高頻Probe（探棒）的頻寬測試，在前一期（138）文章中提過了。既然高頻Probe的頻寬如此高，所以在量測高頻信號時，只要Probe Tip接觸待測電路的結構有問題就會影響到真正的信號量測。在以前Probe的頻寬不是很高時，不會注意到Probe附件的重要性，現在的Probe頻寬已高達GHz，Probe附件的正確使用已經是不容忽視的課題了。本文會對影響高頻Probe量測的原理與高頻Probe附件的應用詳細說明，雖然只是舉Tektronix的Probe為例但是應用原理是放諸四海皆準的。

影響高頻Probe量測的原因

本文中不詳細敘述Probe的原理，但是要探討影響高頻Probe量測信號的原因。一般Probe接上待測信號源的等效電路圖，如(圖一)，Ground lead的電感L大小與Probe Tip的C會產生振盪信號。

振盪信號會影響到真正的量測信號，假如與待測電路阻抗不匹配的話更容易產生反射波影響到真正的量測信號。(圖二)是得自一支4GHz的高頻Probe以不同的Tip轉接頭量測一76pS（Fluke 9500+9560）上升時間的Pulse，當使用與Tip輸入端相匹配的治具直接量測時，因為Ground的L很小，所以只有很小的Ringing產生，如(圖二)的Ref 1。Ref 2是以兩個小的導體套筒將（016-1773-00）Probe Tip與Ground pin延長所得到的圖形，可以看出Overshot增加了。Ref 3是將小導體套筒的Ground pin換成Pogo pin所量測得到的圖形，可以看出Overshot更大了，在量測值上顯示為Overshot 28.7％。Ref 4是將Probe Tip直接接觸量測點但是Ground pin換成2英吋長的導線所量測得到的圖形，圖形因為Ringing很大我們將示波器的Timebase變大縮小所得，可以看出整個信號受Ground的L影響很大，已經完全無法辨識出原來的波形圖形。

《圖一　探棒接上待測信號的等效電路圖》

《圖二　4GHz高頻Probe以不同的Tip轉接頭量測的Pulse》

由前面的測試得知Probe由Tip到Ground lead產生的L與C會導入Fc的干擾頻率，而Fc的干擾頻率會與L與C的根號成反比，所以L愈小愈好，如(公式一)所示。

《公式一》

高頻Probe規格

高頻Probe一般都會是Active Probe（主動式），頻寬都會高於1GHz以上甚至達到6GHz，而一般的高阻抗Passive Probe（被動式）頻寬的設計都不會高過500MHz。(圖三)是Active Probe（主動式）的方塊圖，可以看出Active Probe必須要在前端提供電源給放大器使用，當然前端放大器的容許輸入電壓是有限的，所以它可能容許輸入的最大電壓不會像Passive Probe（被動式）一樣大到0～400Vp-p，而可能是只有0～6Vp-p，這種只能輸入0～6Vp-p電壓的範圍稱為Dynamic range（動態範圍）。

《圖三　Active Probe的方塊圖》

雖然Active Probe（主動式）有只能輸入小範圍的電壓的缺點，但是Active Probe（主動式）有一種可以上下移動DC電壓的能力，這種能力可以補償它只能量測信號電壓的缺點稱為Offset。舉一個生活上比較易懂的比喻，如果，如(圖四)所示，有一隻飛鳥在一棟20層樓的建築物上，使用Active Probe（主動式）來觀察它的話就好比使用一望遠鏡把飛鳥放大，此時把望遠鏡上下移動，只能看到建築物的部分牆面，這種移動上下的能力就是Offset，而看到飛鳥的範圍就是Dynamic range（動態範圍）。圖三probe的Offset Amp負責Probe Offset的調整，這種Offset的調整值可以寫入EPROM中將Offset調整到最佳狀況。

在電子電路上來說經常有如(圖五)的一個AC（交流）信號載在一DC（直流）位準上的情形。如果以Passive Probe（被動式）來觀察它的話可以使用DC耦合的大輸入檔位（20V/div）把整個信號放進示波器螢光幕內，然後再以AC耦合將DC（直流）位準去除，然後以小輸入檔位（20mV/div）把整個AC信號放大。當然如果使用Active Probe（主動式）則必須調整Offset電位，才能觀察DC上面的AC信號。但是Active Probe（主動式）都有一最大的容許輸入電壓（Max），一般來說Max值都大約會是Dynamic range+Offset電壓的合。以Tektronix的P6245來說，Dynamic range＝(8V，Offset range＝(10V，所以最大的容許輸入電壓（Max）＝(15V，如(圖五)所示。

《圖四/圖五》

所以在使用Active Probe（主動式）時要注意其Dynamic range與Offset，如果高於此電壓的信號，則可能會不線性，或破壞這支probe。(圖五)是取自Tektronix P6245使用手冊的使用信號輸入示意圖，

再過來是高頻Probe的頻寬，此處要說明的是如果Probe的頻寬是足夠的，但是使用在Probe Tip或Ground lead聯接待測物的配件使用不當會嚴重的影響到高頻Probe的頻寬。所以必須熟悉的認識且正確的使用你的Probe配件。

高頻Probe配件的特性與原理

Tektronix出產的Active probe附件繁多可以，如(圖六)所示，它主要的目的其實就是要降低接地線迴路所產生的L值。因為現在電子元件的的體積是日益的縮小，但是人的手與眼睛的解析度確是固定不變的，Probe的頭（Tip）再怎麼縮也不能縮到人手不能握。為了要能方便使用者的操作與準確觸碰到待測物，所以probe的附件就必須要能配合各種量測的情況，且Probe的頭（Tip）必須要能更換不同的附件。

《圖六　Tektronix的Active probe附件》

probe的附件可以分成兩種：

(1)適用於Probe的頭量測環境的附件

因應SMT IC腳位的變化接頭；50mil JEDEC包裝的SOIC、PLCC、CLCC的Probe Tip接頭。還有0.025英吋包裝的SOIC、PLCC、CLCC的Probe Tip接頭。還有更小的0.5mm包裝的Tip接頭。

不管是何種包裝，懶惰的使用者最常使用的是，單一的一根針那一型附件，也就是說與以前使用的無法更換Tip的低頻Probe相同的（只有一跟針頭）。但IC腳的密度很高，Probe的頭（Tip）也會太大，所以附件也有較細小的Probe頭（Tip）。

(2)縮短Probe接地線環境的附件

眾所周知的Probe接地線愈短愈不會受到外界信號的干擾。其中會有金屬不同長度不同曲線形狀的接地線，也有彈簧式的接地線，另一種是2英吋長的接地線。

Probe的兩種附件主要功能是要消除不必要的干擾，以接地線來說它其實它就是一個電感L，接地線的長短會使電感L變大變小，會使得Probe頭（Tip）的輸入阻抗變化。再來是Probe的頭（Tip）與接地線會形成一個接地迴路（Loop），這個迴路會類似一個天線有收發輻射波的功能，產生不必要的干擾。

Probe接地線的所有電感L可以接地迴路面積A來換算，當然這個A會與loop的width(x)、depth(y)、待測線/trace的直徑(d)有關。

《公式二》

公式看起來很複雜，舉個例子說明。(圖七)是一個Probe量測一個信號源的等效電路圖，AWG 24的接地線形成的方形迴路為1(3 inch，可以算出L＝200nH。如果每次都要這樣計算太複雜了，不需要理會它，Tektronix P6249的Probe手冊中將所用的線材代入上面公式以一個簡單的式子來估計就可以得到L＝A/113，只要估計一下線路的面積即可約略知道L值。

《圖七　Probe量測一個信號源的等效電路圖》

而Probe Tip產生的寄生電容則會依照下列公式產生，如(公式三)所示。

《公式三》

在公式三中沒有出現f的變數，表示C對f是個常數，而對s與d有關係。(圖八)是電容C與pin space的關係圖，可以看出0.1inch會有1.1pF的電容產生，距離愈大電容愈小。

《圖八　電容C與pin space關係圖》

再加以舉例說明，Tektronix P7240是一個4GHz的Active probe，它的L＝60nH，容抗C＝1pF，當它的Tip插入一個Y型約3英吋的導線再插入待測物的腳座，一般來說Y型的導線L會增加20nH、C增加0.6pF，那麼根據公式Fc＝1/2((LC=1/（2(3.14((8(10-8(1.6(10-12）＝1/（6.28(3.577(10-10）＝445MHz

Fc的干擾頻率會與L,C的根號成反比。也就是說L與C的大小所產生的Fc如果剛好落到使用的示波器頻寬內時就會干擾到量測信號，當然如果Fc的干擾頻率落在使用的示波器頻寬外時，是不會有任何感覺的。因為以前的類比示波器頻寬大都不超過500MHz，而使用Y型約3英吋的Probe導線，L與C產生的Fc干擾頻率都落在使用的示波器頻寬外，所以沒有人去注意到Probe Tip的影響。但是現在的示波器與Probe頻寬愈來愈高，產生的Fc干擾頻率已經無法忽視了，必須小心並正確的使用Probe附件。

高頻Probe附件的使用

高頻單端Probe的附件

高頻Probe的附件很多，(圖九)是Tektroinx的高頻單端（Single-end）Probe附件的連接圖，在此先說明如何使用此Tektronix高頻Probe的附件，當然觸類旁通，使用其他廠牌的高頻Probe也應該是相同的道理。因為是單端Probe，所以此Probe只有一個輸入端、一個Ground端，這些附件大致包括：

• ●直接插入探針（Push-in probe tip）





• ●低導抗彈簧探針（Pogo pin）





• ●1～3英吋的接地線（Ground lead）





• ●Y型的雙導線連接器（Y-lead adapter）





• ●彈簧型連接器（Adapter spring）





• ●方型導線插座連接器（Square pin socket）





• ●連接頭（Connector）接地連接器（Signal-Ground adapter）





• ●準確的接腳趾連接器（Sure-Toe adapter）





• ●SMT元件夾子（SMT Klip chip）





• ●不會移動的接腳掌連接器（Sure-Foot adapter）





• ●低導抗接地腳（Low-inductance Ground lead）

直接插入探針

這是最常使用的探針頭，是簡單的直接插入探針，如(圖九a)。也是影響Probe誤差最小的探針頭，由前面的原理可知，探針頭（Tip）lead的長度愈短愈好。插入探針頭（Tip）與使用時必須要小心，量測時不要用力扭曲探針頭，因為萬一探針頭（Tip）斷在探針的pin socket中時，這隻探針可能就報銷了，所以更禁止使用任何銅線直接插入探針pin socket中充當Tip使用，一般的銅線更容易斷在探針的pin socket中。

低導抗彈簧探針

這種彈簧探針（Pogo pin），如(圖九b)所示，主要是使用於Ground lead，可以依據待測物的環境伸縮接地點，使Probe的接地線最短，產生的L最小。低導抗彈簧探針（Pogo pin）是僅次於直接接地的第二選擇，如果無法直接設計一個Socket插入probe時，建議使用彈簧探針（Pogo pin）接地。

1～3英吋的接地線

這種導線，如(圖九c)所示，唯一的好處是它可以接到任何的Ground點，壞處是會有很大的導抗產生。所附贈的Ground lead有長與短兩種，當然導線是愈短愈好。

Y型的雙導線連接器

這種導線連接器比上面的3英吋的接地線更方便，如(圖九d)，它的Ground接地可以移動，探針頭（Tip）因為接上一段導線也可能自由的移動，所以它與1～3英吋的接地線（Ground lead）有相同的問題。把以上四種配件接上4GHz的Probe配上4GHz的示波器量測一理想之Pulse（Fluke 9560產生Risetime＝76pS）得到(圖二)之振盪波形，可以看出Y型的雙導線連接器（Y-lead adapter）得到的是最差的波形，而以低導抗彈簧探針（Pogo pin）得到的是較不失真的波形。

彈簧型連接器

所謂彈簧型連接器，如(圖九e)，它適合於連接高密度的Connector。因為使用直接插入探針（Push-in probe tip）不容易接觸到Connector中間的Pin，而使用Y型的雙導線連接器（Y-lead adapter）又容易引入干擾信號，使用這種彈簧型連接器是很好的選擇，使用的方法可以參考(圖十a)。

方型導線插座連接器(圖九f)

這種連接器簡單的說只是一個套筒，是改善量測Connector（插座）中間的Pin時，無法使用前面彈簧型連接器（Pogo pin）與使用一般導線（Y-lead adapter）導抗大的問題。(圖十b)是它的使用方法，可以看出其不方便的地方是待測接腳必須與Ground pin相鄰近。

連接頭接地連接器

這種接地腳，如(圖九g)所示，適用如(圖十c)的狀況，可以縮短Ground的距離。

準確的接腳趾連接器

這種接頭比較扁平像一把小刀，如(圖九h)，比直接插入探針（Push-in probe tip）圓形的探頭更容易正確點到密度高的IC接腳，所以適合使用於高密度的IC量測。

SMT元件夾子

這種接頭是如(圖九i)一個好像飛機的夾子，這夾子可以裝在Y型的雙導線連接器（Y-lead adapter）或1～3英吋的接地線（Ground lead）上，方便於夾住SMT元件。這樣更會增大Probe Tip的導抗，使用的方法可以參考(圖十一a)。

不會移動的接腳掌連接器

這種連接器，如(圖九j)，與第八樣準確的接腳趾連接器（Sure-Toe adapter）圖九h英文名字看起來類似。由字面看起來可知，Toe為腳趾、只能碰觸一個Pin且有可能會偏離。而Foot、我們把它翻譯成「腳掌」，因為用腳掌的4根腳趾去夾住3根Pin腳時不會使Pin腳偏離，而腳掌的3個隙縫只有中間的有接觸的金屬，參考(圖十一c)。這種設計會依不同的IC而必須使用不同大小的連接器，使用的方法可以，參考(圖十一b)。

低導抗接地腳

有些IC的表面有Ground的平面，可以使用此種短導線的Ground設計，使用的方法可以參考(圖十一b)的接地線。

《圖九　Single-end探針的附件示意圖》

《圖十　方型導線插座連接器示意圖》

《圖十一》

高頻差動Probe的附件

差動（Differential）Probe有兩個輸入端（＋；－）與一個Ground端，其實體圖與等效電路，如(圖十二)所示，所以會多出許多的雙頭輸入治具（Fixture），附件盡量縮小的原因與前面的原理是相同的，為的也是減少導抗。除了前面上述的Single-end附件以外差動（Differential）Probe還增加有幾種。

• ●雙探針連接器（TwinTip adapter）





• ●適應印刷電路板（PCB）穿孔（Via）的長腳連接器（Longhorn Via adapter）





• ●直接連接器（Straight Tip adapter）





• ●可變的Tip連接器（VariTip adapter）





• ●雙腳連接器（TwinFood adapter）





• ●短Ground contact（Short Ground contact）

《圖十二　高頻差動Probe實體圖與等效電路》

雙探針連接器

這種連接器，如(圖十三a)，是適應差動（Differential）Probe有2個輸入端的連接器，它適合於IC相鄰的接腳Pin量測，但是兩個輸入端的距離是固定的。

適應印刷電路板穿孔的長腳連接器

這種連接器，如(圖十三b)，與前面的類似只是它可以調整距離的連接器，當然它更適合於IC不相鄰的接腳或距離不同的穿孔（Via）量測。

直接連接器

顧名思義這種連接器，如(圖十三c)，就是直接把連接器插入差動（Differential）Probe的兩個輸入端，兩個輸入端的距離0.1英吋（100mil），剛好適合一般PCB差動線Via的輸出距離。

可變的Tip連接器

這種連接器，如(圖十三d)，是改良直接連接器只能插入固定距離的兩個輸入端，所以其距離是大約在0.1英吋（100mil）左右。

雙腳連接器

這種連接器，如(圖十三e)，是類似（Sure-Toe adapter）這種扁平直接插入的探頭更容易正確點到密度高的IC接腳，不同的是它有兩隻扁平的插入探頭，因為是差動（Differential）Probe所以有兩個輸入端。這種設計是為了配合人手需要足夠大的Probe頭才能握得緊，但是密度高IC的接腳是很密且小的輸出，差動Probe Tip需要同時接觸兩個輸入端，所以它設計成兩個很接近的Pin腳、一長一短，且兩個Pin腳是碰在一起的。但是每一個Pin腳分成兩半，如(圖十四a)所示，右邊的不是金屬只有左邊的是金屬。這種設計在差動Probe Tip未接觸IC的兩個輸出端時不會形成Probe的兩個輸入端連接在一起成為短路，在量測接觸IC的兩個輸出端誤以為是待測物沒有輸出。一長一短的設計則是在使用長的Pin接觸第一個IC Pin腳時，將手稍微往右移動一點就可以很容易而正確的接觸到第二個IC Pin腳。

短Ground contact

如(圖十四b)所示，此種設計與圖十c的情況是相同的。

《圖十三　差動式探針附件示意圖》

《圖十四》

結論

高頻Probe的Tip連接線路如果不當容易產生不可預測的干擾信號，所以附件的正確使用是每一為工程師必備的常識，也許每個廠商的Probe形狀不太相同，但是附件的正確使用原理是相同的，希望看完此篇文章後每個工程師都能正確使用Probe的附件，不要把它們閒置在黑暗的角落。