1．探头的寄生参数

大部分人会比较关注示波器本身的使用，却忽略了探头的选择。实际上，探头是介于被测信号和示波器之间的中间环节，如果信号在探头处就已经失真了，那么示波器做得再好也没有用。图5.2是一个例子，通常的500MHz的无源探头本身的上升时间约为700ps，通过这个探头测试一个上升时间为530ps的信号，即使不考虑示波器带宽的影响，经过探头后信号的上升时间已经变成了860ps。因此，探头对于测量的影响是不能忽略不计的。

对于高斯频响的示波器和探头，探头和示波器组成的测量系统的带宽通常可以用以下公式计算：

而对于平坦响应的示波器和探头来说，其组成的测量系统的带宽取决于带宽最小的那部分。由此可见，探头以及连接方式对于测试系统的影响是很大的。

实际上，探头的设计要比示波器难得多，因为示波器内部可以做很好的屏蔽，也不需要频繁拆卸，而探头除了要满足探测的方便性的要求以外，还要保证至少和示波器一样的带宽，难度要大得多。回顾示波器的发展历史，很多当时高带宽的实时示波器在刚出现时是没有相应带宽的探头的，通常要迟一段时间相应带宽的探头才会推出。

要选择合适的探头，首要的一点是要了解探头对测试的影响，这其中包括两部分的含义：探头对被测电路的影响以及探头本身造成的信号失真。理想的探头应该是对被测电路没有任何影响，同时对信号没有任何失真的。遗憾的是，没有真正的探头能同时满足这两个条件，通常都需要在这两个参数间做一些折中。

为了考量探头对测量的影响，通常可以把探头的输入电路简单等效为如图5.3所示的R、L、C的模型（实际上的模型比这个要复杂得多），测试时需要把这个模型与被测电路放在一起分析。

首先，探头本身有输入电阻。与万用表测电压的原理一样，为了尽可能减少对被测电路的影响，要求探头本身的输入电阻Rprobe要尽可能大。但由于Rprobe不可能做到无穷大，所以就会与被测电路产生分压，使得实际测到的电压可能不是探头真实的电压，这种情况在一些电源或放大器电路的测试中会经常遇到。为了避免探头电阻负载造成的影响，一般要求探头的输入电阻要大于源阻抗以及负载阻抗至少10倍以上。大部分探头的输入阻抗在几十kΩ到几十MΩ之间。

其次，探头本身有输入电容。这个电容不是刻意做进去的，而是探头的寄生电容。这个寄生电容是影响探头带宽的最重要因素，因为这个电容会衰减高频成分，把信号的上升沿变缓。通常高带宽的探头寄生电容都比较小。理想情况下探头的寄生电容Cprobe应该为0，但是实际做不到。一般无源探头的输入电容在10pF至几百pF间，带宽高些的有源探头输入电容一般在0.2pF至几pF间。由于寄生电容的存在，探头的输入阻抗（注意，不是直流输入电阻）随着频率会下降，从而影响探头的带宽。

图5.4是两种常用探头的输入阻抗随频率变化的曲线，两种探头的输入阻抗在直流情况下都是高阻的：最普遍使用的500MHz带宽的高阻无源探头在直流情况下有10MΩ的输入阻抗，另一款2GHz带宽的单端有源探头的输入阻抗在直流情况下是1MΩ。但是由于左边的高阻无源探头有更大的寄生电容，因此随着频率的增加，其输入阻抗随频率增加下降得更快，当频率达到70MHz时，其输入阻抗已经远小于寄生电容更小的有源探头。因此，输入寄生电容对于探头带宽的影响是非常大的。

最后，探头输入的信号还会受到寄生电感的影响。探头的输入电阻和电容都比较好理解，探头输入端的电感却经常被忽视，尤其是在高频测量时。电感来自于哪里呢？我们知道有导线就会有电感，探头和被测电路间一定会有一段导线连接，同时信号的回流还要经过探头的地线。对示波器探头常用的地线而言，通常1mm探头的长度会有大约1nH的电感，信号和地线越长，电感值越大。如图5.5所示，探头的寄生电感和寄生电容组成了谐振回路，当电感值太大时，谐振频率很低，很容易在输入信号的激励下产生高频谐振，造成信号的失真。所以高频测试时需要严格控制信号和地线的长度，否则很容易产生振铃。关于这段引线造成的信号振荡问题，后面还有专门章节介绍。

在了解探头的结构之前，还需要先了解示波器输入接口的结构，因为这是连接探头的位置，示波器的输入接口电路和探头共同组成了我们的探测系统。

大部分的示波器输入接口采用的是BNC或兼容BNC的形式（有些高带宽的示波器会采用一些支持更高频率的同轴接口，例如2.92mm或1.85mm的同轴接口）。如图5.6所示，很多通用的示波器在输入端有1MΩ或50Ω可切换的匹配电阻（高带宽示波器通常只有50Ω输入）。示波器的探头种类很多，但是示波器的匹配只有1MΩ或50Ω两种选择，不同种类的探头需要不同的匹配电阻形式。

从电压测量的角度来说，为了对被测电路影响小，示波器可以采用1MΩ的高输入阻抗，但是由于高阻抗电路的带宽对寄生电容的影响很敏感。所以1MΩ的输入阻抗广泛应用于500MHz带宽以下的测量。对于更高频率的测量，通常采用50Ω的传输线，所以示波器的50Ω匹配主要用于高频测量。

传统上来说，市面上100MHz带宽以下的示波器大部分只有1MΩ输入，因为不会用于高频测量；100MHz～2GHz带宽的示波器大部分有1MΩ和50Ω的切换选择，同时兼顾高低频测量；2GHz或更高带宽的示波器由于主要用于高频测量，所以大部分只有50Ω输入。不过随着市场的需求，有些2GHz以上的示波器也提供了1MΩ和50Ω的输入切换。

广义上来说，测试电缆也属于一种探头，例如BNC或SMA电缆，而且这种探头既便宜性能又高（前提是电缆的质量不要太差），但是使用测试电缆连接时需要在被测电路上也有BNC或SMA的接口，所以应用场合有限，主要用于射频和微波信号测试。对于数字或通用信号的测试，很多时候还是需要专门的探头。图5.7是示波器中常用的一些探头的分类。

示波器的探头按是否需要供电可以分为无源探头和有源探头，按测量的信号类型可以分为电压探头、电流探头、光探头等。所谓的无源探头，是指整个探头都由无源器件构成，包括电阻、电容、电缆等；而有源探头内部一般有放大器，放大器是需要供电的（可能通过示波器接口供电或外部电源、电池供电），所以叫有源探头。下面章节将对示波器中常用的探头逐一介绍。