使用极零相消的高动态范围探头制造技术

一种使用极零相消的高动态范围探头。本申请涉及一种示波器探头，所述示波器探头包括尖端网络、低损耗信号线缆(202)和端接组件。

High dynamic range probe with pole zero cancellation

【技术实现步骤摘要】
使用极零相消的高动态范围探头
技术介绍
示波器探头被用于将电信号从被测设备(DUT)传递到测量电信号的示波器的输入端。由于示波器探头的探头尖端与DUT有电连接，因此探头尖端处应当呈现高阻抗，以免加载被测量的电信号。包括示波器探头的系统的带宽应当大于正被测量的电信号，以便将电信号的准确表示传递给示波器。典型的示波器探头包括探头尖端组件、一定长度的探头线缆和包括连接器的端接组件。探头尖端组件连接到所述长度的探头线缆。所述长度的探头线缆然后连接到包括连接器的端接组件，以提供与示波器的电连接。为了允许用户方便地探测DUT，探头线缆的长度可以为几英尺。因此，随着测量带宽的增加，探头线缆可能是重要的损耗源。可以使用纵坐标(y)轴上的量值与横坐标(x)轴上的频率来绘制是示波器探头的传递函数能力的特性的频率响应。理想地，示波器探头的频率响应在示波器探头的带宽上是平坦的，并且示波器探头被设计成使频率响应的平坦度在其他目标中最大化。已知示波器探头的例子是图1A所示的无源电阻分压器示波器探头。在图1A中，无源电阻分压器示波器探头包括尖端电阻器101、线缆102和端接电阻器103。图1A中的无源电阻分压器示波器探头被布置成使得来自DUT的到探头尖端的输入V输入位于左侧并且到示波器的输出V输出位于右侧。线缆102的线缆特性阻抗Zo通常为50欧姆。为了利用最高带宽并获得最平坦的频率响应，端接电阻器103应当等于线缆特性阻抗Zo，并且这对尖端电阻器101设置了上限。对于10∶1无源电阻分压器探头，如果端接电阻器103具有50欧姆的电阻以匹配典型的线缆特性阻抗Zo，则尖端电阻器101的电阻将会等于450欧姆。然而，如果DUT的源极电阻高于约45欧姆，则尖端电阻器101的450欧姆电阻将使DUT开始负担过重，使得探头尖端处和端接电阻器103两端的到GND的寄生电容将限制带宽。开发图1B的有源极零相消探头是为了解决图1A中的无源电阻分压器示波器探头的限制。在图1B的有源极零相消探头中，有源极零相消探头包括尖端电阻器101、线缆102、端接电阻器103、尖端电容器104、反馈电阻器105、反馈电容器106和放大器107。术语“极零”相消是指在频率响应中相互抵消的极点和零点。通过解释，在如频率响应等传递函数中，极点是分母变为零的频率，并且零点是分子变为零的频率。在图1B中，当以下文所描述的方式设定电阻器和电容器的值时，反馈极点抵消尖端零点，并且因此，图1B的探头具有有效的极零相消。更具体地，尖端电阻器101和尖端电容器104在探头频率响应中设定零点，并且反馈电阻器105和反馈电容器106的值被选择为在探头频率响应中形成等于或以其他方式偏移探头频率响应中的零点的极点。偏移有效地使探头频率响应在由极点和零点限定的频率区域中变平坦。作为进一步的解释，图1B的有源极零相消探头中的尖端网络具有与尖端电容器104并联的尖端电阻器101。尖端电容器104通过在频率增加时从DUT拉出更多电流来消去探头尖端处到GND的寄生电容的作用，并且这在输入电流I输入中产生了s平面尖端零点。图1B的有源极零相消探头的I输入由方程式(1)设定如下：在方程式(1)中，I输入是到线缆102的电流或所述线缆中的电流、C尖端是尖端电容器104的电容并且R尖端是尖端电阻器101的电阻。I输入沿线缆102向下行进并且端接于端接电阻器103中。放大器107被配置为求和点放大器并且迫使I输入流入反馈网络中，所述反馈网络包括反馈电阻器105和与反馈电阻器105并联的反馈电容器106。放大器107的求和点是放大器107的反相输入端处或直接连接到所述放大器的反相输入端的节点，所述节点由减号(-)符号表示。在图1B的有源极零相消探头中，I输入流入反馈电阻器105的反馈网络中，并且反馈电容器106将反馈极点引入V输出的s平面表达式，如如下方程式(2)所表达的：在方程式(2)中，I输入是到线缆102的电流或所述线缆中的电流、R反馈是反馈电阻器105的电阻并且C反馈是反馈电容器106的电容。将方程式(1)代入方程式(2)给出如下方程式(3)：在方程式(3)中，R反馈是反馈电阻器105的电阻、C反馈是反馈电容器106的电容、C尖端是尖端电容器104的电容并且R尖端是尖端电阻器101的电阻。如果C反馈R反馈＝C尖端R尖端，则反馈极点抵消尖端零点，并且方程式(3)简化为如下方程式(4)：如果图1B的有源极零相消探头是10∶1分压器探头，则其将具有R尖端＝10R反馈并且C反馈＝10C尖端。结果，典型高阻抗探头的电阻R尖端可能是几兆欧姆，并且电容C尖端可能是几皮法。这种高阻抗探头在动态范围内受到限制，因为随着V输入变大，回转电流I输入变大。放大器107具有有限转换速率，所述有限转换速率是放大器107可以响应输入电平的突然变化的最大速率。在放大器107的有限转换速率对I输入设置上限的情况下，放大器107吸收I输入。引入如图2(下面所描述的)所示的拓扑等拓扑以使用简单的端接衰减器增加V输入的容许振幅，但是图2的拓扑中的简单端接衰减器则产生了不可接受的低频率放大器噪声增益。附图说明当与附图一起阅读时，说明性实施方案从以下详细描述中得到最好的理解。应强调的是，各种特征不一定按比例绘制。实际上，为了清楚讨论，可以任意地增大或减小尺寸。只要适用和实用，在整个附图和书面描述中相同的附图标记指代相同的元件。图1A展示了已知的无源电阻分压器探头。图1B展示了已知的有源极零相消探头。图2展示了根据代表性实施方案的具有简单端接衰减器的有源极零示波器探头。图3展示了根据代表性实施方案的具有AC耦合端接衰减器的有源极零示波器探头。图4展示了图3的具有AC耦合端接衰减器的有源极零示波器探头的简化低频模型。图5展示了图3的具有AC耦合端接衰减器的有源极零示波器探头的另一个简化低频模型。图6展示了根据另一个代表性实施方案的具有可切换衰减的有源极零示波器探头。图7展示了根据代表性实施方案的其上指示有断点依赖性的探头频率响应量值。图8展示了根据另一个代表性实施方案的具有频率响应平坦度微调的高动态范围有源极零示波器探头。
技术实现思路
本申请包括以下实施方案：1.一种示波器探头，其包括：连接到低损耗信号线缆的尖端网络，所述尖端网络包括第一电阻器和与所述第一电阻器并联的第一电容器并且被配置成经由在所述第一电阻器与所述第一电容器之间的尖端网络节点电连接到被测设备；所述低损耗信号线缆；以及端接组件，所述端接组件包括：放大器，所述放大器具有反相输入端、连接到地的非反相输入端和被配置成连接到示波器输入端的放大器输出端，反馈网络，所述反馈网络包括第二电阻器和与所述第二电阻器并联的第二电容器并且连接在所述反相输入端与所述放大器输出端之间，以及端接衰减器，所述端接衰减器包括：第一回路电路，所述第一回路电路在所述低损耗信号线缆与所述放大器的所述反相输入端之间并且包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种示波器探头，其包括：连接到低损耗信号线缆(202)的尖端网络，所述尖端网络包括第一电阻器(201)和与所述第一电阻器(201)并联的第一电容器(204)并且被配置成经由在所述第一电阻器(201)与所述第一电容器(204)之间的尖端网络节点电连接到被测设备；/n所述低损耗信号线缆(202)；以及/n端接组件，所述端接组件包括：/n放大器(207)，所述放大器具有反相输入端、连接到地的非反相输入端和被配置成连接到示波器输入端的放大器(207)输出端，/n反馈网络，所述反馈网络包括第二电阻器(205)和与所述第二电阻器(205)并联的第二电容器(206)并且连接在所述反相输入端与所述放大器(207)输出端之间，以及/n端接衰减器，所述端接衰减器包括：/n第一回路电路，所述第一回路电路在所述低损耗信号线缆(202)与所述放大器(207)的所述反相输入端之间并且包括第一端接电阻器(218)和与所述第一端接电阻器(218)串联的第一端接电容器以及与所述第一端接电阻器(218)和所述第一端接电容器并联的第一直流耦合电阻器；以及/n第二回路电路，所述第二回路电路在所述低损耗信号线缆(202)与地之间并且/n包括第二端接电阻器(219)和与所述第二端接电阻器(219)串联的第二端接电容器(292)以及与所述第二端接电阻器(219)和所述第二端接电容器并联的第二直流耦合电阻器，其中，选择所述第一端接电阻器(218)和所述第二端接电阻器(219)的电阻以匹配所述低损耗信号线缆(202)的线缆特性阻抗Zo。/n...

【技术特征摘要】
20180926 US 16/142,8861.一种示波器探头，其包括：连接到低损耗信号线缆(202)的尖端网络，所述尖端网络包括第一电阻器(201)和与所述第一电阻器(201)并联的第一电容器(204)并且被配置成经由在所述第一电阻器(201)与所述第一电容器(204)之间的尖端网络节点电连接到被测设备；
所述低损耗信号线缆(202)；以及
端接组件，所述端接组件包括：
放大器(207)，所述放大器具有反相输入端、连接到地的非反相输入端和被配置成连接到示波器输入端的放大器(207)输出端，
反馈网络，所述反馈网络包括第二电阻器(205)和与所述第二电阻器(205)并联的第二电容器(206)并且连接在所述反相输入端与所述放大器(207)输出端之间，以及
端接衰减器，所述端接衰减器包括：
第一回路电路，所述第一回路电路在所述低损耗信号线缆(202)与所述放大器(207)的所述反相输入端之间并且包括第一端接电阻器(218)和与所述第一端接电阻器(218)串联的第一端接电容器以及与所述第一端接电阻器(218)和所述第一端接电容器并联的第一直流耦合电阻器；以及
第二回路电路，所述第二回路电路在所述低损耗信号线缆(202)与地之间并且
包括第二端接电阻器(219)和与所述第二端接电阻器(219)串联的第二端接电容器(292)以及与所述第二端接电阻器(219)和所述第二端接电容器并联的第二直流耦合电阻器，其中，选择所述第一端接电阻器(218)和所述第二端接电阻器(219)的电阻以匹配所述低损耗信号线缆(202)的线缆特性阻抗Zo。


2.权利要求1的示波器探头，其中所述第一直流耦合电阻器(283)和所述第二直流耦合电阻器(293)的电阻高于所述第一端接电阻器(218)和所述第二端接电阻器(219)的电阻并且被选择为降低所述放大器(207)的低频率噪声增益。


3.权利要求1的示波器探头，
其中所述示波器探头的衰减是可经由寄存器动态地选择的，所述寄存器可通过串行编程接口访问并且被配置成控制所述第二电阻器(205)和所述第二电容器(206)的电子微调。


4.权利要求1的示波器探头，
其中所述第一端接电容器(282)、所述第二端接电容器(292)、所述第一端接电阻器(218)和所述第二端接电阻器(219)被设置为在频率低于1/线缆时延时端接所述低损耗信号线缆(202)。


5.权利要求1的示波器探头，
其中由所述第一电阻器(201)、所述第一电容器(204)、所述低损耗信号线缆(202)的线缆电容、所述第一端接电容器(282)、所述第二端接电容器(292)、所述第一直流耦合电阻器(283)和所述第二直流耦合电阻器(293)产生探头频率响应，并且
其中所述第一端接电容器(282)、所述第二端接电容器(292)、所述第一直流耦合电阻器(283)和所述第二直流耦合电阻器(293)的值在所述探头频率响应中产生零点并且被选择为抵消所述探头频率响应中的极点以...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·J·卢扬，M·T·麦克蒂格，
申请(专利权)人：是德科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US