示波器探頭-高帶寬探頭挖潛增效和前端選擇

示波器探頭作為測量系統中的組成部分其重要性不言自明，即使在今天一致性測試成為實時示波器的主要應用領域而多采用夾具和電纜組合來拾取信號進行斷路測試的情況下，因為類似 DDR 和 MIPI 之類總線在測試的時候，依然必須依靠探頭接入被測電路進行測試。

圖1 DDR 和 MIPI-DPHY 測試連接典型圖

關于這兩種典型總線在測試時對探頭的要求相關文章和論述有很多，包括對探頭的帶寬，阻抗\容抗，衰減比及探頭的電路結構差異等等。

隨著 LPDDR4 標準推進到 4.2Gbps 和 DDR5 從4.8Gbps 起步，您是否發現前幾年按照 3.2Gbps 速率購買的典型的 13 GHz 帶寬的示波器和探頭系統比如 DSAV134A 和 1169A/B 已經有點力不從心呢？

這時您會發現，早先購買了一臺軟件升級帶寬的示波器是多么明智，無需返廠只要購買一個帶寬升級許可證書即可在自己的實驗室完成升級！然而，根據平坦響應系統帶寬公式：

BWSystem= Min (BWScope，BWProbe)

因此即便示波器升級到更高帶寬，但是如果探頭帶寬依然是13GHz，整個系統帶寬還是13GHz。

如何解放 1169B 的生產力發揮更大作用？

錦囊一 挖潛增效，讓資產升值！

Keysight Infiniimax 差分探頭經過 DSP 校正，具有平坦的幅度和相位響應，可提供的精度。選擇要校正到的帶寬通常為未校正帶寬的大約 3 dB 頻點。

如果帶寬擴大到顯著超出這個值通常會導致本底噪聲增加，再進一步加大的話，可能會導致嚴重的噪聲失真。

N5381A/B 焊入式探頭前端與Infiniimax 1169A/B 探頭放大器結合，可以順利地將帶寬擴展到3 dB 以上，因為N5381A/B 的峰值超過了正常的12 GHz 帶寬，并且探頭前端的峰值有助于補償探頭放大器帶寬的滾降。

錦囊二 細節決定成敗，如何善用探頭？

除了充分挖掘現有探頭帶寬的潛力外，從操作層面來看，還有哪些注意事項可以有效提高信號連接環節的帶寬和信號保真度？很多時候我們對選擇示波器非常看重，但是對后續的使用和測試細節卻常常敷衍了事，而對這些小的細節的疏忽往往導致我們事倍功半！細節決定成敗!

01 從設計角度，預先做好可測性設計(Design For Test)，包括預留盡可能接近被測信號末端的測試點和地測試點

以MIPI總線測試為例，由于存在共模偏置電壓，因此要采用差分探頭對差分的數據和時鐘信號正和負端分別進行單端測試，然后進行差分和共模運算分別得到有效的差分信號和共模偏置。

這一電路特點決定的信號探測方法，導致信號探測過程中對有效的參考接地要求非常嚴格。

因此，比如對 D-PHY推薦在設計時即考慮在DSI總線末端（顯示屏側）或者CSI總線末端（AP側），除對差分信號的正和負端分別留測試點外，還要預留盡可能近的同一地平面的地測試點。

對其它一般Serdes信號，也應盡可能在被測線路末端或接收端預留測試點，以降低測試點位于線路中間情況可能引起的反射，另外在高速情況下，線路中間測試點的過孔或焊盤的Stub效應和探頭負載對線路的影響極大。

02 選擇恰當的焊接探頭前端

· 配合 Infiniimax 系列探頭放大器，有很多探頭前端，這些前端之間有何差異？

· 比如測試 DDR 總線，很多工程師非常偏愛ZIF探頭前端N5425A/B，對應有很多ZIF Tip可以選擇，比如N5426A，N5451A等，有何差異呢？

圖2 N5426A(上)和N5451A(下）

表1 N5426A和N5451A不同焊線長度和角度帶寬

可見，更長的焊線，帶寬更低，負載效應也更大，其頻響特性平坦度也會下降。長焊線的兩腿之間的角度越大也會帶來帶寬下降。

除了 ZIF 探頭，還有常用的直接焊接探頭E2677A/B，N2836A 和 N5381A/B 及 N5441A，差別在于前兩者阻尼電阻在探頭前端 PCB 外，后兩者阻尼電阻在焊接 PCB 上。

圖3 E2677A/B(左)和N5381A/B(右)

表2 直接焊接前端差異

針對焊接探頭前端的阻尼電阻選擇，請參照產品手冊或者使用手冊。比如 E2677A/B 有 91? 和 150? 兩種，其中91 提供了全帶寬而 150 則提供中等帶寬能力。

對阻尼電阻在前端 PCB外，如果需要伸入到器件進行測試，應選擇阻尼電阻到測試點之間的焊線盡量短，以確保最小化 Stub 效應。對于阻尼電阻在前端 PCB 上的，當然焊線也應盡量短。

03 在可測性設計和前端選擇都得到保證的情況下，還有什么因素會對信號探測環節的信號保真度產生影響呢？

地焊接探頭也是確保測試過程中的信號保真度的重要一步，而且對探頭的重復使用至關重要，更是對資產的妥善保護！

首先，選擇針對不同的探頭前端選擇恰當的烙鐵頭：

將測試儀器探頭連接到被測設備(DUT)的方法有很多種。其中一種方法是焊接，通過保持電纜長度和連接盡可能短，可以提供可靠的連接，并限度地減少寄生探測影響。許多Keysight的高性能示波器探頭使用焊接連接。隨著探頭和設備不斷縮小，為了避免損壞和連接問題，使用正確的工具和焊接技能變得至關重要。