4．探头的负载效应

理想的示波器探头可以轻松、精确地复制被探测信号。然而在现实情况下，探头成为了电路的一部分，附加到被测设备的探头和探测附件会给电路带来电阻、电容、电感和失配负载。由于负载效应不同，会在频域中影响探头的带宽和频响，并在时域中带来过冲、振铃和直流偏置问题。图6.12显示了探头负载对被测对象的影响程度。

图6.12 连接和不连接探头时，示波器系统的阶跃响应

因此，示波器探头的负载对于被测电路的影响，是影响测量精度的一个很重要方面。知道了探头的负载效应，就可用于构建等效电路模型，以评估寄生参数，或直接在去嵌入算法中使用，以消除探头导致的负载效应。通常情况下，探头负载不是一个常数，它随着频率的变化而变化。图6.13显示了一个高阻无源探头的负载效应图。

图6.13 高阻无源探头的典型负载效应图

探头的负载效应由以下几方面构成：

|阻性负载：在直流或低频范围内，主要的负载是探头的输入电阻。阻性负载主要影响直流参数，例如直流幅度精度、直流偏置和偏置电压变化。该负载对低阻抗电阻分压探头尤其重要。使用低阻抗探头时，若被测对象的阻抗比探头的阻抗还大，流经电路的大部分电流将流入该探头，会降低被探测点的电压。为了避免阻性负载效应，需要探头有大得多的输入阻抗，有时还需使用隔直电容。隔掉的直流成分可以被高阻抗探头恢复。

|容性负载：如图6.13所示，从RC频率到LC一阶谐振频率，被测对象的负载主要受到电容负载的影响。电容负载随频率的增加而增加。在高频时，电容负载起作用，将高频信号引入到地，极大地降低探头的输入阻抗。容性负载对高阻无源探头非常重要，它会显著限制探头的带宽和降低信号的边沿速度。高带宽探头要求极低的输入电容，通常可以通过特定的结构、较低K的材料/元器件选择及良好的组装过程来实现。

|感性负载：以一阶谐振频率到二阶谐振频率，被测对象的负载主要由电感来决定。如果LC谐振低于探头带宽，电感负载会使被测信号被大幅衰减和失真。该负载来自探头信号探针到地产生的环路电感。磁通在该环路中生成感应电压。如果这个自谐振不是阻尼（damped），它将导致探测系统的频率响应出现明显的过冲，从而导致被测信号失真。电感负载效应通常以示波器屏幕上观察波形的振铃形式出现。振铃源是LC电路，包含探头的内部电容、接地线和探头探针电感。接地电感包括焊接到电路板的任何跳线或连接的任何接地鳄鱼夹的电感。典型接地路径的电感是1nH/mm，即1in接地线约为25nH。例如，电容为9.5pF的探头和一条6in长的接地线可在大约133MHz的频率上出现振铃。除了电压探头外，钳式电流探头也可导致电感负载。被测对象与电流探头中变压器式线圈之间的互感可生成施加于被测对象的电感负载。通常，这个互感非常小，施加的负载远小于电压探头的负载。寄生电感和寄生电容引起的谐振频率可以按以下公式计算：

|失配负载：当信号的波长等于或小于电缆长度所对应的频率范围（通常高于二阶谐振频率）时，失配负载变得更加重要。探测系统应视为传输线，而不是一阶RLC模型。因此，如图6.13所示，探头阻抗随着频率的变化，到一定频段后，可视为随着谐振频率而变化。从探头探针到示波器的ADC输入，随处都可能出现失配，并导致多反射波。电缆越长，谐振频率越低。为了将谐振频率推到尽可能高的频率范围，有源探头的设计会包括有放大器，以最大程度地缩短从探针前端到高输入阻抗放大器的失配信号路径，放大器到示波器输入端则接近理想同轴电缆连接。这是有源探头的带宽高于无源探头的部分原因。通过现代示波器中的数字响应平坦滤波器可以进一步降低高频失配负载。

如果想知道探头对电路的负载程度，可以使用一种非常简单的方法，通常称为双探测技术。首先，选择一个想使用的探头，将其连接到已知的目标阶跃信号。保存该波形，以便示波器进行参考。接着，拿第二个探头，将其附加到相同的探测点。如图6.14所示，第二个探头必须与连接附件的探头完全相同。这时可以看到使用两个探头探测与仅使用一个探头时波形的变化程度，变化程度越大，就说明探头的负载效应越大。这是一种快速、简单的方法，无须使用任何昂贵的测试设备，便可检查探头本身的负载效应。

图6.14 用双探测法验证探头负载效应

在图6.15所示的示波器屏幕中，可以看到，由于第二个探头的负载效应，减缓了信号的上升时间，使信号边沿变得有些不平滑，说明这种探头将降低测量系统的带宽。因此通过双探测法，就可以快速定性了解探头会给电路带来多少探头负载。

图6.15 单探头和双探头时看到的波形比较