[发明专利]一种数字示波器单端有源探头电路

说明书

技术领域

本发明属于示波器技术领域，更为具体地讲，涉及一种数字示波器单端有源探头电路。

背景技术

数字示波器探头是连接被测电路与数字示波器输入端的电子部件，在电子测试中被广泛的使用。通常数字示波器探头分为无源探头和有源探头。

无源探头由导线和连接器制成，在需要衰减或补偿时，还包括电阻器和电容器。无源探头中没有有源器件，即晶体管或放大器，因此不需为探头供电。通常，无源探头输入阻抗高（1MΩ或1MΩ），但带宽有限，一般不超过500MHz（-3dB），在低带宽测试中使用广泛。

有源探头包含或依赖有源器件，如晶体管场效应管，需要外部提供电源。最常见的情况下，有源器件是一种场效应管（FET），它提供了非常低的输入电容，而低电容会在更宽的频段上保证高输入阻抗，减少高频信号的损耗。

有源探头分为单端有源探头和差分有源探头，单端有源探头以地为参考，实现对被测电路单点测试，可以满足大部分应用场合；差分有源探头可测量浮置器件的信号，实质上它是两个对称的电压探头组成，分别对地段有良好绝缘和较高阻抗，差分信号是互相参考，而不是参考接地的信号，所以差分探头主要用于对差分信号的测试，可以在更宽的频率范围内提供很高的共模抑制比（CMRR）。

国内数字示波器起步较晚，前几年主要是以低带宽、低采样率的低端示波器为主，配套的探头为无源探头。中高端市场被美国三大示波器厂商垄断，并且对配套部件有源探头也形成技术封锁和垄断，有源探头价格非常昂贵，单价往往是几千美元。近年来随着国内技术的不断进步和积累，国产数字示波器带宽开始进入1GHz时代，要实现对更高频率信号的精确测量，除了提高自身模拟信号调理通道输入带宽，还需提供与之配套使用的有源探头。

有源探头原理：

从国外厂商提供的资料上看，单端有源探头基本原理如图1所示，单端有源探头的前端有一个高带宽的放大器，通常放大器的输入阻抗比较高，所以单端有源探头可以提供比较高的输入阻抗；同时放大器输出具有较强的驱动能力，后面可以接50Ω特种阻抗的传输线以及驱动50Ω的负载。由于50Ω的传输线可以提供很高的带宽，而前端的放大器为宽带放大器，所以整个单端有源探头系统可提供比无源探头更高的带宽。从原理上分析，单端有源探头的高输入带宽特性关键是有前端的放大器来保证，这个高带宽高输入阻抗放大器由国外示波器厂家通过定制集成电路来实现，而且要保证体积小，这样才能放在探头有限的空间里，因此实现成本非常高，而且这种定制的宽带运放为厂商的非卖品。

差分有源探头结构原理如图2所示，与单端有源探头的区别在于其前端是差分放大器，同样，差分有源探头中的此类宽带差分输入运放也是定制而成。

虽然有关示波器有源探头原理的相关介绍资料不少，但都是从功能原理上进行说明，并未给出具体设计电路，而国外示波器厂家是通过定制专用的集成电路（IC）来实现，并且这类IC并不在市场上销售。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种数字示波器单端有源探头电路，以降低有源探头的成本低，提升性价比。

为实现上述发明目的，本发明一种数字示波器单端有源探头电路，其特征在于，包括：

一高通模块，为高频信号通路，用于隔离输入信号的直流及低频部分，输入信号的高频部分由此通过；

一低通模块，为低频信号通路，输入信号的直流及低频部分由此通过；包括有一局部反馈网络，用于调节输入信号允许通过的上限频率，另外，低通模块也接收来自直流反馈网络的反馈信号，用于稳定单端有源探头电路的静态工作点；

一阻抗变换模块，包括有宽带场效应管和电压跟随电路；

其中宽带场效应管具有极高的输入阻抗，而输出阻抗极小，实现输入信号的阻抗变换；

为增强驱动，在宽带场效应管输出端接有电压跟随电路，电压跟随电路用宽带晶体管设计为射级跟随器，或者用宽带运算放大器设计为电压跟随器；

一直流反馈网络，将电压跟随电路输出的直流电压信号反馈送至低通模块，实现稳定的直流工作点；

一输出电路，用于对输入信号频率进行补偿和增益进行调节，对输出阻抗进行调节，从而与后级示波器50Ω输入阻抗相配合。

输入信号首先经过高通模块、低通模块输入到阻抗变换模块进行阻抗变换和增强驱动，然后在输出电路中进行频率补充、增益调节和输出阻抗调节，最后输出给后级示波器。

本发明的发明目的是这样实现的：