隨著信號頻率或轉換速率提高，阻抗的電容成分變成主要因素。結果，電容負荷成為主要問題。特別是電容負荷會影響快速轉換波形上的上升時間和下降時間及波形中高頻成分的幅度，那么示波器探頭對測量電容負荷有哪些影響呢？

對上升時間的影響

為說明電容負荷，讓我們考慮一下上升時間非常快的脈沖發生器，如圖4.3所示，其中理想發生器輸出上的脈沖的上升時間為零(t r=0)。但是，信號源阻抗負荷相關的電阻和電容改變了這個零上升時間。

RC積分網絡一直產生2.2RC的10-90%上升時間。這從電容器的通用時間常數曲線中推導得出。取值2.2是C通過R充電，把脈沖幅度從10%提高到90%所需的RC時間。

在圖4.3的情況下，50歐姆和20 pF的信號源阻抗導致2.2 ns的脈沖上升時間。這個2.2RC值是脈沖可以擁有的最快上升時間。

4.3.脈沖發生器的上升時間取決于其RC負荷

在探測脈沖發生器的輸出時，示波器探頭的輸入電容和電阻加到脈沖發生器的值中，如圖4.4所示，其中增加了10兆歐和11 pF的典型示波器探頭。由于示波器探頭10兆歐電阻要遠遠大于發生器的50歐姆電阻，因此示波器探頭的電阻可以忽略不計。但是，探頭的電容與負荷電容大體持平，直接增加得到31 pF的負荷電容。這提高了2.2RC的值，導致測得的上升時間提高到3.4 ns，而探測前的上升時間為2.2 ns。

通過使用示波器探頭規定電容與已知或估算源電容之比，可以估計探頭尖端電容對上升時間的影響。使用圖4.4中的值，可以估算上升時間的百分比變化如下：

C探頭尖端/C1 x 100%=11 pF/20 pF x 100%=55%

4.4.探頭增加的電容提高了RC值，同時提高了測得的上升時間

從上面可以清楚地看出，探頭選擇、尤其是示波器探頭電容的選擇會影響上升時間測量。對無源探頭，一般來說，衰減比率越大，頭部電容越低。從表4.1中可以看出這一點，其中介紹了各種無源探頭的部分探頭電容實例。

表4.1.探頭尖端電容

在需要較小的頭部電容時，應使用有源FET輸入探頭。根據具體的示波器有源探頭模型，可以提供小于等于1 pF的頭部電容。

對幅度和相位的影響

除影響上升時間外，電容負荷還影響著波形中高頻成分的幅度和相位。對此要記住，所有波形都是由正弦曲線成分構成的。50 MHz方波擁有超過100 MHz的有效諧波成分。所以不僅要考慮波形基礎頻率上的負荷效應，而且要考慮超過基礎頻率幾倍的頻率上的負荷效應。

負荷取決于探頭尖端上的總阻抗。這稱為Z p，Z p由電阻成分R p和電抗成分X p組成。電抗成分主要是電容，但在探頭中可以設計電感單元，以部分偏移電容負荷。

一般來說，Z p會隨著頻率提高而下降。大多數探頭儀器手冊會編制探頭R p數據，文檔中包括顯示Z p與頻率的關系曲線。圖4.5是普通有源探頭的實例。注意，1兆歐阻抗幅度固定在接近100 kHz。這通過認真設計示波器探頭的相關電阻單元、電容單元和電感單元實現。

4.5.有源探頭典型的輸入阻抗隨頻率變化

圖4.6說明了探頭曲線的另一個實例。在這種情況下，顯示了典型10兆歐無源探頭的Rp和X p與頻率關系。虛線(Xp)說明了電容電抗隨頻率變化。注意，X p在DC上開始下降，但R p直到100 kHz時才開始明顯滾降。通過認真設計相關R、C和L單元，再次可以偏移總負荷。

4.6.典型10兆歐無源探頭的Xp和Rp與頻率關系

如果沒有得到示波器探頭的阻抗曲線，可以使用下述公式估算最壞情況下的負荷：

X p=1/2πfC

其中：

X p=電容電抗

f=頻率

C=探頭尖端電容

如，頭部電容為11 pF的標準無源10兆歐探頭的電容電抗(X p)在50 MHz時大約為290歐姆。根據信號源阻抗，這種負荷可能會給信號幅度帶來很大影響(通過簡單的分路器動作)，其甚至可能會影響被探測的電路操作。

以上就是關于示波器探頭對測量電容負荷影響的相關介紹，如果使用中還有其他問題，歡迎登陸普科電子科技。

審核編輯：湯梓紅