第一三极管和第二三极管为低输入电容的三极管。

8.如权利要求1至4中任一项所述的差分有源探头电路，其特征在于，所述输入平衡模块包括第七电阻、第八电阻、第一平衡电阻、第二平衡电阻和第一可调电阻；

所述输入平衡模块的输入正端通过依次串联的第七电阻、第一平衡电阻、第一可调电阻、第二平衡电阻和第八电阻与其输入负端连接；

所述第七电阻和所述第一平衡电阻的串联节点作为输入平衡模块的一输出端与衰减模块的一输入端连接，所述第八电阻和所述第二平衡电阻的串联节点作为输入平衡模块的另一输出端与衰减模块的另一输入端连接；

所述第一可调电阻包括调节端，该调节端用于与第二电源连接，通过该调节端调节第一可调电阻以使输入正端和输入负端的信号平衡。

9.如权利要求1至4中任一项所述的差分有源探头电路，其特征在于，所述衰减模块包括第一衰减电阻、第二衰减电阻、第三衰减电阻、第四衰减电阻、第一高频补偿电容、第二高频补偿电容、第一高频补偿电阻、第二高频补偿电阻、第三高频补偿电阻、第四高频补偿电阻、第二可调电阻、第三可调电阻、第一隔直电容、第二隔直电容、第三隔离电阻、第四隔离电阻、第一变容二极管和第二变容二极管；

所述第一衰减电阻连接于输入平衡模块的一输出端和阻抗变换模块的一输入端之间，所述第一高频补偿电容和所述第一高频补偿电阻串联后与所述第一衰减电阻并联；

所述第二衰减电阻连接于输入平衡模块的另一输出端和阻抗变换模块的另一输入端之间，所述第二高频补偿电容和所述第二高频补偿电阻串联后与所述第二衰减电阻并联；

所述第三衰减电阻、所述第二可调电阻和所述第四衰减电阻依次串联后连接于衰减模块的两个输出端；

所述衰减模块的一输出端通过依次串联的第一隔直电容、第三高频补偿电阻和第一变容二极管与地连接，所述衰减模块的另一输出端通过依次串联的第二隔直电容、第四高频补偿电阻和第二变容二极管与地连接；

所述第三高频补偿电阻和所述第一变容二极管的串联节点通过串联的第三隔离电阻和第四隔离电阻与第四高频补偿电阻和第二变容二极管的串联节点连接；

所述第三可调电阻包括第一端、第二端和调节端，其第一端用于与第一电源连接，其第二端与地连接，其调节端与第三隔离电阻和第四隔离电阻的串联节点连接。

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