*CN103185818A*
(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 103185818 A(43)申请公布日 2013.07.03
(12)发明专利申请
(21)申请号 201110449258.6(22)申请日 2011.12.29
(71)申请人北京普源精电科技有限公司
地址102206 北京市昌平区沙河镇踩河村
156号(72)发明人史慧 王悦 王铁军 李维森(51)Int.Cl.
G01R 1/067(2006.01)
权利要求书1页 说明书6页 附图3页权利要求书1页 说明书6页 附图3页
(54)发明名称
一种具有超低输入电容的有源差分探头(57)摘要
本发明提供了一种具有超低输入电容的有源差分探头，包括两个探头输入端子和一个具有双输入端的差分探头放大模块，每个探头输入端子与差分探头放大模块的一个输入端之间均包括串联连接的一个阻尼电阻和一个RC并联电路；RC并联电路由设置在绝缘基板上的输入电阻和输入电容并联连接构成；所述输入电容为微带交叉指型电容，由所述绝缘基板的顶层铜箔构成；所述输入电阻连接在第一过孔和第二过孔之间，且安装在所述绝缘基板底层的与所述微带交叉指型电容相对的位置上。本发明通过采用微带交叉指型电容作为输入电容，实现了探头的超低输入电容，也保证了两路输入电容的一致性。
CN 103185818 ACN 103185818 A
权 利 要 求 书
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1.一种具有超低输入电容的有源差分探头，包括：
两个探头输入端子和一个具有双输入端的差分探头放大模块，每个所述探头输入端子与所述差分探头放大模块的一个输入端之间均包括串联连接的一个阻尼电阻和一个RC并联电路；
所述RC并联电路由设置在一个绝缘基板上的一个输入电阻和一个输入电容并联连接构成；
其特征在于：
所述输入电容为微带交叉指型电容，由所述绝缘基板的顶层铜箔构成；
每个所述微带交叉指型电容的输入端通过设置在所述绝缘基板上的第一过孔与对应的阻尼电阻连接，输出端通过设置在所述绝缘基板上的第二过孔与所述差分探头放大模块的对应输入端连接；
所述输入电阻连接在所述第一过孔和第二过孔之间，且安装在所述绝缘基板底层的与所述微带交叉指型电容相对的位置上。
2.根据权利要求1所述的有源差分探头，其特征在于：
所述输入电阻与所述第一过孔之间的距离小于等于所述输入电阻与所述第二过孔之间的距离。
3.根据权利要求1所述的有源差分探头，其特征在于：
所述输入电阻与所述第一过孔之间的距离小于所述输入电阻与所述第二过孔之间的距离。
4.根据权利要求2或3所述的有源差分探头，其特征在于：所述绝缘基板为双面PCB板。
5.根据权利要求4所述的有源差分探头，其特征在于：
所述微带交叉指型电容包括用铜箔构成的两组交叉设置的指；其中一组的各个指具有相同的长度；另一组的各个指的长度依据电容值设置。6.根据权利要求4所述的有源差分探头，其特征在于：
所述微带交叉指型电容包括用铜箔构成的两组交叉设置的指；其中一组的指设置为采用绑定线绑定连接的多段，其段的数量依据电容值设置。7.根据权利要求4所述的有源差分探头，其特征在于：
所述微带交叉指型电容包括用一组用PCB板顶层的铜箔构成的指以及一个与之对应的铜板；
所述指与所述第一过孔连接，且指的面积依据电容值设置；所述铜板设置在所述指与输入电阻之间的PCB板中，且与所述第二过孔连接。8.根据权利要求5或6或7所述的有源差分探头，其特征在于：所述阻尼电阻与所述第一过孔的顶层接线端连接。9.根据权利要求5或6或7所述的有源差分探头，其特征在于：所差分探头放大模块的输入端与所述第二过孔的顶层接线端连接。10.根据权利要求1或2或3所述的有源差分探头，其特征在于：所述输入电阻采用贴片电阻。
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说 明 书
一种具有超低输入电容的有源差分探头
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技术领域
[0001]
本发明涉及测量、测试技术领域，特别是涉及一种有源差分探头，更特别是一种具
有超低输入电容的有源差分探头。
背景技术
[0002] 在测试测量领域中，探头是用来连接被测电路与测量仪器，采集被测信号并传输给测量仪器的设备。探头在其频带内需要能够不失真的检测信号，并不对被测电路或信号产生不利影响。这需要探头具有较大的输入电阻和较小的输入电容，高输入电阻和小输入电容能够从被测电路中分出很小的电流，减小对被测电路的影响，输入电阻需要比被测电路本身的电阻大很多，而越小的输入电容则对高频信号的影响越小。因此，设计出具有高输入电阻和小输入电容的探头具有十分重要的意义。[0003] 目前，一般示波器的无源探头都具有很高的输入电阻，当信号为直流时，输入阻抗很高，能够很好的完成低频信号检测任务。但是，这种无源探头的输入电容和探头线的长度以及探头尖电路的设计有关，因此很难做的非常小，一般大于10pF。由于其较大的输入电容，当频率升高时，其阻抗急剧下降，对高频信号的检测造成影响。而且，无源探头一般使用具有大电阻的阻尼线缆来减小线缆的电容影响，然而阻尼线对高频信号的损耗比较大。上述两点问题极大的限制了无源探头的检测带宽。
[0004] 由于无源探头在检测高频信号中所存在的问题，因此又出现了有源差分探头。如申请号为CN200910237397.5中国公开专利文件就公开了一种有源差分电压探头100，结合参考图1，所述有源差分电压探头包括手柄端101、同轴线、探头放大模块102，探头尖连接两个手柄段的输入端IN+和IN-，用来连接被测电路，获取被测信号，而探头放大模块102的输出端则通过同轴线3将信号输出至示波器。[0005] 输入端IN+连接有阻尼电阻R1P，输入端IN-连接有阻尼电阻R1N。该阻尼电阻R1P与电阻R2P、电容C1P并联构成的RC分压电路相串联。该阻尼电阻R1N与电阻R2N、电容C1N并联构成的RC分压电路相串联。该电阻R2P、电容C1P并联构成的RC分压电路的另一端连接于手柄正极输出端。该电阻R2N、电容C1N并联构成的RC分压电路的另一端连接于手柄负极输出端。
[0006] 手柄正极输出端通过同轴线1与探头放大模块102正极输入端相连。手柄负极输出端通过同轴线2与探头放大模块102负极输入端相连。[0007] 为了保证有源差分探头的正负输入对称，一般设计时取R1P＝R1N，R2P＝R2N，C1P＝C1N。
[0008] 上述结构的有源差分电压探头，差分信号由输入端IN+和IN-输入。电阻R1P和R1N为阻尼电阻，用于减小探头和被测电路之间引线电感带来的振荡。R2P、C1P和R2N、C1N构成了差分探头的输入电阻和输入电容。
[0009]
上述公开文件中还介绍了多种探头放大模块的实现方式，图1中的结构仅是其一
种实现方式。但探头放大模块的核心都是由放大器构成，由于放大器的正负输入端虚短，只
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有共模信号，可以看成差模地，因此探头的输入电容包括电路中的电容C1P、C1N，还包括由电路板设计时的寄生电容。寄生电容包括输入端IN+和IN-对地的寄生电容，各元器件对地的寄生电容，探头放大器输入端对地的寄生电容等，因此寄生电容始终存在，且两路寄生电容由于PCB设计、元件封装等而不尽一致。[0010] 因此，需要重点设计电容C1P、C1N。由于电容C1P、C1N非常小，一般小于1pF，采用贴片电容实现，即使采用市场上现有的高精度高Q电容，受限于器件本身，其最高精度A档也只能实现±0.05pF，在寄生电容始终存在的情况下难以实现两路输入电容的一致性。发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种具有超低输入电容的有源差分探头，能够实现超低输入电容，同时保持两路输入电容良好的一致性。[0012] 本发明所述的具有超低输入电容的有源差分探头，包括：
[0013] 两个探头输入端子和一个具有双输入端的差分探头放大模块，每个所述探头输入端子与所述差分探头放大模块的一个输入端之间均包括串联连接的一个阻尼电阻和一个RC并联电路；
[0014] 所述RC并联电路由设置在一个绝缘基板上的一个输入电阻和一个输入电容并联连接构成；
[0015] 所述输入电容为微带交叉指型电容，由所述绝缘基板的顶层铜箔构成；
[0016] 每个所述微带交叉指型电容的输入端通过设置在所述绝缘基板上的第一过孔与对应的阻尼电阻连接，输出端通过设置在所述绝缘基板上的第二过孔与所述差分探头放大模块的对应输入端连接；
[0017] 所述输入电阻连接在所述第一过孔和第二过孔之间，且安装在所述绝缘基板底层的与所述微带交叉指型电容相对的位置上。
[0018] 本发明通过采用微带交叉指型电容作为输入电容来实现有源差分探头的超低输入电容，易于调节电容值，易于保证两路输入电容的一致性；同时为了减小走线电感和探头的体积，将输入电阻设置在绝缘基板底层的与微带交叉指型电容相对的位置上，通过过孔连接输入电阻和微带交叉指型电容。[0019] 作为一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所述输入电阻与所述第一过孔之间的距离小于等于所述输入电阻与所述第二过孔之间的距离。[0020] 作为又一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所述输入电阻与所述第一过孔之间的距离小于所述输入电阻与所述第二过孔之间的距离。[0021] 作为一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所述绝缘基板为双面PCB板。[0022] 作为一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所述微带交叉指型电容包括用铜箔构成的两组交叉设置的指；其中一组的各个指具有相同的长度；另一组的各个指的长度依据电容值设置。
[0023] 作为一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所述微带交叉指型电容包括用铜箔构成的两组交叉设置的指；其中一组的指设置为采用绑定线绑定连接的多段，其段的数量依据电容值设置。
[0024] 作为一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所述微带交叉指型电容包括
[0011]
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用一组用PCB板顶层的铜箔构成的指以及一个与之对应的铜板；所述指与所述第一过孔连接，且指的面积依据电容值设置；所述铜板设置在所述指与输入电阻之间的PCB板中，且与所述第二过孔连接。
[0025] 作为一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所述阻尼电阻与所述第一过孔的顶层接线端连接。
[0026] 作为一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所差分探头放大模块的输入端与所述第二过孔的顶层接线端连接。[0027] 作为一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所述阻尼电阻设置在所述PCB板的顶层。
[0028] 作为一种举例说明，本发明所述的有源差分探头中，所述输入电阻采用贴片电阻。[0029] 本发明提供的具有超低输入电容的有源差分探头实现了探头的超低输入电容，同时也使探头两路输入电容的一致性良好，使得不同的探头之间一致性良好，且易于生产，成本低。
附图说明
[0030] 图1是背景技术中的现有技术公开的有源差分探头100的电路原理图；[0031] 图2是本发明的有源差分探头200的电路原理图；[0032] 图3是本发明的微带交叉指型电容300的结构示意图；[0033] 图4是本发明的有源差分探头200的一种结构示意图；[0034] 图5是本发明的微带交叉指型电容500的结构原理图；[0035] 图6是本发明的微带交叉指型电容600的结构原理图；[0036] 图7是本发明的有源差分探头200的又一种结构示意图；[0037] 图8是本发明的微带交叉指型电容700的结构原理图；[0038] 图9是本发明的有源差分探头200的又一种结构示意图。
具体实施方式
[0039] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。[0040] 参考图2，本发明的实施例提供了一种有源差分探头200，所述有源差分探头200包括两个探头输入端子IN+、IN-和一个差分探头放大模块202，在每一个探头输入端子和差分探头放大模块202的一个输入端之间分别设置有一个阻尼电阻R11和R21，一个输入电容C11和C21，一个输入电阻R12和R22；输入端子IN+连接阻尼电阻R11的一端，阻尼电阻R11的另一端分别连接输入电容C11和输入电阻R12，输入电容C11和输入电阻R12的另一端通过同轴线连接到差分探头放大模块202的一个输入端；输入端子IN-连接阻尼电阻R21的一端，阻尼电阻R21的另一端分别连接输入电容C21和输入电阻R22，输入电容C21和输入电阻R22的另一端通过同轴线连接差分探头放大模块202的另一个输入端；两个探头输入端子IN+和IN-分别可以连接探头的探头尖，而差分探头放大模块202的输出端则通过同轴线连接示波器等测量仪器。[0041] 本实施例中，所述差分探头放大模块202采用如图1中所示的探头放大器102。
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作为一种变形，所述差分探头放大模块202也可以采用中国公开专利申请文件
CN200910237397.5所公开的其他形式的探头放大器。[0043] 结合参考图3，本实施例中所述的输入电容C11和C21都采用微带交叉指型电容300，所述微带交叉指型电容300包括交叉设置的第一组指303和第二组指304，第一组指设有输入端301，第二组指设有输出端302。在本实施例中，为了保证有源差分探头的正负输入对称，设计时取R11＝R21，R12＝R22，C11＝C21；所述两个阻尼电阻R11、R21和两个输入电阻R12、R22均采用贴片电阻实现，贴片电阻体积小，高频性能优越，不会增加探头手柄段的体积，也适应高频需求。[0045] 作为一种变形，所述阻尼电阻R11和R21也可以采用引线电阻，还可以采用绕线电阻，还可以采用碳膜电阻等。[0046] 作为一种变形，所述输入电阻R12和R22也可以采用引线电阻，还可以采用绕线电阻，还可以采用碳膜电阻等。[0047] 在本实施例中，将两个阻尼电阻R11和R21、两个输入电阻R12和R22、两个输入电容C11和C21设置在一个双面PCB板上，作为有源差分探头200的手柄端。由于探头输入端子IN+、IN-和差分探头放大模块202之间的两路输入线路完全相同，本实施例以探头输入端子IN+所在的一路为例进行说明。[0048] 在本实施例中，结合参考图4，所述输入电容C11采用微带交叉指型电容300，由所述PCB板201上的顶层铜箔直接构成，阻尼电阻R11也设置在所述PCB板201的顶层，阻尼电阻R11和输入电容C11之间设置第一过孔203，所述第一过孔203的顶层上设置焊盘作为接线端，输入电容C11的输入端(也即所述微带交叉指型电容300的输入端301)和阻尼电阻R11分别通过走线连接到第一过孔203的顶层焊盘；输入电容C11的另一侧设有第二过孔204，所述第二过孔204的顶层上设置焊盘作为接线端，输入电容C11的输出端(也即所述微带交叉指型电容300的输出端302)通过走线连接到所述第二过孔204的顶层焊盘，而差分探头放大模块202则通过同轴线也连接到所述第二过孔204的顶层焊盘。[0049] 作为一种变形，结合参考图9，所述阻尼电阻R11可以不设置在所述PCB板201上，而作为单独器件存在，在所述PCB板201上设置一焊接点205，将所述阻尼电阻R11通过连接线206连接到所述焊接点205，然后再连接到所述第一过孔203。[0050] 作为又一种变形，所述阻尼电阻R11可以与所述第一过孔203位于所述PCB板201顶层的焊盘连接，进而连接所述输入电容C11与所述输入电阻R12；也可以与所述第一过孔203位于所述PCB板201底层的焊盘连接，进而连接所述输入电容C11与所述输入电阻R12。
[0044]
作为又一种变形，所述差分探头放大模块202的输入端通过同轴线可以和所述第二过孔204位于所述PCB板201顶层的焊盘连接，进而连接所述输入电容C11与所述输入电阻R12；也可以与所述第二过孔204位于所述PCB板201底层201的焊盘连接，进而连接所述输入电容C11与所述输入电阻R12。[0052] 作为又一种变形，所述绝缘基板也可以采用四层PCB板，还可以采用六层PCB板，还可以采用更多层的PCB板实现，只需要将每个中间层的铜箔去掉即可。[0053] 在本实施例中，所述输入电阻R12采用贴片电阻实现，所述输入电阻R12连接在所述第一过孔203和第二过孔204之间，安装在所述PCB板201底层的与所述输入电容C11相对的位置上，所述输入电阻R12通过走线与第一过孔203和第二过孔204底层上的设置的
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焊盘连接，且所述输入电阻R12和所述第一过孔203之间的距离H1小于所述输入电阻R12和所述第二过孔204之间的距离H2。即尽可能减小所述输入电阻R12和所述第一过孔203之间的走线距离，这样做能够有效的减小走线电感、寄生电容等问题。[0054] 作为一种变形，所述输入电阻R12和所述第一过孔203之间的距离H1也可以等于或者大于所述输入电阻R12和所述第二过孔204之间的距离H2。相对于H1小于H2的方案，H1等于或大于H2的方案会增大寄生电感，一定程度的影响阻尼电阻的作用，会给高频信号的响应带来一定的震荡。[0055] 在本实施例中，结合参考图3，所述的微带交叉指型电容300的第一组指303包括3个指，第二组指304包括2个指，所述两组指303、304交叉设置，具有重合面和指间间隔，通过改变重合面的面积和指间间隔可以改变电容值。由于所述微带交叉指型电容300采用PCB板201顶层的铜箔构成，设置其每个指均具有相同的宽度，指间间隔均相同，第一组指303的3个指设置有相同的长度，仅通过改变第二组指304的指的长度来达到改变电容值的目的。
[0056] 在实际生产时，可以首先对所述微带交叉指型电容300进行仿真，例如采用Agilent公司的ADS软件仿真所述微带交叉指型电容300的电容值，可以设计出所需要的两组指303和304的指间间隔、指的长度等数据，然后直接画在PCB板201的顶层，然后用激光或铣刀切割所述第二组指304的两个指，使长度减小，达到降低电容值的目的，考虑到PCB的制作误差，可以实现低于0.1pF的电容，实现有源差分探头200的生产。[0057] 为了更进一步的提高所述有源差分探头200的精度，在对所述微带交叉指型电容300进行切割时，设置一个标准探头，将所述有源差分探头200输出的波形与所述标准探头输出的同一波形进行对比，然后通过切割调整所述微带交叉指型电容300中第二组指304的两个指的长度，使所述有源差分探头200输出的波形与所述标准探头输出的波形一致，即完成了对所述微带交叉指型电容300的设计。[0058] 作为一种变形，结合参考图5，所述两个输入电容C11、C21也可以采用微带交叉指型电容500，与所述微带交叉指型电容300的不同之处在于，其第二组指502的两个指分成了多个段，每个段之间用绑定线503绑定，这样每个段均与另一组指501构成一个个更小的电容，通过将绑定线503挑断的方式来改变电容值。[0059] 实际生产时，也可以首先对所述微带交叉指型电容500进行仿真，设计出第一组指501的长度，设计出第二组指502的段的长度和数量，用绑定线503绑定，绑定是芯片生产工艺中的一种打线方式。
[0060] 为了更进一步的提高精度，在挑断所述绑定线503时，也可以设置一个标准探头，将所述有源差分探头200输出的波形与所述标准探头输出的同一波形进行对比，然后通过依次挑断绑定线503的方式改变所述微带交叉指型电容500的电容值，考虑到PCB制作的误差，可以实现低于0.1pF的电容。[0061] 作为又一种变形，结合参考图6，所述两个输入电容C11、C12也可以采用微带交叉指型电容600，与所述微带交叉指型电容300的不同之处在于，所述微带交叉指型电容600的第一组指601包括5个指，且所述5个指的长度不一，第二组指602包括4个长度相同的指，所述第一组指601的各个指按比例设置，例如指6011∶指6012∶指6013∶指6014∶指6015的长度比例采用1∶1∶2∶3∶3的比例设置。将所需要的输入电容C11的电
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容值分成十分，通过仿真设计出第一组指601和第二组指602的各个指的长度。[0062] 实际生产时，用激光或铣刀将第一组指601的不同的指整个或部分切割掉，可以实现不同的电容值。
[0063] 为了更进一步的提高精度，也设置一个标准探头，将所述有源差分探头200输出的波形与所述标准探头输出的同一波形进行比较，然后用激光或铣刀切割指来调整电容，考虑到PCB制作的误差，可以实现低于0.1pF的电容。[0064] 作为又一种变形，结合参考图7和图8，所述两个输入电容C11、C12也可以采用微带交叉指型电容700，与所述微带交叉指型电容300的不同之处在于，所述微带交叉指型电容700只包含有设置在所述PCB板201顶层的一组指701，同时在所述PCB板201中设置一个铜板702。图8A中示出了所述指701的平面结构，包括了长度相同而宽度不同的5个指，且设置有与所述第一过孔203连接的输入端；图8B中示出了所述铜板702，且设置有与所述第二过孔204连接的输出端。所述铜板702与所述指701相对设置，构成电容。电容值则与指701和铜板702的重叠面积、间距、PCB介电常数等有关。[0065] 实际生产时，也可以首先对所述微带交叉指型电容700进行仿真，设计出指701中各个指的长度和宽度，设计出铜板的面积，然后通过激光或铣刀切割整个指或部分指，来调节电容值。
[0066] 为了更进一步的提高精度，也可以设置一个标准探头，将所述有源差分探头200输出的波形与所述标准探头输出的同一波形进行比较，然后用激光或铣刀切割指来调整电容，考虑到PCB制作的误差，可以实现低于0.1pF的电容。[0067] 作为又一种变形，微带交叉指型电容300、500、600、700的所述输入端和输出端均可以任意设置，而不受位置等限制，结合图3、图5、图6可以看出，所述输入端和输出端可以与所述指的长度方向一致，设置在中间位置，也可以不设置在中间位置；结合图8也可以看出，所述输入端也可以与所述指的长度方向垂直。因此，输入端和输出端的位置对本发明没有影响。
[0068] 作为又一种变形，微带交叉指型电容300、500、600的两组指的位置当然也可以调换，例如微带交叉指型电容500也可以将绑定线设置在第一组指上，通过改变第一组指的长度来改变电容值，或者将第一组指设置为包括2个指，而将第二组指设置为包括3个指。可以看出，每一组指的数量、长度等均不会对本发明产生影响，都可以实现本发明所述的电容。
[0069] 通过以上说明可以看出，本发明的实施例解决了背景技术中所述的输入电容精度和一致性难以保证的问题，提供了一种采用微带交叉指型电容实现的有源差分探头，实现了有源差分探头的超低输入电容，在寄生电容存在的情况下探头两路输入电容的一致性良好，进而也使得不同的探头之间的一致性良好；同时也克服了因手柄端体积小而带来的PCB电路设计困难的问题，也有效的降低了因走线带来的寄生电容、寄生电感等的，且易于生产，成本低。
[0070] 以上所述的仅为本发明的具体实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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