示波器探头分类有哪些？该怎么选？

示波器因为有探头的存在而扩展了示波器的应用范围，使得示波器可以在线测试和分析被测电子电路，如图1所示。
图1 示波器探头的作用
探头的选择和使用需要考虑两方面：

· 因为探头有负载效应，探头会直接影响被测信号和被测电路。

· 探头是整个示波器测量系统的一部分，会直接影响仪器的信号保真度和测试结果。

探头的负载效应
当探头探测到被测电路后，探头成为了被测电路的一部分。
探头的负载效应可分为三类：

· 阻性负载效应。

· 容性负载效应。

· 感性负载效应。

图2 探头的负载效应
1阻性负载
阻性负载相当于在被测电路上并联了一个电阻，对被测信号有分压的作用，影响被测信号的幅度和直流偏置。有时，加上探头时，有故障的电路可能变得正常了。一般推荐探头的电阻R>10倍被测源电阻，以维持小于10%的幅度误差。
图3 探头的阻性负载
2容性负载
容性负载相当于在被测电路上并联了一个电容，对被测信号有滤波的作用，影响被测信号的上升下降时间，影响传输延迟，影响传输互连通道的带宽。有时，加上探头时，有故障的电路变得正常了，这个电容效应起到了关键的作用。一般推荐使用电容负载尽量小的探头，以减小对被测信号边沿的影响。
图4 探头的容性负载
3感性负载
感性负载来源于探头地线的电感效应，这地线电感会与容性负载和阻性负载形成谐振，从而使显示的信号上出现振铃。如果显示的信号上出现明显的振铃，需要检查确认是被测信号的真实特征还是由于接地线引起的振铃，检查确认的方法是使用尽量短的接地线。一般推荐使用尽量短的地线。
地线电感=1nH/mm
图5 探头的感性负载
探头的分类
示波器探头大的方面可以分为：无源探头和有源探头两大类。
无源探头

无源探头细分：低阻电阻分压探头、带补偿的高阻无源探头(最常用的无源探头)、高压探头。
低阻电阻分压探头：

低阻电阻分压探头具备较低的电容负载(<1pf)，较高的带宽(>1.5GHz)，较低的价格，但是电阻负载非常大，一般只有500ohm或1Kohm，所以只适合测试低源阻抗的电路，或只关注时间参数测试的电路。
图6 低输入电阻探头结构
带补偿的高阻无源探头：
带补偿的高阻无源探头是最常用的无源探头，一般示波器标配的探头都是此类探头。带补偿的高阻无源探头具备较高的输入电阻(一般1Mohm以上)，可调的补偿电容，以匹配示波器的输入，具备较高的动态范围，可以测试较大幅度的信号(几十幅以上)，价格也较低。但是不知之处是输入电容过大(一般10pf以上)，带宽较低(一般500MHz以内)。
图7 常用的无源探头结构
带补偿的高阻无源探头有一个补偿电容，当接上示波器时，一般需要调整电容值（需要使用探头自带的小螺丝刀来调整，调整时把探头连接到示波器补偿输出测试位置），以与示波器输入电容匹配，以消除低频或高频增益。图8的左边是存在高频或低频增益，调整后的补偿信号显示波形如图8的右边所示。
图8 无源探头的补偿
高压探头：
高压探头是带补偿的无源探头的基础上，增大输入电阻，使得衰减加大(如，100:1或1000:1等)。因为需要使用耐高压的元器件，所以高压探头一般物理尺寸较大。
图9 高压探头的结构
有源探头

有源探头细分：单端有源探头、差分探头、电流探头。
先来观察一下用600MHz无源探头和1.5GHz有源探头，测试1ns上升时间阶跃信号的影响。使用脉冲发生器产生一个1ns的阶跃信号，通过测试夹具后，使用SMA电缆直接连接到一个1.5GHz带宽的示波器上，这样示波器上会显示一个波形(图10中的蓝色信号)，把这个波形存为参考波形。然后使用探头点测测试夹具去探测被测信号，通过SMA直连的波形因为受探头负载的影响而变成黄色的波形，探头通道显示的是绿色的波形。然后分别测试上升时间，可以看出无源探头和有源探头对高速信号的影响。
图10 无源探头和有源探头对被测信号和测量结果的影响
具体测试结果如下：

· 使用1165A 600MHz无源探头，使用鳄鱼嘴接地线。受探头负载的影响，上升时间变为：1.9ns；探头通道显示的波形存在振铃，上升时间为：1.85ns。

· 使用1156A 1.5GHz有源探头，使用5cm接地线。受探头负载的影响较小，上升时间仍为：1ns；探头通道显示的波形与原始信号一致，上升时间仍为：1ns。

单端有源探头：

单端有源探头结构如图11所示，使用放大器实现阻抗变换的目的。单端有源探头的输入阻抗较高(一般达100Kohm以上)，而输入电容较小(一般小于1pf)，通过探头放大器后连接到示波器，示波器必须使用50ohm输入阻抗。有源探头带宽宽(现在可达30GHz)，而负载小，但是价格相对较高(一般每根探头达到同样带宽示波器价格的10%左右)，动态范围较小，比较脆弱，使用需小心。需要注意，因为超过探头动态范围的信号，不能正确测试，一般动态范围5V左右。
图11 单端有源探头结构
差分探头：
差分探头结构如图12所示，使用差分放大器实现阻抗变换的目的。差分探头的输入阻抗较高（一般达50Kohm以上），而输入电容较小（一般小于1pf)，通过差分探头放大器后连接到示波器，示波器必须使用50ohm 输入阻抗。差分探头带宽非常宽（现在可达30GHz），负载非常小，具有较高共模抑制比，但是价格相对较高（一般每根探头达到同样带宽示波器价格的10%左右)，动态范围也较小（这个需要注意，因为超过探头动态范围的信号，不能正确测试。一般动态范围3V左右），比较脆弱，使用需小心。
差分探头适合测试高速差分信号（测试时不用接地），适合放大器测试，电源测试，适合虚地测试等应用。
图12 差分探头结构

电流探头：
电流探头也是有源探头，利用霍尔传感器和感应线圈实现直流和交流电流的测量。电流探头把电流信号转换成电压信号，示波器采集电压信号，再显示成电流信号。电流探头可以测试几十毫安到几百安培的电流，使用时需要引出电流线（电流探头是把导线夹在中间进行测试的，不会影响被测电路）。
无源探头与有源探头对比

最常用的高阻无源探头和有源探头简单对比如下：
表1 有源探头和无源探头对比

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