频率达数千兆赫兹的信号能被高保真地捕获检测吗？
假设你要测验的是数千兆赫的信号，那么挑选适宜的测验探头并保证你的印制电路板适宜这些探头或许就像挑选适宜的示波器相同重要。实践上，你对探头的挑选或许决议了你对示波器的挑选。
假设你的信号乃至在抵达你新的 6 GHz 带宽实时采样数字示波器的输入放大器之前就已失真得无法辨认，则你地点公司的管理部门就会断语：在示波器花大约 6 万美元去买一台示波器来做测验实在是一个馊主意。在你引荐购买这样一台示波器之前，你本应该处理有关怎么将信号输入到示波器的一些扎手问题。假设你未做这样的根底作业，那么曩昔与你同事的人很或许会记住你便是那个出馊主意的人。简而言之，要成功地捕获到频率高至 5 GHz 和超越5GHz的信号要比勘探频率较低的信号扎手得多。
对信号勘探的忽略或许会使你有必要从头进行高速印制电路板的地图规划。元件不断小型化，引线间隔日益缩小，低压差分技能愈来愈多地用来完成更高速率的数字数据传输，这一切都要求你从电路板规划开端，就要把信号勘探紧记心上。假设你不这样做，就或许要付出代价，损失你的项目乃至会丢掉你的作业。
走运的是，示波器制作商已敏锐地知道到了信号勘探的重要性和越来越大的难度。他们规划和出产的新式探头的运用方针便是减轻那些有必要检查数千兆赫信号的电路板规划师的担负，不过担负的减轻会伴跟着昂扬的本钱：即带宽为5GHz或6GHz的差分有源探头，一套四件的价格一般要到达不带探头的整个 6 GHz 带宽示波器的将近一半。而假设你添加高端示波器常用的许多选件中的任何一件，并且订货的是顺便有四个宽带差分探头的高端示波器，则你的收购费用总额或许要超越 10 万美元。
差分的不同
勘探宽带差分信号实践上有必要运用有源差分探头（参考文献 1）。在较低频率下，运用单端探头来获取一对对通道上两个信号之差证明是可行的，但在较高频率下，这种方规律简直注定要失利。除非你把单端探头的地线长度约束在几毫米之内，不然，流过地线电感的适当大的高频电流就会导致适当大的沟通压降，然后使信号失真到不能运用的毫无意义的程度。获取一对单端探头的输出之差简直无望抢救这种局势。地线连线的沟通压降和示波器通道的高频特性都不或许适当地加以匹配。别的，这种办法要用2个示波器通道才干取得一路差分信号，然后就把你的四通道示波器实践上降为双通道示波器了。
宽带差分探头可扫除或大大减轻这些问题。考虑到相关的频率，这种探头的 CMRR （共模抑制比）好得惊人，在数千兆赫的信号下一般超越 26 dB (CMRR为20:1)。再则，这种探头的两条信号连线一般已够用，因而，你无需再用另一根连线将探头接地衔接到你的电路接地上。当你的确需求这样一根连线时，它传送的电流一般满足小，使该连线长度一般可放宽到超越一英寸长，并且不需求不便利的几许形状，换句话说，这根连线不用是一块又宽又平的金属片连线。
差分探头的首要缺陷在于它们的尺度和本钱都比单端探头稍大一些。有几种宽带差分探头有一个或许出其不意的长处，便是当你把它们用于单端勘探时，你能够不用衔接其间的一个输入，不需求把它接地或以其它办法端接之。
电阻值是微妙地点
运用带宽超越约 3 GHz 的示波器带来的问题是，此类仪器一般不把较窄带宽示波器的1MΩ输入阻抗（实践上便是并行 R-C 输入电路的电阻重量）作为规范功能来供给。宽带示波器具有一个纯电阻性的50Ω输入阻抗。那些具有1MΩ输入阻抗的宽带示波器可经过一些与示波器的宽带输入衔接器配对的适配器选件来做到这一点。设备这些适配器一般会使示波器带宽削减到 500 MHz。一些带宽为 3 GHz 以下的示波器可使你在 50Ω和1MΩ两种内部输入电路之间切换，在输入阻抗为1MΩ时带宽仍然是 500 MHz。3 GHz 带宽极限是多条扑朔迷离信号途径带来的结果，由于多条扑朔迷离的信号途径必定要进行阻抗切换。这些信号途径使人们不能如实地取得频率超越 3 GHz 的、包括很大能量的信号。
在许多的宽带示波器运用中，50Ω 输入阻抗使人们有必要运用某种探头。在许多此类运用中，一般会运用无源衰减器探头。这样的探头一直是单端探头。超宽带无源探头一般具有 500Ω 的直流输入电阻和1/10 的信号衰减，或许具有1000Ω直流输入电阻 （和1/20 的衰减）。
一个要害参数是探头的输入电容。最好的宽带无源探头的输入电容小于0.25pF 。在频率到达6GHz 时，这一电容的电抗略高于100Ω。这一电抗是与500Ω或1000Ω电阻并联的，然后就大多数用处而言，可将它忽略不计，但有或许导致与你为了协助探头及其地线衔接到测验点而添加的某些引线的电感发生串联谐振。在一些宽带有源探头中，输入电容并不独自与探头的输入电阻并联。这一特色代表了某些有源宽带探头的另一个优势。
不同的理念
现在，国际三家首要的宽带数字示波器制作商–安捷伦 (Agilent)公司、LeCroy公司和泰克 (Tektronix) 公司，不只制作示波器也供给探头。这三家公司都把示波器和探头的组合看作是一个体系。尽管你有时候能够把一家制作商出产的宽带探头，与另一家制作商出产的示波器一同运用，但这种组合简直总是形成功能的折衷和操作不便利。假设你运用的探头是制作商为了与你的示波器配套运用而规划的，那么这些问题就不会发生。例如，尽管首要的模拟信号接线能够运用兼容的衔接器，但那些能使示波器为探头供电并把衰减比率等辅佐信息从探头传送到示波器的衔接器在不同制作商的产品之间一般是不兼容的。
由于这些制作商最近选用了显着不同的宽带探头规划理念，因而，假设有人说你对探头的挑选或许决议了你对示波器的挑选，这未必是夸大其词或许是舍本求末。近来，最严重的开展便是安捷伦公司和 LeCroy 公司知道到，规划具有高速体系规划师需求的一切特点的有源探头，需求对探头的输入电容和信号源与探头输入端之间的连线电感之间发生的谐振进行电阻性阻尼。阻尼电阻有必要挨近信号源；假设你像一些探头规划现已尝试过的那样，把阻尼电阻放在离探头体最近的连线一端，那么你就无法完成预期的优点。
这一知道连同其它许多规划要求，导致安捷伦公司规划了 InfiniiMax 探头系列（图 1）。这些探头均把一个细小的无源阻尼电阻器和电阻分压器放置在间隔信号源几毫米的规模内，并运用几英寸长的柔性同轴电缆把这套微型组件衔接到探头体的有源电路上。泰克公司坚持说，安捷伦公司并没有立异宽带探头中的电阻阻尼，而泰克公司现已运用该技能多年了。安捷伦公司辩驳说，泰克公司并没有一直把阻尼电阻器放在信号源邻近，并且至少到现在，该公司仍是不愿意把阻尼电阻器与探头体分隔。据安捷伦公司说，由此发生的单件式规划迫运用户努力使探头体十分挨近测验点，以至于探头无法习惯，尤其是在探头有必要触摸间隔很近的引脚上的差分信号时更是如此。
图1 安捷伦公司的InfiniiMax探头有各种构置办法（从上到下）：差分阅读器、差分焊合、差分插座、单端焊合、单端阅读器。探头本体（此处没有显现）与相片右侧的衔接器匹配，包括探头放大器。该放大器为同轴电缆右手端供给来自勘探头（左手远端）的Z0端接。一切的探头办法中，勘探头中的衰减器为同轴电缆左手端供给Z1端接。
泰克公司最新的差分有源探头是带宽为5 GHz的P7350，它经过有源电子元件的极点小型化处理了这个问题（图 2）。关于包括如此杂乱的电子元件的部件来说，这种探头的体积小得令人吃惊，即使是这种探头规划就象安捷伦的 InfiniiMax 探头相同，触摸测验点的部分和包括放大器的部分之间也不答应存在几英寸长的柔性电缆衔接。
图2 泰克公司的5GHz带宽97350差分探头把有源器材置放在挨近勘探头顶尖的当地，并且仍坚持勘探头做得十分小。两个探针的中心仅为0.1英寸，右上所示长方形衔接器用于该公司的TekConnect体系，此体系为示波器供给辅佐信息，如探头的衰减量。
探针办法
用过传统窄带示波器探头–乃至是无源探头–的人都很了解阅读器装备，这种阅读器装备可用来敏捷触摸并调查许多信号。人们向来一边手握探头一边阅读，可是，现在你有必要勘探的高速元件的细小几许结构要求用比人手更安稳的设备来夹持探头。现在，电气工程师们阅读时，探头一般是设备在小型操纵器或支架上的（图 3）。
图3 LeCory公司的WaveLink探头体系，包括一个7GHz带宽的器材，当将它与该公司的6GHz示波器一块运用时，此带宽已满足运用，WaveLink探头为示波屏供给6GHz带宽。姆指旋转调理探针间隔，规模为0~0.3英寸。展现的探头设备在一个支架上，该支架为勘探间隔附近的细间隔PC板印制线供给有必要的安稳度。
插头直接焊接到被测印制电路板上或许插到电路板插座里的探头是较新的研制作用。假设你能够辨认你将常常衔接的数量有限的信号，并且你的探头运用串联阻尼电阻器和衰减器来驱动电路板和探头体内放大器之间的连线，则这些装备就特别便利。
除了与超高速电路板树立多条结实的连线之外，这些办法还把探头的输入电容降到了最低程度。当然，你的电路板有必要包括与探头插头焊接的焊盘或与探头插头配对的插座。别的，电路板的电路规划不只有必要预期到把信号从实在的信号源（一般是%&&&&&%的引脚）传送到焊盘或插座的印制线的驱动要求，并且至少关于带有插座的电路板来说，还有必要预期到由未端接的短截线引起的反射所带来的种种问题。假设你想在不刺进探头的情况下运用电路板，这些短截线或许是个问题。
LeCroy 公司的最新差分有源探头系列– WaveLink 系列，其间有一种探头具有 7 GHz 额外带宽–侧重于阅读。拇指轮使你能将镍钛合金探针之间的间隔在零英寸（探头触摸）和 0.3 英寸之间调理。这一间隔调定之后，你能够扭动或曲折这些探针，不用忧虑它们会损坏或永久变形。与这种规划比较，泰克公司的 P7350 的探针间隔是固定不变的。LeCroy 公司说，WaveLink 探头的机械与电气体系结构有利于添加不同探针办法的规划，此类探头很或许将在 2003 年年内问世。
更低的输入电阻
在规划 WaveLink 探头时，LeCroy 做了一个不同寻常的决议，使输入阻抗的电阻重量适当低–正相输入端和反相输入端之间的额外电阻是 4kΩ。由于这个电阻值比安捷伦公司和泰克公司的差分探头的输入电阻值小得多，因而你或许会以为它太小了。可是请记住，在频率仅为 159 MHz 时，仅为 0.25 pF 的输入电容–在没有串联阻抗的情况下–也会使一个 4kΩ电抗与 4kΩ输入电阻并联，并使输入阻抗降低到 2.8kΩ。在没有电阻或电感与输入电容串联的情况下，输入阻抗的电抗成分在频率每添加一倍时都会折半。因而，在探头通带的五个以上倍频程规模内，即使是 4kΩ那样小的电阻也会成为学术上的大事。
除了使输入阻抗在更宽的频带内比更高的电阻更挨近稳定不变以外，低输入电阻还答应你在探头的输入放大器前面刺进较小的衰减值，然后改进探头的 SNR。与具有较高输入电阻的探头比较，较低的 SNR 可使添加到小振幅信号（比如在高速差分信号传送中常见的小振幅信号）的颤动较小，因而可进步颤动丈量的准确度。你或许会以为，低输入电阻会使 WaveLink 探头比那些具有较高输入电阻的探头更简单受到过压的损坏，但 LeCroy 公司说，Wavelink探头并没有因无意中加上 25V 直流电压而损坏。
当安捷伦公司推出 InfiniiMax 探头时，该公司在表达这些探头的输入电容的办法上出了问题。或许大到 0.7 pF的输入电容值，取决于探头是单端的仍是差分的,也取决于探头的实践办法。由于数据表中没有包括等效电路，你就会很简单得出过错定论，即0.7 pF的输入电容并联在探头的输入端上，就像大多数示波器和探头的输入电容那样。要是真是这样，那么在 6 GHz 时，输入阻抗将首要由略低于 38Ω的容抗构成。
可是，与一般探头的输入电容不同的是，InfiniiMax 探头的输入电容并不独自并联在探头的输入端上。图 4 的简化等效电路标明有一个大约 200Ω的电阻器 R1与输入电容串联。在插座装备和焊入式装备中，这一电阻器存在于与被测件上的勘探点触摸的小小组件中。这一串联电阻器不只设定了探头输入阻抗的下限，并且还对串联电感和把勘探点衔接到输入衰减器的连线上的分布电容之间不可避免的谐振进行了阻尼。衰减器维护探头的输入放大器，并且与连到放大器（它驻留在探头体内）的同轴电缆的 Z0（特性阻抗）匹配。放大器的输入阻抗也是 Z0，因而同轴电缆的两头可衔接适宜的负载，然后可用几英寸长的柔性电缆把勘探点与探头体分隔。事实上，假设电缆没有介电损耗的话，这根电缆能够长到英寸，介电损耗在数千兆赫以上时会变得很重要。
图4 各种结构的安捷伦InfiniiMax探头（图1所示）有不同的电气特性，但规矩的输入%&&&&&%量从不直接呈现跨接输入的现象。阻尼电阻器R1总是选用串联办法。
探头和被测件之间的相互作用是不可避免的。可是，假设因衔接探头而改变了信号的性质，那么，当没有探头给信号源加载时，你怎么确认信号在正常作业中是什么容貌？答案便是你有必要运用建模，并且逆向作业。有了探头及其驱动电路的杰出模型，你就能够用数学办法来揣度在驱动信号源未加载时的波形。
假设制作商供给一个十分具体的探头电路模型，则推导信号源的未加载波形或许是一种纯数学实践。不过，有些探头制作商还供给特性描绘设备来协助从事信号完整性工程师，由于这些工程师一般对探头特性描绘有特别的要求。信号完整性工程师把这些设备与向量网络分析仪等仪器合作运用，以构建自己的探头模型。LeCroy 公司的特性描绘设备是随 WaveLink 探头免费供给的。
此外，探头制作商们关于他们是否应该独自对探头的加载作用和传输作用进行特性描绘争辩不休。对立独自特性描绘的论据是，假设你在没有对信号源加载的情况下调查不到信号源的输出波形，那么你想知道的仅仅是探头的输入波形和输出波形。拥护独自特性描绘的论据是，加载作用取决于信号源的特性，尤其是信号源的内部阻抗，这是信号源的特点而不是探头的特点。假设你把与信号源有关的作用和与探头有关的作用相提并论，那就弄不清被测件的实在特性。
另一场十分类似的争辩则与示波器和探头的组合特性有关（参考文献 2）。不幸的是，你不能运用那些适用于窄带示波器和探头的规矩来确认超宽带示波器和探头的归纳上升时间和带宽。超宽带示波器和探头的，式中 TR 是示波器加上探头的上升时间的 10~90%，TS 是示波器的上升时间，TP 是探头的上升时间。例如，安捷伦公司说，其6GHz 带宽 Infiniium 示波器的上升时间的 10~90% 是 70 ps，并且，在没有示波器的情况下，用来与该示波器配套运用的 InfiniiMax 探头具有大于7GHz的带宽。这两种带宽都是在 -3dB 点。不过，当你把探头衔接到示波器时，从探头探针到屏幕的带宽仍然是 6 GHz。据估测，没有带探头的示波器的带宽稍大于 6 GHz，经过探头送来的信号的上升时间由示波器显现出来，则略大于 70 ps。当然，不管有没有探头，你都有必要运用一个上升时间远小于 70 ps的信号来丈量示波器的上升时间。该信号还有必要没有或简直没有过冲。可是，这样的信号源是很难找到的。
衔接器：苦楚地点
窄带示波器运用 BNC 同轴衔接器。这类衔接器处处都有，其卡口式衔接使它们在配对运用时很牢靠，并且配对运用仍是拆开运用都很便利。不过，规范 BNC 在信号频率超越大约 4 GHz 时就不牢靠了。问题在于，在重复插拔的情况下，面板设备的 BNC 中的绷簧销或许会失掉部分弹力，并发生高电阻屏蔽衔接，这种衔接的特性会跟着你摇摆电缆或插拔衔接器而改变。在频率为 4~26.5 GHz 时，契合工业规范的同轴衔接器是 SMA，它拔尖的牢靠性归功于它运用压下罩作为确定设备。
LeCroy 公司和泰克电子公司都在各自的超宽带实时采样数字示波器上运用模块化输入衔接器体系。这些供给 SMA 接口的模块之所以最受欢迎，是由于它们使人们能够充沛运用示波器的 6 GHz 带宽。这两家公司还供给 BNC 模块。你能够买到的这类模块，其内部网络把示波器的 50Ω输入阻抗转换成 1 MΩ。不过，转换到较高的输入阻抗会使带宽降低到 500 MHz。
安捷伦公司在其6GHz带宽 Infin-iium 示波器中运用的是另一种办法。输入衔接器是与BNC兼容的，但并不是真实的 BNC（图 5）。它是一种首创的17.9 GHz专有衔接器，选用空气介质和一种确定组织。这种确定组织可与 BNC 配套运用，但也习惯既用卡口式衔接又用螺丝锁的专有配对衔接器。一旦这种螺丝组织把电缆设备的和面板设备的配对衔接器的各一半锁在一同，你就无法使配对衔接器的各一半相对移动了。因而，这种规划消除了惯例 BNC 在高频率下作业不牢靠的首要原因。
图5 在示波器端，安捷伦的InfiniiMax探头运用一种特别的BNC兼容衔接器，其功能规矩为17.9GHz。在实践运用中不需求6GHz示波器的全带宽，示波器采用规范的BNC带宽。将BNC的卡口锁与螺口锁相结合，这种新的衔接器克服了规范BNC的高频不安稳性的首要来历。
关于安捷伦公司的有些示波器客户来说，这种衔接器很或许会比 SMA 更好。安捷伦公司提到了它供给的许多装备 BNC 的附件。许多 6GHz 频段的示波器的潜在客户现已将这些附件与带宽较窄的安捷伦示波器一同运用。尽管这些附件上的 BNC 都能够与新式示波器的输入衔接器配对运用，但新式示波器与此类附件中的许多附件一同运用时都不能正常作业，或底子不能作业。其原因在于，除了电缆之外，许多附件是用来驱动1MΩ输入的，因而不能驱动6GHz 示波器的50Ω输入。电缆尽管能够运用，但却不能牢靠地使人们充沛运用示波器的整个带宽。不过，安捷伦公司说，假设有满足多的客户需求的话，它将供给一种1MΩ的适配器。
