8．宽温度范围测试探头

很多电子设备都要在极端的外界环境温度下工作，例如工业级芯片要求能够在-40～85℃的环境下工作，而很多军工级芯片的工作环境温度范围甚至会达到-55～125℃以上。为了验证环境变化时的信号质量及时序裕量，就需要能够在这些极端温度下对信号波形进行测量。

很多设备都会被放置于一个温箱内进行温湿度的循环测试。但是，大部分的示波器和示波器探头标称的工作温度范围为0～40℃，如果强行把这些探头置于温箱内的极端环境下，很容易造成探头的损坏。图5.40是普通探头的电缆外皮在高温下被烤化的情况。除此以外，探头内部的连接器、定位装置、放大器等器件都有可能由于极端温度的变化造成损坏。

图5.40 普通探头在高温下的损坏

为了实现极端温度下的信号测量，传统的方法是通过耐高温的金属线把信号从温箱内部引出，并连接在探头上进行测试（见图5.41）。但是，由于这段引线要从温箱内部引出，长度较长（通常为20～100cm），而且是完全没有匹配的，所以会存在非常大的电感并严重影响信号质量。因此这种方法只适用于低频信号的测试（＜1MHz）。

图5.41 通过高温线把信号从温箱引出测试

为了解决高低温下测量的问题，同时又有足够高的测量带宽，必须采用能够承受极端温度的材料设计的探头。而在具体实现方式上，又有两种方法。

一种方式是探头放大器等有源器件也使用能够承受极端环境温度的器件，并可以放置到温箱内部进行测量（见图5.42）。此时探头前端的放大器可以和被测件一起放置于温箱内，探头的另外一端和示波器一起放置于温箱外部。这种方式目前可以实现1.5GHz的测量带宽，覆盖-40～85℃的温度范围。

图5.42 使用宽温度范围探头测量温箱内信号

这种探头从材料到器件都采用宽温度范围的设计，同时其电气性能在很宽的温度范围内都能保持稳定。图5.43是普通单端有源探头、宽温度范围探头和50Ω耐高温电缆在-40～90℃的温度范围内对同一个阶跃信号波形测量的结果，显示采用了无限余辉模式以记录信号形状的变化轨迹。可以看到，普通有源探头在温度变化时由于探头自身特性变化，测量到的波形形状变化范围很大；而宽温度范围的探头在温度变化时测量到的波形形状变化较小；50Ω耐高温电缆的特性最为稳定。虽然在这个测量对比中，使用50Ω耐高温电缆的测量结果在温度变化时的特性变化最小，但是电缆的直接连接方式仅适用于被测件能够提供50Ω同轴连接接口输出时，而在大部分情况下，使用宽温度范围探头是一个更灵活的选择。

图5.43 不同探测方式下信号波形随温度的变化

如果希望提供更高的测量带宽，或者覆盖更高的温度范围，采用宽温度范围探头就不适合了，因为探头的放大器很难在提供高带宽的同时，还能保持在大的温度范围下特性不发生变化。这时，就可以使用另一种方案。现在很多高带宽的差分有源探头为了减小前端引线的影响，都采用了分体式的设计，即探头由探头前端和探头放大器两部分组成。探头放大器内部有很多有源器件，承受不了太大的温度变化；而探头前端采用无源匹配网络，采用合适的器件设计可以保证宽温度范围下的特性稳定。正常情况下探头前端和探头放大器直接相连接，而在进行宽温度范围测量时，可以在探头前端和探头放大器之间插入一对等长的耐高温的高频电缆。这样，可以把探头前端和延长电缆一起插入温箱内进行信号连接，而探头放大器、探头主体和示波器都放置在温箱外部（见图5.44）。采用这种方式目前可以实现13GHz的测量带宽，覆盖-55～150℃的温度范围。

图5.44 采用高频延长电缆的宽温度范围测量方式