导言
曩昔在运用高带宽示波器和有源探头进行丈量时，您能够挑选单端探头或差分探头。一般是用单端探头丈量单端信号（对地电压），用差分探头丈量差分信号（正电压—负电压）。尽管也能够只买差分探头，用差分探头丈量差分信号和单端信号，但出于一些实践考虑，多数人并不这样做。理由是，在安捷伦推出改造性计划之前，差分探头和单端探头是两套探头，一般价格高和难以运用，并且带宽也比单端探头低。
新的Agilent InfiniiMax探头体系既可用于差分检测，又可用于单端检测，然后排除了曩昔回绝差分探头的理由。新的探头体系运用可替换的勘探接头，适于点测、插孔衔接和焊点埋入衔接的丈量办法。
关于这种新的勘探办法，您需求确认是用差分探头仍是单端探头丈量单端信号。为作出最好的决议，需求考虑差分探头与单端探头在功用和可用性方面的优缺点。
这篇运用攻略在如下几方面比较了差分探头和单端探头的优缺点：
· 带宽、保真度和可用性
· 共模按捺
· 探头负载效应
· 丈量的可重复性
· 物理尺度
单端探头模型
差分探头模型
图1 差分探头和单端探头简化模型
咱们用简化模型（图1）协助比较，关于Agilent 1134A 7GHz探头放大器，别离运用焊点埋入衔接的差分勘探头和
单端勘探头丈量数据。这两种勘探头有十分挨近的物理衔接尺度，因此主要是差分和单端电路元件的布局带来的功用不同。图2和图3是这些探头的相片。
为丈量探头功用，咱们运用Agilent E2655A去时滞∕功用验证夹具，Agilent 8720A 20GHz矢量网络剖析仪和Agilent Infiniium DCA86100取样示波器。
带宽、保真度和可用性比较
如前所述，在安捷伦未推出改造性计划前，单端探头一般有比差分探头更高的带宽。但这一成果是来自某些根本物理规律，还仅仅是来自不同结构的实践完成办法？
为答复这一问题，让咱们考虑图1差分探头和单端探头衔接中寄生参数的简化模型。由于单端和差分勘探头的几许尺度大致相同，因此电感和电容散布参数的量值也适当。假如接地衔接运用又宽又平的导体（就像“刀片”），单端探头的接地电感（lg）会稍低一些，但也低不到哪里去。应留意差分探头在其两个输入上都有补偿阻尼，而单端探头只在信号输入上有补偿阻尼，地线上没有阻尼（在实践探头中是0Ω电阻器）。这些补偿阻尼用于消除输入衔接中电感器（Ls）和电容器（Cs）所构成的谐振。要更深入了解这一论题，请参看Agilent运用攻略1404“高带宽探头的保真度”。
2 Agilent 1134A单端焊点埋入勘探头（上）和差分焊点埋入勘探头（下）
图3 开盖的单端（上）和差分（下）焊点埋入勘探头
从对单端模型的剖析，可看到带宽决议于电感和电容值，其间对地电感（lg）起着重要的效果。在较高频率下，对地电感会在被测信号地与探头地之间发生一个电压，然后减小了探头衰减器∕放大器处的信号。您可经过减小对地电感来添加带宽。这就需求缩短接地线的长度，或添加衔接的面积。抱负的接地线应是十分短、又比较宽的导体平面或环绕信号衔接的环形圆柱体（构成同轴的探头衔接）。在实践的丈量条件下，抱负的接地线一般是不实践的，并且会大大下降单端探头的可用性。
图4 差分探头和单端探头的频率呼应
此外，在运用圆柱接地环地条件下给出目标的单端探头带宽目标，是不具备实践意义的，由于在实践测验中，您根本上无法选用这种办法来丈量。
假如您剖析由差分信号（vcm=0，vp=vm）驱动的差分模型，就会看到由于正负信号衔接的固有对称性，在衔接间就会存在一个没有净信号的平面。您能够为该“有用”地平面牢固地接到被测信号的地平面和探头放大器的地。考虑到有用地平面的存在，即可剖析半电路模型，此刻信号地的环路面积近似为单端环路面积的一半，所以电感要低得多。从半电路模型剖析可看到差分模型的带宽要远高于单端模型。此外，有用地平面是抱负的接地衔接，并且毫不影响其可用性。
当差分探头受单端源驱动时，您可用叠加法确认总呼应。当vcm=vp=vm时，即电路中施加了单端信号。关于叠加的榜首项，把vcm“封闭”；关于叠加的第二项，把vp和vm“封闭”。榜首项是差分部分对单端信号的呼应，因此该呼应和前面的评论一同。第二项是共模部分对单端信号的呼应，因此其呼应决议于探头的共模按捺。假如探头有好的共模按捺才能，那么对单端信号的总呼应就仅仅对单端信号差模成分的呼应。假如探头的共模按捺欠好，就会看到丈量差分信号和丈量单端信号的差异。从图4可看到这些呼应实践上并无不同。
图4示出用差分探头检测单端信号（绿色）和用单端探头检测单端信号（蓝色）的频率呼应，两者都运用相同的7GHz探头差分放大器。探头的带宽界说为探头输出起伏相对输入起伏下降到-3dB处的频率。显着，差分探头的带宽要比单端探头高得多（7.8GHz对5.4GHz）。这两种探头都有很高的频率平整度，由于在衔接中运用了正确的阻尼电阻。
图5示出关于输入约100ps上升时间的阶跃信号，差分探头所测的时域呼应。图6示出关于输入约100ps上升时间的阶跃信号，单端探头所测的时域呼应。在这两个图中，赤色迹线是探头的输出(即示波器屏幕上显现地波形)，绿色迹线是探头的输入(即探头探上被测目标后，被测信号地波形)。应留意这不是探头的阶跃呼应，而仅仅丈量它们是否能盯梢100ps的阶跃。为丈量阶跃呼应，必须有十分完美的输入，即有极快上升时间的阶跃，此刻差分探头能显现出比单端探头更快的上升时间。这两种探头都能很好盯梢100ps的阶跃。
图5 差分探头对100ps阶跃的时域呼应
图6 单端探头对100 ps阶跃的时域呼应
共模按捺问题
共模按捺是差分探头和单端探头都存在的问题。对差分探头来说。共模按捺使加至探头输入+ 和 – 的相同信号
不发生输出。对单端探头来说，共模按捺使加至信号输入和地输入的相同信号不发生输出。
差分探头和单端探头模型（图1）示出从探头衰减器∕放大器地到“大地”的电阻和电感。这是由探头电缆屏蔽和大地构成的传输线（或天线）所构成阻抗的简化模型。这一“外形式”阻抗是重要的，由于在单端探头上施加共模信号时，地电感就与该外形式阻抗构成分压器，然后衰减了放大器得到的地信号。由于放大器的信号输入没有得到与地输入相同的衰减，这就在放大器的输入端构成一个净信号，并由此发生一个输出。地电感越高，共模按捺就越低，因此您在运用单端探头时，必须使地线尽可能短。还应留意该外形式信号并不直接影响“内形式”信号（即同轴电缆内的正常探头输出信号），但反射的外形式信号将影响探头放大器的地，然后直接影响内形式信号。“丈量可重复性”部分对此有进一步的阐明。
当共模信号施加至差分探头时，在 + 和 – 输入端至衰减器∕放大器上可看到相同的信号。所发生的输出将是放大器共模按捺才能的函数，而并非由衔接感抗构成。
图7 差分探头和单端探头的共模呼应
当您检测带有共模噪声的单端信号时，需求确认是差分探头，仍是单端探头有更好的共模按捺才能。这取决于单端探头的接地衔接电感，以及差分探头中放大器的共模按捺才能。关于本例中的差分和单端勘探头，图7示出差分探头的共模按捺要比单端探头高得多，因此能在高共模噪声环境中进行更好的丈量。这是两种探头的一般状况，除非单端探头有极低电感的接地衔接，但这在实践中是难以完成的。应留意这儿剖析的单端探头，是安捷伦InfiniiMax 1130系列，远好于其它的许多单端探头的共模按捺才能，由于它的地线很短。图7中的共模呼应界说为：
差分共模呼应= 20[log(voc/vic)]
这儿vic是+和-输入的公共电压，voc是施加vic时探头输出处的电压
单端共模呼应= 20[log(voc/vic)]
这儿vic是信号输入和地输入的公共电压，voc是施加vic时探头输出处的电压
图8 差分探头和单端探头的输入阻抗
探头负载效应比较
假如您用差分勘探头和单端勘探头的电感和电容值剖析图1中的电路模型，您将发现从单端源看曩昔的各勘探头输入阻抗没有多少不同。剖析的另一方面是了解外形式阻抗怎么影响差分和单端探头。在单端探头放大器模型中，外形式阻抗要比接地衔接阻抗高得多（由于存在lg），因此它对输入阻抗并没有显着影响。但由于存在外形式阻抗，进入差分探头的单端信号将看到较高频率比较低频率有略低的容抗值。
图8是差分探头和单端探头的输入阻抗（幅值）图。赤色迹线是施加差分源时所看到的差分探头阻抗。绿色迹线是施加单端源时看到的差分探头阻抗，蓝色迹线是施加单端源时看到的单端探头阻抗。在图8中标示了这三种状况的DC电阻、%&&&&&%和最小电感值。应留意差分探头和单端探头对单端信号的输入阻抗很相似。
丈量的可重复性
丈量的可重复性是与高频探头相关的问题。在抱负状况下，探头方位，电缆方位和手的方位都不该构成探头丈量成果的改动。但许多状况下都并非如此。一般的原因是外形式阻抗的改动。这一阻抗实践上远比所示的探头模型杂乱，由于未经屏蔽的传输线（或天线），探头、手和电缆方位都会构成极大的影响。
假如您经过改动外形式阻抗剖析单端模型，就发现它会构成呼应的改动。此外，由于外形式阻抗也是共模呼应中的一个要素，因此该阻抗的改动也构成共模按捺的改动。接地衔接的阻抗越高，对呼应的影响就越大。
经过改动外形式阻抗剖析差分模型，可发现这一改动只引起呼应的很小改动。在探头放大器地上呈现的任何信号都会遭到放大器的共模按捺。因此，由探头、手和电缆方位引起的呼应改动可得到很大的衰减。
从上面的图4中可看到差分探头的呼应要比单端探头滑润得多。单端探头呼应中有许多由外形式阻抗的改动所构成的“扰动和歪曲”。当阻抗改动时，呼应也随之改动。探头电缆上的铁电磁珠能经过衰减和约束外形式信号减小外形式信号的改动量，然后缓解这一问题。它能减小探头、手和电缆方位构成的呼应改动。
物理尺度考虑
经过前面临差分探头和单端探头的比较，可看到不管是检测差分信号，仍是检测单端信号，差分探头在各方面的功用都优于单端探头。但有时仍可考虑运用单端探头。单端探头在许多丈量状况下能够供给可接受的成果，它价格低，由于探
头前端较为简略，因此体积也较小。从物理上考虑，小的探头能检测到狭隘的当地，和把多个探头接到十分密布的被测点。因此在一个勘探体系中，最好是既能作差分检测，又能作单端检测。
总结
由于地跳、串扰和EMI问题，电子职业正在用差分信号替代单端信号。关于在这一新范畴中运用的丈量设备，差分检测是必不可少的要求。由于差分探头中信号衔接间的有用地平面比单端探头中的大多数实践地衔接（非同轴）更为抱负，所以差分探头对单端信号的丈量比单端探头更好。新一代差分探头易于运用、功用高、价格低，您可用来检测差分信号和单端信号。
咱们写这篇文章的意图是，与您一同共享安捷伦科技的最新技能打破，若您正面临着高速数字规划丈量方面的应战，安捷伦最新推出的两款高功用示波器(6GHz带宽的54855A和4GHz带宽的54854A)以全新的技能站在了业界的最前沿，她的前沿性具体表现在以下几个方面：榜首，每个通道后边都选用一个20GSa/s 模数转换器，一方面能确保在四个通道一同运用时，每个通道都可完成20GSa/s的采样速率，而无需运用穿插收集的办法，用多个低速模数转换器凑成高采样速率，另一方面，在作颤动剖析等高档时序丈量时，精准性更高；第二，关于需求深存储器的场合，四个通道一同运用时，每个通道后边最多可供给32M的存储深度，为业界树立了新标准；第三，打破了多年来，探头衔接技能带给用户的困扰，将业界的差分探头技能由3.5GHz带宽提升到7GHz,合作示波器运用可真实完成6GHz的体系带宽，在探头技能方面的另一打破是，您可运用各式各样的前端附件，并且确保不献身探头的全体带宽，即便您运用10cm长的前端衔接，这对测验一些空间很狭小当地的测验点是很重要的。
若您想了解更具体的信息，可拜访 www.agilent.com/find/InfiniiMax ，并欢迎您和咱们联络并评论任何相关的问题。
术语表
带宽 – 频率呼应的起伏等于-3 db（0.707）处的频率。
共模成分 – 两信号持平的成分。
共模按捺 – 对供给输入1－输入2功用的电路，输入1和输入2的共模成分不发生输出。
差模成分 – 两信号巨细持平，极性相反的成分。
差分信号 – 运用两个导体的一种电子信号发生办法，一个导体上的信号与另一个导体上的信号巨细持平，极性相反。
频率呼应 – vo(s)/vi(s)，其间vo(s)是作为频率函数的输出信号，vi(s)是作为频率函数的输入信号。
半电路剖析 – 剖析对称电路的一种办法，对称线一边的一切电流和电压与另一边巨细持平，极性相反。可把对称线上的各结点连到一同，把它作为剖析中的公共结点或地结点。
外形式 – 在同轴线外导体上传输的信号。
外形式阻抗 – 同轴线外导体对大地或部分地（例如天线）的阻抗。
单端信号 – 运用一个信号导体和一个公共地导体的一种电子信号发生办法。一般公共地导体上没有信号，信号导体传输相对地导体的信号。
阶跃呼应 – 网络对抱负阶跃的呼应。抱负阶跃的上升时间为零。
叠加 – 在线性体系中，由多个独立的源鼓励发生的体系输出，能够经过把每个源独自鼓励发生的体系输出相加得到。
