在高速信號(hào)測(cè)試和測(cè)量領(lǐng)域，選擇合適探頭對(duì)獲取準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果至關(guān)重要。本文深入解析1GHz有源探頭和無(wú)源探頭的核心差異、應(yīng)用場(chǎng)景及實(shí)測(cè)性能對(duì)比，詳解面對(duì)高頻信號(hào)測(cè)量挑戰(zhàn)時(shí)，如何做出明智的選擇。

無(wú)源探頭vs無(wú)源探頭，差別在哪里？

1、工作原理

無(wú)源探頭：通常由一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓器網(wǎng)絡(luò)組成，包括電阻、電容和補(bǔ)償電容。它依賴于示波器的輸入阻抗來(lái)形成分壓比，從而降低信號(hào)幅度以適應(yīng)示波器的輸入范圍。無(wú)源探頭本身不包含有源器件（晶體管或放大器），因此不需為探頭供電；

有源探頭：內(nèi)部包含一個(gè)放大器，可以放大信號(hào)并抵消探頭本身引入的負(fù)載效應(yīng)，使得有源探頭可以提供更高的帶寬、更低的電容負(fù)載和更高的輸入阻抗。

2、主要區(qū)別

低阻無(wú)源探頭和有源探頭在示波器測(cè)試中的功能和適用范圍存在差異，區(qū)別在于輸入特性不同。

無(wú)源探頭：無(wú)信號(hào)放大電路，通過(guò)電阻分壓工作，適合測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)景；

有源探頭：配備放大電路，可以用于高頻信號(hào)測(cè)量，其輸入阻抗高，寄生參數(shù)小，對(duì)測(cè)量電路本身影響小，適合對(duì)測(cè)量結(jié)果精度要求高的場(chǎng)景。

對(duì)于有源探頭，其價(jià)格較無(wú)源探頭昂貴，需要供電，使用時(shí)需要注意避免過(guò)度壓縮電源電壓等問(wèn)題

3、關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

表1 探頭參數(shù)對(duì)比

實(shí)踐必知：何時(shí)選擇1GHz有源探頭？

1GHz有源探頭在以下場(chǎng)景中表現(xiàn)優(yōu)異：高輸入阻抗需求：有源探頭提供的高輸入阻抗可以最小化對(duì)被測(cè)電路的負(fù)載效應(yīng)，避免改變電路的工作狀態(tài)。低電容負(fù)載需求：對(duì)于高速、高阻抗電路，無(wú)源探頭的高電容負(fù)載可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)畸變和帶寬下降。有源探頭的低電容負(fù)載可以減少這種影響。需要高壓擺率的應(yīng)用：探頭的壓擺率就是探頭能夠多快地響應(yīng)電壓變化的速度，可以類比為彈簧的彈力，它反映了探頭對(duì)電壓變化的響應(yīng)速度。高壓擺率能確保探頭準(zhǔn)確捕捉快速變化的信號(hào)，避免測(cè)量失真。測(cè)量差分信號(hào)：一些有源探頭支持差分測(cè)量，可以更方便地測(cè)量差分信號(hào)，例如高速USB2.0數(shù)據(jù)信號(hào)。

實(shí)測(cè)見(jiàn)真章：兩種探頭性能對(duì)比

為比較兩種探頭的性能，我們進(jìn)行了掃頻測(cè)試：使用N5181A射頻信號(hào)發(fā)生器輸出1MHz至1GHz的對(duì)數(shù)頻率掃頻信號(hào)，通過(guò)同軸電纜連接到測(cè)試板上配置的50Ω端接電阻，將兩個(gè)探頭分別放置在電阻兩端進(jìn)行測(cè)量，模擬實(shí)際測(cè)量場(chǎng)景。

ZP2100無(wú)源探頭

ZAP1100有源探頭

測(cè)試結(jié)果揭示

1、波形質(zhì)量對(duì)比分析

在測(cè)試過(guò)程中，我們可以觀察到無(wú)源探頭在高頻段的性能表現(xiàn)較差。

無(wú)源探頭波形表現(xiàn)：在高頻部分出現(xiàn)明顯的幅頻特性波動(dòng)(圖1)，信號(hào)失真嚴(yán)重，主要由VSWR（電壓駐波比）較差引起的反射導(dǎo)致，表明無(wú)源探頭對(duì)高頻信號(hào)的響應(yīng)不夠理想。

有源探頭波形表現(xiàn)：整個(gè)頻率范圍內(nèi)波形平滑穩(wěn)定（圖2），高頻滾降更為平緩，整體上它能夠更好地保持原始信號(hào)的形狀和特征，顯示出更好的高頻特性，適合對(duì)精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合。

圖1 無(wú)源探頭示波器測(cè)試效果圖2 有源探頭示波器測(cè)試效果

2、負(fù)載效應(yīng)測(cè)量對(duì)比

除此之外，無(wú)源探頭較高頻段對(duì)電路的負(fù)載效應(yīng)較大。

網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試端口經(jīng)同軸電纜連接到測(cè)試板上，由50Ω電阻端接。在此端口測(cè)得的回波損耗參數(shù)，能夠反映阻抗匹配的良好程度。理想狀況下，50Ω端接的網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得回波損耗應(yīng)無(wú)限小。接入的探頭可視為并聯(lián)在50Ω電阻上的負(fù)載，會(huì)或多或少影響阻抗匹配。探頭的輸入阻抗越高，與50Ω電阻并聯(lián)后的阻值越接近50Ω，影響阻抗匹配程度越小。

無(wú)源探頭：200MHz以下回波損耗尚小于-13dB，但300MHz-1GHz，回波損耗迅速上升，劣化至-3dB（圖3）。

有源探頭：低頻段對(duì)電路影響非常小，700MHz處達(dá)峰值，仍有-12.5dB。與無(wú)源探頭相比，其對(duì)高頻電路的負(fù)載效應(yīng)小得多，能夠更準(zhǔn)確地保留被測(cè)信號(hào)的特性（圖4）。

圖3 無(wú)源探頭測(cè)試圖

圖4 有源探頭測(cè)試

總結(jié)

無(wú)源探頭帶寬會(huì)受到示波器帶寬的限制，當(dāng)1GHz無(wú)源探頭搭配1GHz示波器，實(shí)際帶寬會(huì)小于1GHz。相比之下，在需要高帶寬、高輸入阻抗和低電容負(fù)載的場(chǎng)合，有源探頭無(wú)疑是最佳選擇。致遠(yuǎn)儀器ZAP1100有源探頭與ZUS6104高精度示波器的組合設(shè)計(jì)，有效解決普通無(wú)源探頭在高頻測(cè)試中的帶寬損失問(wèn)題，提供更穩(wěn)定的帶寬性能，同時(shí)高輸入阻抗設(shè)計(jì)減少對(duì)被測(cè)電路的干擾，使高頻信號(hào)測(cè)試更加精準(zhǔn)高效，適合高帶寬和低電容負(fù)載的應(yīng)用場(chǎng)景。