选对探头事半功倍：1G有源探头vs1G无源探头实测分析

 

在高速信号测试和测量领域，选择合适探头对获取准确的测量结果至关重要。本文深入解析1GHz有源探头和无源探头的核心差异、应用场景及实测性能对比，详解面对高频信号测量挑战时，如何做出明智的选择。
 

无源探头vs无源探头，差别在哪里？

1、工作原理

无源探头：通常由一个简单的分压器网络组成，包括电阻、电容和补偿电容。它依赖于示波器的输入阻抗来形成分压比，从而降低信号幅度以适应示波器的输入范围。无源探头本身不包含有源器件（晶体管或放大器），因此不需为探头供电；

有源探头：内部包含一个放大器，可以放大信号并抵消探头本身引入的负载效应，使得有源探头可以提供更高的带宽、更低的电容负载和更高的输入阻抗。

2、主要区别

低阻无源探头和有源探头在示波器测试中的功能和适用范围存在差异，区别在于输入特性不同。

无源探头：无信号放大电路，通过电阻分压工作，适合测量精度要求不高的场景；

有源探头：配备放大电路，可以用于高频信号测量，其输入阻抗高，寄生参数小，对测量电路本身影响小，适合对测量结果精度要求高的场景。

对于有源探头，其价格较无源探头昂贵，需要供电，使用时需要注意避免过度压缩电源电压等问题

3、关键参数对比

表1  探头参数对比

 

 

参数	无源探头ZP2100（1GHz）	有源探头ZAP1100（1GHz）
带宽	1GHz	1GHz
衰减比	10：1	10：1
输入阻抗	500Ω || 1.5pF	1MΩ || 2.0pF
过载能力	相对较强	相对较弱
价格	较便宜	较昂贵

 

实践必知：何时选择1GHz有源探头？

1GHz有源探头在以下场景中表现优异：高输入阻抗需求：有源探头提供的高输入阻抗可以最小化对被测电路的负载效应，避免改变电路的工作状态。低电容负载需求：对于高速、高阻抗电路，无源探头的高电容负载可能会导致信号畸变和带宽下降。有源探头的低电容负载可以减少这种影响。需要高压摆率的应用：探头的压摆率就是探头能够多快地响应电压变化的速度，可以类比为弹簧的弹力，它反映了探头对电压变化的响应速度。高压摆率能确保探头准确捕捉快速变化的信号，避免测量失真。测量差分信号：一些有源探头支持差分测量，可以更方便地测量差分信号，例如高速USB2.0数据信号。
 

实测见真章：两种探头性能对比

为比较两种探头的性能，我们进行了扫频测试：使用N5181A射频信号发生器输出1MHz至1GHz的对数频率扫频信号，通过同轴电缆连接到测试板上配置的50Ω端接电阻，将两个探头分别放置在电阻两端进行测量，模拟实际测量场景。

 

ZP2100无源探头

ZAP1100有源探头

 

测试结果揭示

1、波形质量对比分析

在测试过程中，我们可以观察到无源探头在高频段的性能表现较差。
 

无源探头波形表现：在高频部分出现明显的幅频特性波动(图1)，信号失真严重，主要由VSWR（电压驻波比）较差引起的反射导致，表明无源探头对高频信号的响应不够理想。

有源探头波形表现：整个频率范围内波形平滑稳定（图2），高频滚降更为平缓，整体上它能够更好地保持原始信号的形状和特征，显示出更好的高频特性，适合对精度要求较高的应用场合。

图1 无源探头示波器测试效果图2  有源探头示波器测试效果

 

2、负载效应测量对比

除此之外，无源探头较高频段对电路的负载效应较大。

网络分析仪的测试端口经同轴电缆连接到测试板上，由50Ω电阻端接。在此端口测得的回波损耗参数，能够反映阻抗匹配的良好程度。理想状况下，50Ω端接的网络分析仪测得回波损耗应无限小。接入的探头可视为并联在50Ω电阻上的负载，会或多或少影响阻抗匹配。探头的输入阻抗越高，与50Ω电阻并联后的阻值越接近50Ω，影响阻抗匹配程度越小。

无源探头：200MHz以下回波损耗尚小于-13dB，但300MHz-1GHz，回波损耗迅速上升，劣化至-3dB（图3）。

有源探头：低频段对电路影响非常小，700MHz处达峰值，仍有-12.5dB。与无源探头相比，其对高频电路的负载效应小得多，能够更准确地保留被测信号的特性（图4）。

图3  无源探头测试图

图4  有源探头测试
 

总结

无源探头带宽会受到示波器带宽的限制，当1GHz无源探头搭配1GHz示波器，实际带宽会小于1GHz。相比之下，在需要高带宽、高输入阻抗和低电容负载的场合，有源探头无疑是最佳选择。致远仪器ZAP1100有源探头与ZUS6104高精度示波器的组合设计，有效解决普通无源探头在高频测试中的带宽损失问题，提供更稳定的带宽性能，同时高输入阻抗设计减少对被测电路的干扰，使高频信号测试更加精准高效，适合高带宽和低电容负载的应用场景。