5．定量测量探头负载效应的方法

除了用双探测法定性分析探头负载效应以外，还可以通过实际测量来定量测量。要想知道探头的负载阻抗如何，首先应将该探头连接到一个匹配的示波器输入端，然后借助仪表对探头的输入端进行测试。根据测试频率范围的要求，可以使用不同的测试仪表。

在直流频率范围内，推荐使用4线Kelvin方法进行精确的低输入电阻测量。测量大电阻时，通常想要使用高电阻表（例如Agilent 4339B），而不是普通的万用表。在生产环境中，很多用户使用LCR表评估/检查直流到高达数MHz频率范围内预定义等效模型的输入电容、电阻和电感值。探头探针应恰好位于将要使用它们的被测电路上。然而，不能使用这种方法执行失配负载阻抗测量，因为LCR表的激励信号频率不够高，而且一阶等效电路模型不足以描述高频特性。使用阻抗分析仪可获得从Hz到GHz范围内的阻抗，但其主要的限制是测试治具，不容易找到或做出来。

VNA（矢量网络分析仪）具有很大的动态范围，使其能够从小阻抗到大阻抗的频率范围内进行精确的测量。测试夹具有时只是一条简单的50Ω馈通传输线（例如一些高带宽示波器选配的性能验证和偏移校正夹具）。用户可以从阻抗曲线的第一RC谐振频点导出输入电容和电阻，从第一LC谐振频点导出输入电感。VNA还可直接以复数形式显示失配负载谐振频率和幅度，以便在现代示波器的去嵌入算法中使用，从而消除负载效应。根据负载的不同特性，有三种设置VNA测量的不同方法。

|针对低阻抗探头（输入阻抗在几百欧姆到几千欧姆）：低阻抗电阻分压探头具有低电容负载和高带宽。较之有源探头，它可提供精确的定时测量，且成本相对较低。1端口S11测量可用于执行这类探头的阻抗测量。这种方法简单易用，只需校准一个端口。它最适用于表征50Ω输入阻抗，因为它具有最高的灵敏度。然而，其缺点是在Zin远超出50Ω时，S11将趋向于1，入射波总是完全反射。例如，当在高频下阻抗为0.1Ω时，入射信号的反射是99.6%，此时由于采样位数限制和定向耦合器的方向灵敏度，VNA会损失分辨率。为了充分利用VNA完整的动态范围，可以使用2端口测量。在1端口测量中，会使用以下公式，将S11转换为输入阻抗：

|针对极高输入阻抗探头（例如很多高带宽有源探头）：大多数电压探头的输入电阻通常都在几千欧姆到几百万欧姆之间，以应对严重的电阻负载问题并实现高电压测量应用。2端口（而不使用1端口）测量可以最大程度地使用VNA完整的动态范围。将探头探针置于50Ω迹线的开路端。如图6.16所示，开启VNA的端口扩展功能，以确保校准面位于这些开路端。测试中使用到一个Z型连接器，这个Z型连接要求被测对象具有一个浮动接地，以避免任何测试信号短路，因此它非常适合测量差分探头的负载。而要想测试单端探头，被测探头必须用匹配负载端接。如果被测对象与示波器连接，应断开示波器，避免任何接地连接。否则，机箱接地的泄漏电流在低频时会导致很大的阻抗插值误差。

图6.16 使用高阻抗探头的测试设置

测得的S21是在VNA完整的动态范围内。使用以下公式，可以将S21转换为输入阻抗：

|针对极低输入阻抗探头（例如钳式交流/直流电流探头）：有时，负载阻抗非常小且难以测量。例如，将交流/直流电流探头固定在被测对象的导线上。负载可能只有几pH。本例未使用Z连接，而是改为Y连接，以便通过VNA完整的动态范围测量S21。如图6.17所示，为了测量交流/直流电流钳的插入阻抗，通过电流探头的导线应从测试端口焊接到地面。

图6.17 使用低阻抗探头的测试设置

然后通过S21测量并通过以下公式计算插入阻抗，该设置可精确地测量低至1mΩ的阻抗和pH范围内的电感。

因此，当将探头连接到电路时，探头便成了测量的一部分，对被测电路产生负载效应。根据探头负载效应的大小，探头的电阻、电容和电感元器件改变被测电路行为的程度亦不同。这里介绍的每种示波器探头的负载效应及根据负载的特性执行精确的插入阻抗测量的方法都不一样。万用表、LCR表、阻抗分析仪和矢量网络分析仪都有其各自的优势和劣势。其中VNA是测量探头的负载效应最常用的测试方法，可以设置为多种不同的测量场景，以适用于各种情况。