差分探头和单端探头的性能比较

以前用高带宽示波器和有源探头测量时，可以选择单端探头或者差分探头。一般用单端探针测量单端信号(地电压)，用差分探针测量差分信号(正电压-负电压)。虽然也可以只买一个差分探头，用它来测量差分信号和单端信号，但是出于一些实际的原因，大多数人是不会这么做的。原因是，与单端探头相比，差分探头通常更贵，更难使用，并且带宽更小。

本文从以下几个方面比较了差分探头和单端探头在性能和可用性方面的优缺点:

–带宽、保真度和可用性

–共模抑制

–输入负载

–测量重复性

–物理尺寸

图 1. 差分探头和单端探头的简化模型

我们使用简化模型(图1)来帮助比较，并使用探针放大器来匹配焊接差分探针前端和焊接单端探针前端的测量数据。两种探针前端的物理连接尺寸非常接近，因此它们的性能差异主要是由差分和单端电路元件的布局造成的。

带宽、保真度和可用性的比较

如前所述，单端探头的带宽通常高于差分探头。但这个结果是源于一些基本的物理规律，还是仅仅源于不同架构的实际实现方式?

要回答这个问题，让我们考虑图1所示差分探头和单端探头之间连接的寄生参数的简化模型。因为单端探头和差分探头前端的几何尺寸大致相同，所以电感和电容参数的大小也是相等的。如果使用宽而扁平的导体(如“刀片”)进行接地连接，单端探头的接地电感(lg)会稍低，但不会低很多。需要注意的是，差分探头的两个输入端都有一个端电阻，而单端探头在信号输入端只有一个端电阻，地线没有阻尼(实际探头中是0 ω电阻)。这些补偿阻尼用于消除输入连接中电感(Ls)和电容(Cs)引起的谐振。要更深入的了解这个话题，可以参考德国科技的应用指南《高带宽电压探头1404的保真度》。

从单端模型的分析可以看出，带宽取决于电感和电容，其中对地电感(lg)非常重要。

在较高频率下，对地电感将在器件地和探头地之间产生电压，从而降低探头衰减器/放大器输入端的信号。可以通过降低对地电感来增加带宽。这就需要缩短接地线的长度或者增加连接面积。理想的接地线应该是一个非常短而宽的导体平面，或者是围绕信号连接的环形圆柱体(形成同轴探针连接)。在实际测量条件下，理想的接地线通常是不存在的，它会大大降低单端探头的可用性。

图 2. 差分探头和单端探头的频率响应

另外，给出同轴夹具中单端探头的技术规格是没有用的，因为在实际测试中，你基本上无法用这种方式测量。

如果分析差分信号驱动的差分模型(vcm=0，vp=vm)，会看到由于正负信号连接的固有对称性，连接之间会有一个没有净信号的平面。您可以将这个“有效”接地层视为牢固地连接到器件的接地层和探头放大器的接地端。考虑到有效地平面的存在，可以对半电路模型进行分析。此时信号地的环路面积大约是单端环路的一半，所以电感要低很多。从半电路模型的分析可以看出，差分模型的带宽远高于单端模型。此外，有效接地层是理想的接地连接，不会影响其可用性。

当差分探头由单端源驱动时，可以通过叠加法确定总响应。当vcm = vp = vm时，单端信号施加于电路。叠加第一项，关闭vcm对于叠加的第二项，“关闭”vp和vm。第一项是单端信号差分部分的响应，因此该响应与前面的讨论一致。第二项是单端信号共模部分的响应，因此其响应取决于探头的共模抑制。如果探针具有良好的共模抑制能力，那么对单端信号的总响应仅仅是对单端信号的差模分量的响应。如果探头的共模抑制不好，您会看到测得的差分信号和测得的单端信号之间的响应差异。从图2中可以看出，这些响应之间实际上没有区别。

图2显示了差分探头检测的单端信号(绿色)和单端探头检测的单端信号(蓝色)的频率响应，两者都使用相同的7 GHz探头放大器。探头的带宽定义为探头的输出幅度相对于输入幅度下降到-3 dB时的频率。显然，差分探头前端的带宽远远高于单端探头前端的带宽(7.8 GHz对5.4 GHz)。这两个探头具有高频平坦度，因为在连接中使用了正确的阻尼电阻。

图3示出了由差分探头针对上升时间约为100 ps的阶跃信号测量的时域响应。图4显示了上升时间约为100 ps的阶跃信号的单端探头测得的时域响应。在这两幅图中，红色轨迹是探头的输出，绿色轨迹是探头的输入。需要注意的是，这并不是探头的阶跃响应，而只是测量它们能跟踪100 ps的阶跃信号到什么程度。为了测量阶跃响应，输入必须是具有极快上升时间的理想阶跃信号。此时，差分探头可以显示出比单端探头更快的上升时间。两种探头都能很好地跟踪100 ps的阶跃信号。

图 3. 差分探头测量 100 ps 阶跃信号的时域响应

图 4. 单端探头测量 100 ps 阶跃信号的时域响应

共模抑制问题

共模抑制是差分探头和单端探头都存在的问题。用于差分探头。共模抑制可防止施加于+和-探针输入的同一信号产生输出。对于单端探头，共模抑制可防止施加于信号输入端和接地输入端的同一信号产生输出。

差分探头和单端探头模型(图1)显示了从探头衰减器/放大器到“地”的电阻和电感。这是由探针电缆屏蔽层和大地组成的传输线(或天线)引起的阻抗的简化模型。这个“外模”阻抗非常重要，因为当共模信号施加于单端探针时，地电感和外模阻抗形成分压器，从而衰减放大器获得的地信号。因为放大器的信号输入没有得到与接地输入相同的衰减，所以它在放大器的输入端产生净信号，从而产生输出。接地电感越高，共模抑制越低，因此使用单端探头时，必须使接地尽可能短。还需要注意的是，外模信号不会直接影响“内模”信号(即同轴电缆中正常的探头输出信号)，但反射的外模信号会影响探头放大器的接地，从而间接影响内模信号。这将在“测量重复性”一节中进一步解释。

当共模信号施加于差分探头时，可以从衰减器/放大器的+和-输入端看到相同的信号。由此产生的输出将由放大器的共模抑制决定，而不是由连接电感决定。

图 5. 差分探头和单端探头的共模响应

当检测到带有共模噪声的单端信号时，需要确定是差分探头还是单端探头具有更好的共模抑制能力。这取决于单端探头接地连接的电感和差分探头中放大器的共模抑制能力。对于本例中的差分和单端探头前端，图5显示差分探头的共模抑制比单端探头高得多，因此可以在高共模噪声环境中进行更好的测量。这是两种探头最常见的情况，除非单端探头以极低的电感接地，现实中很难实现。需要注意的是，这里分析的单端探头比许多其他单端探头具有更好的共模抑制能力，因为它的接地线非常短。图5中的共模响应定义为:

差分共模响应= 20[log(voc/vic)]

Vic是+和-输入的公共电压。

Voc是施加vic时探头输出端的电压

单端共模响应= 20[log(voc/vic)]

这里，vic信号输入和接地输入的公共电压

Voc是施加vic时探头输出端的电压

图 6. 差分探头和单端探头的输入阻抗

输入负载效应比较

如果使用差分探头前端和单端探头前端的电感和电容值来分析图1中的电路模型，您会发现，从单端源来看，每个探头前端的输入阻抗没有太大差异。分析的另一个方面是了解外部模式阻抗如何影响差分和单端探头。在单端探针放大器模型中，外模阻抗远高于接地连接阻抗(由于lg的存在)，所以对输入阻抗没有明显影响。然而，由于外部模式阻抗，进入差分探头的单端信号将会看到较高频率的容抗值略低于较低频率的容抗值。

图6是差分探头和单端探头的输入阻抗(幅度)图。红色轨迹是施加差分源时差分探头的阻抗。绿色轨迹是应用单端源时的差分探头阻抗，蓝色轨迹是应用单端源时的单端探头阻抗。这三种情况的DC电阻、电容和最小电感值如图6所示。需要注意的是，差分探头和单端探头对单端信号的输入阻抗非常相似。

测量的可重复性

测量的可重复性是一个与高频探头相关的问题。理想情况下，探头位置、电缆位置和手的位置不应该引起探头测量结果的变化。但很多情况下并非如此。常见的原因是外模阻抗的变化。实际上，这个阻抗远比图中所示的探头模型复杂，因为探头、手和电缆的位置会极大地影响无屏蔽传输线(或天线)。

如果通过改变外模阻抗来分析单端模型，会发现会引起响应变化。另外，由于外模阻抗也是共模响应的一个因素，这个阻抗的变化也会引起共模抑制的变化。接地连接的阻抗越高，响应变化越大。

通过改变外模阻抗分析的差分模型，可以发现这种改变只引起很小的响应变化。探头放大器接地端出现的任何信号都将被放大器的共模抑制。因此，由探头、手和电缆的位置引起的响应变化可以被大大衰减。从图2可以看出，差分探头的响应比单端探头平滑得多。在单探针的响应中存在许多由外模阻抗的变化引起的“干扰和失真”。当阻抗改变时，响应也会改变。探头电缆上的铁磁珠可以通过衰减和限制外模信号来减少外模阻抗的变化，从而缓解这个问题。可以减少探头、手、电缆位置引起的响应变化。

物理尺寸考虑

通过对比差分探头和单端探头可以看出，无论是检测差分信号还是单端信号，差分探头在各方面的性能都优于单端探头。但是，有时仍然可以考虑单端探针。单端探头在很多测量场合都能提供可接受的结果，而且价格低廉，而且由于探头前端简单，体积也小。物理上，小探头可以伸入狭窄的地方进行探测，也可以将多个探头连接到非常密集的被测点。因此，在检测系统中，探针应该能够进行差分检测和单端检测。

总结

由于地跳、串扰和EMI，电子行业正在用差分信号取代单端信号。对于这个新领域中使用的测量设备，差分检测是一项基本要求。因为差分探头中信号连接之间的有效接地层比单端探头中的大多数实际连接(非同轴)更理想，所以差分探头比单端探头更好地测量单端信号。新一代差分探头易于使用，性能高，价格低。您可以用它们来检测差分信号和单端信号。

以上就是关于示波器差分和单端有源电压探头性能比较，如您使用中还有其他问题，欢迎登陆西安普科电子科技。

　　审核编辑：汤梓红