高频Probe（探棒）的频宽测试，在前一期（138）文章中提过了。既然高频Probe的频宽如此高，所以在量测高频信号时，只要Probe Tip接触待测电路的结构有问题就会影响到真正的信号量测。在以前Probe的频宽不是很高时，不会注意到Probe附件的重要性，现在的Probe频宽已高达GHz，Probe附件的正确使用已经是不容忽视的课题了。本文会对影响高频Probe量测的原理与高频Probe附件的应用详细说明，虽然只是举Tektronix的Probe为例但是应用原理是放诸四海皆准的。

影响高频Probe量测的原因

本文中不详细叙述Probe的原理，但是要探讨影响高频Probe量测信号的原因。一般Probe接上待测信号源的等效电路图，如(图一)，Ground lead的电感L大小与Probe Tip的C会产生振荡信号。

振荡信号会影响到真正的量测信号，假如与待测电路阻抗不匹配的话更容易产生反射波影响到真正的量测信号。 (图二)是得自一支4GHz的高频Probe以不同的Tip转接头量测一76pS（Fluke 9500+9560）上升时间的Pulse，当使用与Tip输入端相匹配的治具直接量测时，因为Ground的L很小，所以只有很小的Ringing产生，如(图二)的Ref 1。 Ref 2是以两个小的导体套筒将（016-1773-00）Probe Tip与Ground pin延长所得到的图形，可以看出Overshot增加了。Ref 3是将小导体套筒的Ground pin换成Pogo pin所量测得到的图形，可以看出Overshot更大了，在量测值上显示为Overshot 28.7％。 Ref 4是将Probe Tip直接接触量测点但是Ground pin换成2英吋长的导线所量测得到的图形，图形因为Ringing很大我们将示波器的Timebase变大缩小所得，可以看出整个信号受Ground的L影响很大，已经完全无法辨识出原来的波形图形。

《图一　探棒接上待测信号的等效电路图》

《图二　4GHz高频Probe以不同的Tip转接头量测的Pulse》

由前面的测试得知Probe由Tip到Ground lead产生的L与C会导入Fc的干扰频率，而Fc的干扰频率会与L与C的根号成反比，所以L愈小愈好，如(公式一)所示。

《公式一》

高频Probe规格

高频Probe一般都会是Active Probe（主动式），频宽都会高​​于1GHz以上什至达到6GHz，而一般的高阻抗Passive Probe（被动式）频宽的设计都不会高过500MHz。 (图三)是Active Probe（主动式）的方块图，可以看出Active Probe必须要在前端提供电源给放大器使用，当然前端放大器的容许输入电压是有限的，所以它可能容许输入的最大电压不会像Passive Probe（被动式）一样大到0～400Vp-p，而可能是只有0～6Vp-p，这种只能输入0～6Vp-p电压的范围称为Dynamic range（动态范围）。

《图三　Active Probe的方块图》

虽然Active Probe（主动式）有只能输入小范围的电压的缺点，但是Active Probe（主动式）有一种可以上下移动DC电压的能力，这种能力可以补偿它只能量测信号电压的缺点称为Offset。举一个生活上比较易懂的比喻，如果，如​​(图​​四)所示，有一只飞鸟在一栋20层楼的建筑物上，使用Active Probe（主动式）来观察它的话就好比使用一望远镜把飞鸟放大，此时把望远镜上下移动，只能看到建筑物的部分墙面，这种移动上下的能力就是Offset，而看到飞鸟的范围就是Dynamic range（动态范围）。图三probe的Offset Amp负责Probe Offset的调整，这种Offset的调整值可以写入EPROM中将Offset调整到最佳状况。

在电子电路上来说经常有如(图五)的一个AC（交流）信号载在一DC（直流）位准上的情形。如果以Passive Probe（被动式）来观察它的话可以使用DC耦合的大输入档位（20V/div）把整个信号放进示波器萤光幕内，然后再以AC耦合将DC（直流）位准去除，然后以小输入档位（20mV/div）把整个AC信号放大。当然如果使用Active Probe（主动式）则必须调整Offset电位，才能观察DC上面的AC信号。但是Active Probe（主动式）都有一最大的容许输入电压（Max），一般来说Max值都大约会是Dynamic range+Offset电压的合。以Tektronix的P6245来说，Dynamic range＝(8V，Offset range＝(10V，所以最大的容许输入电压（Max）＝(15V，如(图五)所示。

《图四/图五》

所以在使用Active Probe（主动式）时要注意其Dynamic range与Offset，如果高于此电压的信号，则可能会不线性，或破坏这支probe。 (图五)是取自Tektronix P6245使用手册的使用信号输入示意图，

再过来是高频Probe的频宽，此处要说明的是如果Probe的频宽是足够的，但是使用在Probe Tip或Ground lead联接待测物的配件使用不当会严重的影响到高频Probe的频宽。所以必须熟悉的认识且正确的使用你的Probe配件。

高频Probe配件的特性与原理

Tektronix出产的Active probe附件繁多可以，如(图六)所示，它主要的目的其实就是要降低接地线回路所产生的L值。因为现在电子元件的的体积是日益的缩小，但是人的手与眼睛的解析度确是固定不变的，Probe的头（Tip）再怎么缩也不能缩到人手不能握。为了要能方便使用者的操作与准确触碰到待测物，所以probe的附件就必须要能配合各种量测的情况，且Probe的头（Tip）必须要能更换不同的附件。

《图六　Tektronix的Active probe附件》

probe的附件可以分成两种：

(1)适用于Probe的头量测环境的附件

因应SMT IC脚位的变化接头；50mil JEDEC包装的SOIC、PLCC、CLCC的Probe Tip接头。还有0.025英吋包装的SOIC、PLCC、CLCC的Probe Tip接头。还有更小的0.5mm包装的Tip接头。

不管是何种包装，懒惰的使用者最常使用的是，单一的一根针那一型附件，也就是说与以前使用的无法更换Tip的低频Probe相同的（只有一跟针头）。但IC脚的密度很高，Probe的头（Tip）也会太大，所以附件也有较细小的Probe头（Tip）。

(2)缩短Probe接地线环境的附件

众所周知的Probe接地线愈短愈不会受到外界信号的干扰。其中会有金属不同长度不同曲线形状的接地线，也有弹簧式的接地线，另一种是2英吋长的接地线。

Probe的两种附件主要功能是要消除不必要的干扰，以接地线来说它其实它就是一个电感L，接地线的长短会使电感L变大变小，会使得Probe头（Tip）的输入阻抗变化。再来是Probe的头（Tip）与接地线会形成一个接地回路（Loop），这个回路会类似一个天线有收发辐射波的功能，产生不必要的干扰。

Probe接地线的所有电感L可以接地回路面积​​A来换算，当然这个A会与loop的width(x)、depth(y)、待测线/trace的直径(d)有关。

《公式二》

公式看起来很复杂，举个例子说明。 (图七)是一个Probe量测一个信号源的等效电路图，AWG 24的接地线形成的方形回路为1(3 inch，可以算出L＝200nH。如果每次都要这样计算太复杂了，不需要理会它，Tektronix P6249的Probe手册中将所用的线材代入上面公式以一个简单的式子来估计就可以得到L＝A/113，只要估计一下线路的面积即可约略知道L值。

《图七　Probe量测一个信号源的等效电路图》

而Probe Tip产生的寄生电容则会依照下列公式产生，如(公式三)所示。

《公式三》

在公式三中没有出现f的变数，表示C对f是个常数，而对s与d有关系。 (图八)是电容C与pin space的关系图，可以看出0.1inch会有1.1pF的电容产生，距离愈大电容愈小。

《图八　电容C与pin space关系图》

再加以举例说明，Tektronix P7240是一个4GHz的Active probe，它的L＝60nH，容抗C＝1pF，当它的Tip插入一个Y型约3英吋的导线再插入待测物的脚座，一般来说Y型的导线L会增加20nH、C增加0.6pF，那么根据公式Fc＝1/2((LC=1/（2(3.14((8(10-8(1.6(10-12）＝1 /（6.28(3.577(10-10）＝445MHz

Fc的干扰频率会与L,C的根号成反比。也就是说L与C的大小所产生的Fc如果刚好落到使用的示波器频宽内时就会干扰到量测信号，当然如果Fc的干扰频率落在使用的示波器频宽外时，是不会有任何感觉的。因为以前的类比示波器频宽大都不超过500MHz，而使用Y型约3英吋的Probe导线，L与C产生的Fc干扰频率都落在使用的示波器频宽外，所以没有人去注意到Probe Tip的影响。但是现在的示波器与Probe频宽愈来愈高，产生的Fc干扰频率已经无法忽视了，必须小心并正确的使用Probe附件。

高频Probe附件的使用

高频单端Probe的附件

高频Probe的附件很多，(图九)是Tektroinx的高频单端（Single-end）Probe附件的连接图，在此先说明如何使用此Tektronix高频Probe的附件，当然触类旁通，使用其他厂牌的高频Probe也应该是相同的道理。因为是单端Probe，所以此Probe只有一个输入端、一个Ground端，这些附件大致包括：

• ●直接插入探针（Push-in probe tip）





• ●低导抗弹簧探针（Pogo pin）





• ●1～3英吋的接地线（Ground lead）





• ●Y型的双导线连接器（Y-lead adapter）





• ●弹簧型连接器（Adapter spring）





• ●方型导线插座连接器（Square pin socket）





• ●连接头（Connector）接地连接器（Signal-Ground adapter）





• ●准确的接脚趾连接器（Sure-Toe adapter）





• ●SMT元件夹子(SMT Flip chip)





• ●不会移动的接脚掌连接器（Sure-Foot adapter）





• ●低导抗接地脚（Low-inductance Ground lead）

直接插入探针

这是最常使用的探针头，是简单的直接插入探针，如(图九a)。也是影响Probe误差最小的探针头，由前面的原理​​可知，探针头（Tip）lead的长度愈短愈好。插入探针头（Tip）与使用时必须要小心，量测时不要用力扭曲探针头，因为万一探针头（Tip）断在探针的pin socket中时，这只探针可能就报销了，所以更禁止使用任何铜线直接插入探针pin socket中充当Tip使用，一般的铜线更容易断在探针的pin socket中。

低导抗弹簧探针

这种弹簧探针（Pogo pin），如(图九b)所示，主要是使用于Ground lead，可以依据待测物的环境伸缩接地点，使Probe的接地线最短，产生的L最小。低导抗弹簧探针（Pogo pin）是仅次于直接接地的第二选择，如果无法直接设计一个Socket插入probe时，建议使用弹簧探针（Pogo pin）接地。

1～3英吋的接地线

这种导线，如(图九c)所示，唯一的好处是它可以接到任何的Ground点，坏处是会有很大的导抗产生。所附赠的Ground lead有长与短两种，当然导线是愈短愈好。

Y型的双导线连接器

这种导线连接器比上面的3英吋的接地线更方便，如(图九d)，它的Ground接地可以移动，探针头（Tip）因为接上一段导线也可能自由的移动，所以它与1～3英吋的接地线（Ground lead）有相同的问题。把以上四种配件接上4GHz的Probe配上4GHz的示波器量测一理想之Pulse（Fluke 9560产生Risetime＝76pS）得到(图二)之振荡波形，可以看出Y型的双导线连接器（Y -lead adapter）得到的是最差的波形，而以低导抗弹簧探针（Pogo pin）得到的是较不失真的波形。

弹簧型连接器

所谓弹簧型连接器，如(图九e)，它适合于连接高密度的Connector。因为使用直接插入探针（Push-in probe tip）不容易接触到Connector中间的Pin，而使用Y型的双导线连接器（Y-lead adapter）又容易引入干扰信号，使用这种弹簧型连接器是很好的选择，使用的方法可以参考(图十a)。

方型导线插座连接器(图九f)

这种连接器简单的说只是一个套筒，是改善量测Connector（插座）中间的Pin时，无法使用前面弹簧型连接器（Pogo pin）与使用一般导线（Y-lead adapter）导抗大的问题。 (图十b)是它的使用方法，可以看出其不方便的地方是待测接脚必须与Ground pin相邻近。

连接头接地连接器

这种接地脚,如(图九b)所示,适用如(图十c)的状况,可以缩短Ground的距离。

准确的接脚趾连接器

这种接头比较扁平像一把小刀，如(图九h)，比直接插入探针（Push-in probe tip）圆形的探头更容易正确点到密度高的IC接脚，所以适合使用于高密度的IC量测。

SMD元件夹子

这种接头是如(图九i)一个好像飞机的夹子，这夹子可以装在Y型的双导线连接器（Y-lead adapter）或1～3英吋的接地线（Ground lead）上，方便于夹住SMT元件。这样更会增大Probe Tip的导抗，使用的方法可以参考(图十一a)。

不会移动的接脚掌连接器

这种连接器，如(图九j)，与第八样准确的接脚趾连接器（Sure-Toe adapter）图九h英文名字看起来类似。由字面看起来可知，Toe为脚趾、只能碰触一个Pin且有可能会偏离。而Foot、我们把它翻译成「脚掌」，因为用脚掌的4根脚趾去夹住3根Pin脚时不会使Pin脚偏离，而脚掌的3个隙缝只有中间的有接触的金属，参考(图十一c)。这种设计会依不同的IC而必须使用不同大小的连接器，使用的方法可以，参考(图十一b)。

低导抗接地脚

有些IC的表面有Ground的平面，可以使用此种短导线的Ground设计，使用的方法可以参考(图十一b)的接地线。

《图九　Single-end探针的附件示意图》

《图十　方型导线插座连接器示意图》

《图十一》

高频差动Probe的附件

差动（Differential）Probe有两个输入端（＋；－）与一个Ground端，其实体图与等效电路，如(图十二)所示，所以会多出许多的双头输入治具（ Fixture），附件尽量缩小的原因与前面的原理​​是相同的，为的也是减少导抗。除了前面上述的Single-end附件以外差动（Differential）Probe还增加有几种。

• ●双探针连接器(Twin Tip adapter)





• ●适应印刷电路板(PCB)贯孔(Via)的长角连接器(Longhorn Via adapter)





• ●直接连接器（Straight Tip adapter）





• ●可变的Tcp连接器(VariTip adapter)





• ●双脚连接器（TwinFood adapter）





• ●短Ground contact（Short Ground contact）

《图十二 高频差动Probe立体图与等效电路》

双探针连接器

这种连接器，如(图十三a)，是适应差动（Differential）Probe有2个输入端的连接器，它适合于IC相邻的接脚Pin量测，但是两个输入端的距离是固定的。

适应印刷电路板穿孔的长脚连接器

这种连接器，如(图十三b)，与前面的类似只是它可以调整距离的连接器，当然它更适合于IC不相邻的接脚或距离不同的穿孔（Via）量测。

直接连接器

顾名思义这种连接器，如(图十三c)，就是直接把连接器插入差动（Differential）Probe的两个输入端，两个输入端的距离0.1英吋（100mil），刚好适合一般PCB差动线Via的输出距离。

可变的Tcp连接器

这种连接器，如(图十三d)，是改良直接连接器只能插入固定距离的两个输入端，所以其距离是大约在0.1英吋（100mil）左右。

双脚连接器

这种连接器，如(图十三e)，是类似（Sure-Toe adapter）这种扁平直接插入的探头更容易正确点到密度高的IC接脚，不同的是它有两只扁平的插入探头，因为是差动（Differential）Probe所以有两个输入端。这种设计是为了配合人手需要足够大的Probe头才能握得紧，但是密度高IC的接脚是很密且小的输出，差动Probe Tip需要同时接触两个输入端，所以它设计成两个很接近的Pin脚、一长一短，且两个Pin脚是碰在一起的。但是每一个Pin脚分成两半，如(图十四a)所示，右边的不是金属只有左边的是金属。这种设计在差动Probe Tip未接触IC的两个输出端时不会形成Probe的两个输入端连接在一起成为短路，在量测接触IC的两个输出端误以为是待测物没有输出。一长一短的设计则是在使用长的Pin接触第一个IC Pin脚时，将手稍微往右移动一点就可以很容易而正确的接触到第二个IC Pin脚。

短Ground contact

如(图十四b)所示，此种设计与图十c的情况是相同的。

《图十三　差动式探针附件示意图》

《图十四》

结论

高频Probe的Tip连接线路如果不当容易产生不可预测的干扰信号，所以附件的正确使用是每一为工程师必备的常识，也许每个厂商的Probe形状不太相同，但是附件的正确使用原理是相同的，希望看完此篇文章后每个工程师都能正确使用Probe的附件，不要把它们闲置在黑暗的角落。