在電子測量領域，精確地獲取電路中電信號的波形對于分析電路的工作狀態(tài)、驗證設計思路以及排查故障至關重要。示波器是波形測量中最常用的儀器，通常會搭配不同類型的探頭使用。其中，差分探頭和無源探頭是比較常見的兩種類型。然而，在實際測量中，常常出現(xiàn)這兩種探頭測量同一信號時波形不一致的情況，這給工程師們帶來了諸多困擾。接下來，我們將深入探討這一現(xiàn)象背后的原因。

一、工作原理的差異

無源探頭是示波器探頭中較為基礎且常用的類型。它的工作原理基于簡單的電阻電容分壓網(wǎng)絡，通常采用10:1 的衰減比例，即將輸入信號衰減為原來的十分之一后傳輸給示波器。無源探頭的輸入阻抗較高，一般為 10MΩ，能夠有效減少對被測電路的負載效應。在低頻信號測量（通常頻率低于 500MHz）時，無源探頭能夠較好地還原信號波形，具有成本低、結(jié)構簡單、堅固耐用等優(yōu)點。

差分探頭則采用了更為復雜的差分放大原理。它具備正負兩個輸入通道，通過差分放大器對兩個輸入信號的差值進行放大處理。這種設計使得差分探頭能夠有效抑制共模干擾信號，具有較高的共模抑制比（CMRR），一般可達 80dB 以上。差分探頭適合測量那些不能以地為參考的信號，例如在功率電子領域中，測量三相逆變器母線電壓等浮地系統(tǒng)的信號。

二、測量環(huán)境的影響

在一些復雜的電磁環(huán)境中，例如存在大量開關電源、電機等干擾源的場合，無源探頭由于其單端輸入結(jié)構，容易受到外界電磁干擾的影響。較長的接地線在高頻環(huán)境下會形成天線效應，耦合進噪聲信號，從而導致測量波形出現(xiàn)雜散的毛刺或失真。例如，在測量開關電源的輸出紋波時，如果無源探頭的接地線過長，就可能會拾取到開關電源自身的高頻開關噪聲，使得測量得到的紋波波形上疊加大量無規(guī)律的尖峰噪聲。

盡管差分探頭對共模干擾有較強的抑制能力，但在面對過大的共模電壓變化速率（dv/dt）時，其共模抑制比會下降。當測量一些高速功率器件（如碳化硅 MOSFET）的驅(qū)動信號時，由于其開關速度極快，dv/dt 可達 100V/ns 甚至更高，此時差分探頭可能無法完全抑制共模干擾，導致測量波形出現(xiàn)幅度偏差或形狀畸變。有工程師在測量碳化硅 MOSFET 的驅(qū)動電壓時，使用差分探頭得到的波形在開關瞬間出現(xiàn)了明顯的過沖和振蕩，與理論波形相差較大。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，這是由于共模電壓變化速率過大，超出了差分探頭的共模抑制能力范圍。

三、探頭參數(shù)特性的差異

無源探頭的帶寬相對有限，一般常見的無源探頭帶寬在500MHz 以下。當測量高頻信號時，由于其自身的頻率響應特性，會對信號的高頻分量產(chǎn)生衰減，導致測量波形的上升沿變緩、幅度下降。例如，使用 500MHz 的無源探頭測量一個上升時間為 530ps 的信號，即使不考慮示波器的帶寬影響，經(jīng)過探頭后的信號上升時間也會變?yōu)?860ps，波形失真明顯。

差分探頭的帶寬范圍則較為廣泛，從幾十MHz 到數(shù) GHz 都有。但是不同帶寬的差分探頭在測量同一信號時也可能出現(xiàn)差異。帶寬較低的差分探頭在測量高頻信號時，同樣會面臨高頻分量丟失的問題；而帶寬過高的差分探頭在測量低頻信號時，可能會引入更多的噪聲，因為其對低頻信號的濾波效果相對較弱。此外，差分探頭的輸入阻抗和輸入電容等參數(shù)也會影響測量結(jié)果。如果輸入阻抗與被測電路不匹配，會導致信號反射，造成波形畸變；輸入電容過大則會對被測電路產(chǎn)生較大的負載效應，改變原信號的特性。

四、探頭使用方法的不當

無源探頭在使用時需要進行正確的補償調(diào)節(jié)。其連接示波器的一端通常有一個可調(diào)電容，通過調(diào)整該電容，使探頭的高頻響應與示波器的輸入特性相匹配，從而保證在不同頻率下都能準確測量信號。如果補償調(diào)節(jié)不當，在測量方波信號時，會出現(xiàn)過沖或下沖的現(xiàn)象，測量其他復雜波形時，也會導致幅度和相位的測量誤差。例如，在示波器提供的低頻方波校準信號下，若未將無源探頭的補償電容調(diào)整到合適值，測量得到的方波可能會出現(xiàn)頂部或底部的圓角，或者出現(xiàn)明顯的振鈴現(xiàn)象。

差分探頭在使用時，兩根測量線的布線方式也會影響測量結(jié)果。如果兩根測量線未進行雙絞，在測量高壓、高速信號時，它們會像天線一樣接收外界的磁場信號，尤其是在測量SiC MOSFET 等開關速度快、電流變化速率大的器件時，測量線周圍的磁場變化會在測量線中感應出干擾信號，影響測量波形的準確性。將差分探頭的兩根測量線進行雙絞后，驅(qū)動電壓波形的震蕩幅度明顯降低，測量結(jié)果更加接近真實值。

五、總結(jié)

差分探頭和無源探頭測量波形不一致是由多種因素共同作用的結(jié)果。工程師在實際測量過程中，需要充分了解兩種探頭的特性，根據(jù)測量需求和環(huán)境選擇合適的探頭，并正確使用和設置探頭參數(shù)。必要時還需對測量結(jié)果進行綜合分析和驗證，以確保獲取到準確可靠的信號波形，為電路設計和分析提供有力支持。

審核編輯 黃宇