專利名稱：一種有源差分電壓探頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種有源差分電壓探頭，特別是一種用于測量高頻電信號的示波器有 源差分電壓探頭，能夠對被測信號產生最小的干擾，得到不失真的信號。屬于電信號檢測設 備技術領域。
背景技術：
探頭在其頻帶內需要能夠不失真的檢測信號，并不對被測系統或信號產生不利的 影響。這需要探頭具有較大的輸入電阻，至少要比被測電路本身的電阻大很多。但是對于 高頻信號來說，不僅需要探頭具有較大的輸入電阻，還需要探頭尖具有很小的電容，否則會 對高頻信號產生影響。因此，設計出具有高輸入電阻低輸入電容的探頭具有十分重要的意義。高輸入電 阻能夠從被測電路分出很小的電流，減小對被測電路的影響。而較小的探頭輸入電容和被 測電路的輸出電阻構成了 RC網絡，能夠擴大探頭的檢測帶寬。目前，一般的示波器無源探頭都具有很高的輸入電阻，當信號為直流時，輸入阻抗 很高，能夠很好的完成低頻信號檢測任務。但是，這種無源探頭的輸入電容和探頭線的長度 以及探頭尖電路的設計有關，因此很難做的非常小，一般大于10pF。由于其較大的輸入電 容，當頻率升高時，其阻抗急劇下降，對高頻信號的檢測造成影響。而且，無源探頭一般使用 具有大電阻的阻尼線纜來減小線纜的電容影響，然而阻尼線對高頻信號的損耗比較大。上 述兩點問題極大的限制了無源探頭的檢測帶寬。由于無源探頭在檢測高頻信號中所存在的問題，一些人設計出了有源差分探頭。 美國專利US7256575B2中即公開了這樣一種有源差分探頭的實現形式。如圖3所示，該有 源差分探頭的兩個探頭尖為RlP和RlN的一端，RlP和RlN的另一端分別連接到R2P和R2N 的一端，R2P的另一端連接到RAP和CAP構成的并聯的一端，R2N的另一端連接到RAN和CAN 構成的并聯的一端，RAP、CAP的另一端通過同軸線連接到RTP和差分緩沖放大器的正輸入 端，RTP的另一端連接到RBP和CBP組成的并聯的一端，并聯的另一端接地，RAN和CAN的另 一端通過同軸線連接到RTN和差分緩沖放大器的負輸入端，同時接地，RTN的另一端連接到 RBN和CBN構成的并聯的一端，并聯的另一端接地。其中，RlP和RlN為探頭尖處的電阻，用 于阻尼作用，R2P和R2N為分壓電阻，RAP、CAP和RAN、CAN為RC分壓電路的補償電路，RTP 和RTN為終端電阻，RBP、CBP和RBN、CBN為終端電阻的補償電路。其中，RlP和RlN的值 相同，R2P和R2N值相同、RAP禾口 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。差分信號一端經過RlP阻尼，由R2P、RAP、CAP和RTP、RBP、CBP構成的RC分壓網 絡分壓，另一端經過RlN阻尼，由R2N、RAN、CAN和RTN、RBN、CBN構成的RC分壓網絡分壓， 分壓后的信號經過差分緩沖放大器輸出，連接到示波器輸入端。這種結構的有源差分探頭完全依靠RC分壓阻容網絡分壓，由放大器緩沖，結構復 雜，受RC器件寄生參數影響較大，很難實現很大的檢測帶寬(如幾GHz)。
另外，由于該有源差分探頭依靠R2、RAP、RTP、RBP的比例分壓，要實現大的輸入電 阻就必然要求RTP+RBP的阻值較大。這樣信號經過同軸線后，終端電阻為RTP+RBP。而一般 同軸電纜的特征阻抗在50Ω到100Ω，這必然導致阻抗的不匹配，引起信號反射，產生較差 的頻率響應，極大的影響了該探頭的檢測效果。

發明內容
本發明的主要目的在于提供一種用于測量高頻電信號的示波器有源差分電壓探 頭，該探頭具有較大輸入電阻，極低輸入電容，較寬的檢測帶寬，能夠對被測信號產生最小 的干擾，得到不失真的信號。本發明的發明目的是通過下述技術方案予以實現的一種有源差分電壓探頭，用于示波器，其特征在于所述探頭包括一個第一輸入 端、一個第二輸入端、一個第一同軸線、一個第二同軸線和一個運算放大單元，所述運算放 大單元具有一個第一運放輸入端、一個第二運放輸入端、一個第一運放輸出端和一個第二 運放輸出端，所述第一輸入端經過一個第一輸入阻抗單元和所述第一同軸線串聯至所述第 一運放輸入端，所述第二輸入端經過一個第二輸入阻抗單元和所述第二同軸線串聯至所述 第二運放輸入端，所述第一運放輸入端與所述第一運放輸出端之間并聯一個第一反饋阻抗 單元，所述第二運放輸入端與所述第二運放輸出端之間并聯一個第二反饋阻抗單元，所述 第一輸入阻抗單元、第一反饋阻抗單元和運算放大單元用于衰減所述第一輸入端的信號， 所述第二輸入阻抗單元、第二反饋阻抗單元和運算放大單元用于衰減所述第二輸入端的信 號。所述運算放大單元包括一個第一全差分放大器，所述第一全差分放大器包括一個 與所述第一運放輸入端相連的正輸入端、一個與所述第二運放輸入端相連的負輸入端、一 個與所述第一運放輸出端相連的負輸出端、以及一個與所述第二運放輸出端相連的正輸出端。所述運算放大單元包括一個第一運算放大器和一個第二運算放大器，所述第一運 算放大器包括一個與所述第一運放輸入端相連的負輸入端、一個接地的正輸入端、以及一 個與所述第一運放輸出端相連的輸出端，所述第二運算放大器包括一個與所述第二運放輸 入端相連的負輸入端、一個接地的正輸入端、以及一個與所述第二運放輸出端相連的輸出端。所述第一同軸線與所述第一運放輸入端之間還串聯有一個用于與所述第一同軸 線阻抗匹配的第一終端電阻，所述第二同軸線與所述第二運放輸入端之間還串聯有一個用 于與所述第二同軸線阻抗匹配的第二終端電阻。所述第一輸入端與所述第一輸入阻抗單元之間還串聯有一個用于減小震蕩的第 一阻尼電阻，所述第二輸入端與所述第二輸入阻抗單元之間還串聯有一個用于減小震蕩的 第二阻尼電阻。所述第一輸入阻抗單元和第二輸入阻抗單元中的每一個包括相互并聯的電阻和 電容，所述第一反饋阻抗單元和第二反饋阻抗單元中的每一個包括一個用于高頻頻率補償 的電阻與一個電容串聯后與一個電阻并聯而成的結構。所述第一輸出端串聯一個負載電阻接地，所述第二輸出端串聯一個用于作為所述探頭的輸出電阻的第三終端電阻連接到一個第三同軸線。所述探頭還包括一個緩沖電路，所述緩沖電路包括一個第二全差分放大器，所述 第二全差分放大器包括一個正輸入端、一個負輸入端、一個負輸出端、以及一個正輸出端， 所述第二全差分放大器的正輸入端串聯一個第一緩沖電阻連接至所述第一輸出端，所述第 二全差分放大器的負輸入端串聯一個第二緩沖電阻連接至所述第二輸出端，所述第二全差 分放大器的正輸入端和負輸出端之間并聯一個第三緩沖電阻，所述第二全差分放大器的負 輸入端和正輸出端之間并聯一個第四緩沖電阻，所述第二全差分放大器的負輸出端串聯一 個負載電阻接地，所述第二全差分放大器的正輸出端串聯一個用于作為所述探頭的輸出電 阻的第三終端電阻連接到一個第三同軸線。所述負載電阻的阻值與所述第三終端的阻值具有一個電阻差，所述電阻差對應于 所述探頭連接的數字示波器所設置的輸入電阻。所述探頭的輸入電阻由所述第一輸入阻抗單元和第二輸入阻抗單元調整，所述探 頭的衰減比例由第一輸入阻抗單元、第一反饋阻抗單元、第二輸入阻抗單元和第二反饋阻 抗單元調整。本發明的有益效果是該有源差分電壓探頭具有輸入電阻較大，輸入電容較小，檢 測帶寬較寬的特點，具有良好的檢測特性。并且，該探頭受探頭線長度的影響較小，探頭頻 率響應好。


圖1為有源差分電壓探頭第一實施例電路圖；圖2為有源差分電壓探頭第二實施例電路圖；圖3為有源差分電壓探頭第三實施例電路圖；圖4為現有有源差分探頭的電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。實施例一圖1為該有源差分電壓探頭第一實施例電路圖。如圖所示，該有源差分電壓探頭 由手柄端、同軸線和探頭放大器構成。該手柄端設有兩個輸入端IN+和IN-，用于測量差分信號的正負端。輸入端IN+連 接有阻尼電阻R1P，輸入端IN-連接有阻尼電阻R1N。該阻尼電阻RlP與電阻R2P、電容ClP 并聯構成的RC分壓電路相串聯。該阻尼電阻RlN與電阻R2N、電容ClN并聯構成的RC分壓 電路相串聯。該電阻R2P、電容ClP并聯構成的RC分壓電路的另一端連接于手柄正極輸出 端。該電阻R2N、電容ClN并聯構成的RC分壓電路的另一端連接于手柄負極輸出端。手柄正極輸出端通過同軸線1與探頭放大器正極輸入端相連。手柄負極輸出端通 過同軸線2與探頭放大器負極輸入端相連。該探頭放大器由全差分放大器Ul及若干電容電阻構成。所謂全差分放大器為一 種差分輸入差分輸出的放大器。所述探頭放大器正極輸入端連接有終端電阻RTP，探頭放大 器負極輸入端連接有終端電阻RTN。該終端電阻RTP接入所述全差分放大器Ul的正輸入6端，終端電阻RTN接入所述全差分放大器Ul的負輸入端。由電阻R4P與電容C2P串聯后再 與電阻R3P并聯所構成的RC分壓電路，并聯在所述全差分放大器Ul的正輸入端和負輸出 端之間。由電阻R4N與電容C2N串聯后再與電阻R3N并聯所構成的RC分壓電路，并聯在所 述全差分放大器Ul的負輸入端和正輸出端之間。所述全差分放大器Ul的負輸出端為探頭 放大器正極輸出端，所述全差分放大器Ul的正輸出端為探頭放大器負極輸出端。所述探頭放大器正極輸出端通過電阻R6接地。所述探頭放大器負極輸出端通過 電阻R5與同軸線3相連，并通過同軸線3將檢測信號輸出至示波器。其中，為了保證差分探頭的正負輸入對稱，一般設計時取RlP = PIN, R2P = R2N， ClP = ClN, RTP = RTN, R4P = R4N, R3P = R3N, C2P = C2N。上述結構的有源差分電壓探頭，差分信號由輸入端IN+和IN-輸入。電阻RlP和 RlN為阻尼電阻，用于減小探頭和被測電路之間引線電感帶來的振蕩。R2P、C1P和R2N、C1N 構成了差分探頭的輸入電阻和電容。同軸線1和同軸線2選用高帶寬同軸線纜。電阻RTP 和RTN為終端電阻，用于和同軸線阻抗匹配。由于全差分放大器Ul的正負輸入端虛短，只 有共模信號，可以看成是差模地，所以電阻RTP和RTN為同軸線的對地終端電阻，用于匹配 同軸線的阻抗。該終端電阻RTP和RTN —般不大于50 Ω，這樣就能減小高頻信號的反射，實 現更大帶寬，獲得更好的頻率響應。由于放大器正負輸入端為差模地，且設計上電阻R2P、R2N遠遠大于電阻R1P、R1N、 RTP、RTN，所以探頭的差分輸入電阻近似為R2P+R2N。假設輸入端IN+、IN-對地的寄生電容 為CinP和CinN，則探頭差分輸入電容近似為CIP+ClN+CinP+CinN。電阻R2P、電容ClP構成的并聯和R3P、R4P、C2P構成的網絡近似為Ul正輸入端的 輸入阻抗和反饋阻抗，R2N、C1N構成的并聯和R3N、R4N、C2N構成的網絡近似為Ul負輸入端 的輸入阻抗和反饋阻抗。當檢測信號頻率為直流或低頻時，電容近似開路，探頭衰減倍數為 R2P/R3P。當檢測信號頻率為高頻時，電容的容抗降低，高頻分量開始從電容通過，因此一般 設計C1P/C2P = R3P/R2P、C1N/C2N = R3N/R2N,使探頭頻率響應平坦，電阻R4P和R4N為高 頻的頻率補償。所述探頭放大器正極輸出端通過電阻R6接地。所述探頭放大器負極輸出端通過 電阻R5與同軸線3相連，并通過同軸線3將檢測信號輸出至示波器。為了使探頭輸出阻抗 匹配，示波器設置的輸入電阻與電阻R5的合應與電阻R6相平衡，以使使放大器正負輸出端 的負載一致。本發明的有源差分探頭的檢測帶寬由差分放大器決定。由于，放大器本身的帶寬 較寬，且基于上述的電路形式終端電阻RTP和RTN與同軸線1和同軸線2的阻抗相匹配。因 此，本發明所設計的這種有源差分電壓探頭的檢測帶寬可以做到幾GHz。輸入電阻主要由 R2P和R2N決定，但受到探頭衰減比和差分放大器反饋電阻限制，一般可以做到幾十k Ω至 幾百kQ。探頭輸入電容由C1P、ClN及輸入端寄生電容決定，可以做到零點幾pF。由于同 軸線的終端都有阻抗匹配，所以探頭受到同軸線的影響較小，同軸線長度影響較小。綜上所 述，本發明所設計的有源差分電壓探頭提供了具有較大輸入電阻，極低輸入電容，檢測帶寬 較寬的檢測探頭，克服了現有探頭中存在的問題。以圖1所示電器件參數為例，該實施例使用一級差分放大器，R2P = R2N = 25kQ, R3P = R3N = IOK Ω，ClP = ClN = 0. 2pF, C2P = C2N = lpF，則放大器衰減比為 25/10 =2.5。由于放大器差分輸出只用一端，所以又衰減1/2。正輸出端串聯50Ω電阻和示波器 50 Ω輸入電阻分壓，又衰減1/2，所以該實施例探頭的衰減比為(1/2. 5)*(1/2)*(1/2)= 1/10。因此，該有源差分電壓探頭實現差分輸入電阻50k Ω，差分輸入電容0. 4pF的有源差 分電壓探頭，具有較大輸入電阻即極低輸入電容。實施例二 圖1所示第一實施例中，該有源差分電壓探頭僅采用了一個全差分放大器Ul來實 現比例放大電路。但是，如果僅一級放大電路在實現需要的帶寬情況下，無法滿足整體衰減 倍數的需要時，就可以設計第二級的緩沖電路來實現不夠的增益，以保證整個電路增益為 探頭需要的增益。圖2即給出了該有源差分電壓探頭的第二實施例電路圖。如圖所示，該 第二實施例在所述探頭放大器與電阻R5、R6之間還串聯有緩沖電路。如圖所示，該緩沖電路由全差分放大器U3及若干電阻構成。該全差分放大器U3的 正輸入端通過電阻R7P與所述探頭放大器正極輸出端相連，該全差分放大器U3的負輸入端 通過電阻R7N與所述探頭放大器負極輸出端相連。在全差分放大器U3的正輸入端與負輸 出端之間并接有電阻R8P，在全差分放大器U3的負輸入端與正輸出端之間并接有電阻R8N。 所述全差分放大器U3的正輸出端通過電阻R6接地。所述全差分放大器U3的負輸出端通 過電阻R5與同軸線3相連，并通過同軸線3將檢測信號輸出至示波器。該實施例，使用兩級放大器，R2P= R2N = 25k Ω，R3P = R3N = 5Κ Ω , ClP = ClN =0. 2pF，C2P = C2N = lpF，則第一級放大器U 1衰減比為25/5 = 5，Ul放大器輸出，經過 U3和R7P、R7N、R8P、R8N放大2倍，由于放大器U3差分輸出只用一端，所以又衰減1/2。正 輸出端串聯50Ω電阻和示波器50Ω輸入電阻分壓，又衰減1/2，所以該實施例探頭的衰減 比為(1/5) *(1/2)*(1/2) =1/10。該實施例也實現了差分輸入電阻50kQ，差分輸入電 容0. 4pF，的有源差分電壓探頭。所不同的是，由于全差分放大器對反饋電阻有要求，當反饋電阻大時，帶寬會下 降。而如圖2所示，增加一級緩沖電路能夠減小放大器Ul反饋電阻R3P和R3N的值，使得 放大器的頻率響應和帶寬更好，改善了第一實施例所示探頭的檢測性能。實施例三所述所述探頭放大器除了可以采用如第一實施例、第二實施例所示單個放大器設 計外，還可以采用兩個放大器的設計方式。圖3為該有源差分電壓探頭的第三實施例電路 圖。如圖所示，該探頭放大器由全差分放大器U1、全差分放大器U2及若干電容電阻構 成。所述探頭放大器正極輸入端連接有終端電阻RTP，探頭放大器負極輸入端連接有終端電 阻RTN。該終端電阻RTP接入所述全差分放大器Ul的負輸入端，終端電阻RTN接入所述全 差分放大器U2的負輸入端。所述全差分放大器U1、U2的正輸入端接地。由電阻R4P與電 容C2P串聯后再與電阻R3P并聯所構成的RC分壓電路，并聯在所述全差分放大器Ul的負 輸入端和輸出端之間。由電阻R4N與電容C2N串聯后再與電阻R3N并聯所構成的RC分壓 電路，并聯在所述全差分放大器U2的負輸入端和輸出端之間。所述全差分放大器Ul的輸 出端為探頭放大器正極輸出端，所述全差分放大器U2的輸出端為探頭放大器負極輸出端。如圖3所示，在所述探頭放大器與電阻R5、R6之間還串聯有緩沖電路。該緩沖電 路的結構與圖2所示第二實施例中的緩沖電路結構相同，在此就不再重復敘述。當然，上述由雙放大器組成的探頭放大器也可不連接緩沖電路，而直接與電阻R5、R6相連，亦可以滿 足本發明的基本功能。這種實現結構在此就不再熬述。 綜上所述，本發明通過對有源差分電壓探頭的電路結構進行改造，提供了一種具 有較大輸入電阻，極低輸入電容，較寬的檢測帶寬，能夠對被測信號產生最小的干擾，得到 不失真的信號的有源探頭。并且，還提出了通過多級化放大器改善探頭檢測性能的改進形 式。本領域一般技術人員在此設計思想之下所做任何顯而易見的改造，均應視為在本發明 的保護范圍之內。
權利要求
1.一種有源差分電壓探頭，用于示波器，其特征在于所述探頭包括一個第一輸入端、 一個第二輸入端、一個第一同軸線、一個第二同軸線和一個運算放大單元，所述運算放大單 元具有一個第一運放輸入端、一個第二運放輸入端、一個第一運放輸出端和一個第二運放 輸出端，所述第一輸入端經過一個第一輸入阻抗單元和所述第一同軸線串聯至所述第一運 放輸入端，所述第二輸入端經過一個第二輸入阻抗單元和所述第二同軸線串聯至所述第二 運放輸入端，所述第一運放輸入端與所述第一運放輸出端之間并聯一個第一反饋阻抗單 元，所述第二運放輸入端與所述第二運放輸出端之間并聯一個第二反饋阻抗單元，所述第 一輸入阻抗單元、第一反饋阻抗單元和運算放大單元用于衰減所述第一輸入端的信號，所 述第二輸入阻抗單元、第二反饋阻抗單元和運算放大單元用于衰減所述第二輸入端的信 號。
2.如權利要求1所述的有源差分電壓探頭，其特征在于所述運算放大單元包括一個 第一全差分放大器，所述第一全差分放大器包括一個與所述第一運放輸入端相連的正輸入 端、一個與所述第二運放輸入端相連的負輸入端、一個與所述第一運放輸出端相連的負輸 出端、以及一個與所述第二運放輸出端相連的正輸出端。
3.如權利要求1所述的有源差分電壓探頭，其特征在于所述運算放大單元包括一個 第一運算放大器和一個第二運算放大器，所述第一運算放大器包括一個與所述第一運放輸 入端相連的負輸入端、一個接地的正輸入端、以及一個與所述第一運放輸出端相連的輸出 端，所述第二運算放大器包括一個與所述第二運放輸入端相連的負輸入端、一個接地的正 輸入端、以及一個與所述第二運放輸出端相連的輸出端。
4.如權利要求1所述的有源差分電壓探頭，其特征在于所述第一同軸線與所述第一 運放輸入端之間還串聯有一個用于與所述第一同軸線阻抗匹配的第一終端電阻，所述第二 同軸線與所述第二運放輸入端之間還串聯有一個用于與所述第二同軸線阻抗匹配的第二 終端電阻。
5.如權利要求1所述的有源差分電壓探頭，其特征在于所述第一輸入端與所述第一 輸入阻抗單元之間還串聯有一個用于減小震蕩的第一阻尼電阻，所述第二輸入端與所述第 二輸入阻抗單元之間還串聯有一個用于減小震蕩的第二阻尼電阻。
6.如權利要求1所述的有源差分電壓探頭，其特征在于所述第一輸入阻抗單元和第 二輸入阻抗單元中的每一個包括相互并聯的電阻和電容，所述第一反饋阻抗單元和第二反 饋阻抗單元中的每一個包括一個用于高頻頻率補償的電阻與一個電容串聯后與一個電阻 并聯而成的結構。
7.如權利要求1所述的有源差分電壓探頭，其特征在于所述第一輸出端串聯一個負 載電阻接地，所述第二輸出端串聯一個用于作為所述探頭的輸出電阻的第三終端電阻連接 到一個第三同軸線。
8.如權利要求1所述的有源差分電壓探頭，其特征在于所述探頭還包括一個緩沖電 路，所述緩沖電路包括一個第二全差分放大器，所述第二全差分放大器包括一個正輸入端、 一個負輸入端、一個負輸出端、以及一個正輸出端，所述第二全差分放大器的正輸入端串聯 一個第一緩沖電阻連接至所述第一輸出端，所述第二全差分放大器的負輸入端串聯一個第 二緩沖電阻連接至所述第二輸出端，所述第二全差分放大器的正輸入端和負輸出端之間并 聯一個第三緩沖電阻，所述第二全差分放大器的負輸入端和正輸出端之間并聯一個第四緩沖電阻，所述第二全差分放大器的負輸出端串聯一個負載電阻接地，所述第二全差分放大 器的正輸出端串聯一個用于作為所述探頭的輸出電阻的第三終端電阻連接到一個第三同 軸線。
9.如權利要求7或8所述的有源差分電壓探頭，其特征在于所述負載電阻的阻值與 所述第三終端的阻值具有一個電阻差，所述電阻差對應于所述探頭連接的數字示波器所設 置的輸入電阻。
10.如權利要求1至6中任意一項所述的有源差分電壓探頭，其特征在于所述探頭的 輸入電阻由所述第一輸入阻抗單元和第二輸入阻抗單元調整，所述探頭的衰減比例由第一 輸入阻抗單元、第一反饋阻抗單元、第二輸入阻抗單元和第二反饋阻抗單元調整。
全文摘要
本發明提供了一種有源差分電壓探頭由手柄端、同軸線和探頭放大器構成。該有源差分電壓探頭通過對有源差分電壓探頭的電路結構進行改造，提供了一種具有較大輸入電阻，極低輸入電容，較寬的檢測帶寬的探頭。該探頭對被測信號產生的干擾較小，從而得到不失真的檢測信號。并且，本發明還通過多級化放大器的設計方法，進一步改善了探頭的檢測性能，使得該探頭受探頭線長度的影響較小，探頭頻率響應好。
文檔編號G01R23/02GK102053177SQ20091023739
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月10日 優先權日2009年11月10日
發明者李維森, 王悅, 王鐵軍 申請人:北京普源精電科技有限公司