示波器探头-高带宽探头挖潜增效和前端选择

      作为测量系统的一个组成部分，示波器探头是不言而喻的。即使在今天，一致性测试也已经成为实时示波器的主要应用领域，使用夹具和电缆的组合来拾取信号进行开路测试。因为像DDR和MIPI这样的总线都是测试的，所以探针还是要连接到被测电路上进行测试。

　　图1 DDR 和 MIPI-DPHY 测试连接典型图

　　关于这两种典型总线在测试时对示波器探头的要求，有很多文章和讨论，包括探头的带宽、阻抗容抗、衰减比、电路结构差异等。

　　随着 LPDDR4 标准推进到 4.2Gbps 和 DDR5 从4.8Gbps 起步，您是否发现前几年按照 3.2Gbps 速率购买的典型的 13 GHz 带宽的示波器和探头系统比如 DSAV134A 和 1169A/B 已经有点力不从心呢?

　　这时候你就会发现，早点购买一台带软件升级带宽的示波器是多么明智的事情。购买带宽升级许可证书，无需返厂即可在自己的实验室完成升级!然而，根据平坦响应系统的带宽公式:

　　BWSystem= Min (BWScope，BWProbe)

　　因此即便示波器升级到更高带宽，但是如果探头带宽依然是13GHz，整个系统带宽还是13GHz。

　　那么如何解放 1169B 的生产力发挥更大作用?

　　关键一 挖潜增效，让资产升值!

　　Keysight Infiniimax 差分探头经过 DSP 校正，具有平坦的幅度和相位响应，可提供极高的精度。选择要校正到的带宽通常为未校正带宽的大约 3 dB 频点。

　　如果带宽扩展到显著超过该值，噪底通常会增加。如果进一步提高，可能会导致严重的噪声失真。

　　N5381A/B 焊入式探头前端与Infiniimax 1169A/B 探头放大器结合，可以顺利地将带宽扩展到3 dB 以上，因为N5381A/B 的峰值超过了正常的12 GHz 带宽，并且探头前端的峰值有助于补偿探头放大器带宽的滚降。

　　关键二 细节决定成败，如何善用探头?

　　除了充分挖掘现有探头带宽的潜力，还有哪些防范措施可以从操作层面有效提高信号连接的带宽和信号保真度?很多时候，我们非常重视示波器的选择，但是对于后续的使用和测试细节却往往敷衍了事，对这些小细节的忽视往往导致我们事倍功半!细节决定成败!

　　01 从设计角度，预先做好可测性设计(Design For Test)，包括预留尽可能接近被测信号末端的测试点和地测试点

　　以MIPI总线测试为例，由于共模偏置电压，需要使用差分探针分别测试差分数据和时钟信号的正负端，然后进行差分和共模运算，分别得到有效的差分信号和共模偏置。

　　这一电路特点决定的信号探测方法，导致信号探测过程中对有效的参考接地要求非常严格。

　　因此，比如对 D-PHY推荐在设计时即考虑在DSI总线末端(显示屏侧)或者CSI总线末端(AP侧)，除对差分信号的正和负端分别留测试点外，还要预留尽可能近的同一地平面的地测试点。

　　对其它一般Serdes信号，也应尽可能在被测线路末端或接收端预留测试点，以降低测试点位于线路中间情况可能引起的反射，另外在高速情况下，线路中间测试点的过孔或焊盘的Stub效应和探头负载对线路的影响极大。

　　02 选择恰当的焊接探头前端

　　· 配合 Infiniimax 系列探头放大器，有很多探头前端，这些前端之间有何差异?

　　· 比如测试 DDR 总线，很多工程师非常偏爱ZIF探头前端N5425A/B，对应有很多ZIF Tip可以选择，比如N5426A，N5451A等，有何差异呢?

　　图2 N5426A(上)和N5451A(下)

　　可见，更长的焊线，带宽更低，负载效应也更大，其频响特性平坦度也会下降。长焊线的两腿之间的角度越大也会带来带宽下降。

　　除了 ZIF 探头，还有常用的直接焊接探头E2677A/B，N2836A 和 N5381A/B 及 N5441A，差别在于前两者阻尼电阻在探头前端 PCB 外，后两者阻尼电阻在焊接 PCB 上。

　　图3 E2677A/B(左)和N5381A/B(右)

　　表2 直接焊接前端差异

　　针对焊接探头前端的阻尼电阻选择，请参照产品手册或者使用手册。比如 E2677A/B 有 91Ω 和 150Ω 两种，其中91 提供了全带宽而 150 则提供中等带宽能力。

　　对阻尼电阻在前端 PCB外，如果需要伸入到器件进行测试，应选择阻尼电阻到测试点之间的焊线尽量短，以确保最小化 Stub 效应。对于阻尼电阻在前端 PCB 上的，当然焊线也应尽量短。

　　03 在可测性设计和前端选择都得到保证的情况下，还有什么因素会对信号探测环节的信号保真度产生影响呢?

　　完美焊接探头也是测试过程中保证信号保真的重要步骤，探头的重复使用必不可少，也是对资产的一种应有的保护!

　　首先，为不同的探头前端选择合适的焊接头:

　　有许多方法可以将测试仪器的探头连接到被测设备(DUT)。其中一种方法是焊接，它可以提供可靠的连接，并通过保持电缆长度和连接尽可能短来最小化寄生检测的影响。很多是德科技的高性能示波器探头都是焊接连接的。随着探头和设备的缩小，为了避免损坏和连接问题，使用正确的工具和焊接技巧至关重要。

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