使用极零相消的高动态范围探头的制作方法

背景技术：

示波器探头被用于将电信号从被测设备(dut)传递到测量电信号的示波器的输入端。由于示波器探头的探头尖端与dut有电连接，因此探头尖端处应当呈现高阻抗，以免加载被测量的电信号。包括示波器探头的系统的带宽应当大于正被测量的电信号，以便将电信号的准确表示传递给示波器。典型的示波器探头包括探头尖端组件、一定长度的探头线缆和包括连接器的端接组件。探头尖端组件连接到所述长度的探头线缆。所述长度的探头线缆然后连接到包括连接器的端接组件，以提供与示波器的电连接。为了允许用户方便地探测dut，探头线缆的长度可以为几英尺。因此，随着测量带宽的增加，探头线缆可能是重要的损耗源。

可以使用纵坐标(y)轴上的量值与横坐标(x)轴上的频率来绘制是示波器探头的传递函数能力的特性的频率响应。理想地，示波器探头的频率响应在示波器探头的带宽上是平坦的，并且示波器探头被设计成使频率响应的平坦度在其他目标中最大化。

已知示波器探头的例子是图1a所示的无源电阻分压器示波器探头。在图1a中，无源电阻分压器示波器探头包括尖端电阻器101、线缆102和端接电阻器103。图1a中的无源电阻分压器示波器探头被布置成使得来自dut的到探头尖端的输入v输入位于左侧并且到示波器的输出v输出位于右侧。线缆102的线缆特性阻抗zo通常为50欧姆。为了利用最高带宽并获得最平坦的频率响应，端接电阻器103应当等于线缆特性阻抗zo，并且这对尖端电阻器101设置了上限。对于10∶1无源电阻分压器探头，如果端接电阻器103具有50欧姆的电阻以匹配典型的线缆特性阻抗zo，则尖端电阻器101的电阻将会等于450欧姆。然而，如果dut的源极电阻高于约45欧姆，则尖端电阻器101的450欧姆电阻将使dut开始负担过重，使得探头尖端处和端接电阻器103两端的到gnd的寄生电容将限制带宽。

开发图1b的有源极零相消探头是为了解决图1a中的无源电阻分压器示波器探头的限制。在图1b的有源极零相消探头中，有源极零相消探头包括尖端电阻器101、线缆102、端接电阻器103、尖端电容器104、反馈电阻器105、反馈电容器106和放大器107。术语“极零”相消是指在频率响应中相互抵消的极点和零点。通过解释，在如频率响应等传递函数中，极点是分母变为零的频率，并且零点是分子变为零的频率。在图1b中，当以下文所描述的方式设定电阻器和电容器的值时，反馈极点抵消尖端零点，并且因此，图1b的探头具有有效的极零相消。更具体地，尖端电阻器101和尖端电容器104在探头频率响应中设定零点，并且反馈电阻器105和反馈电容器106的值被选择为在探头频率响应中形成等于或以其他方式偏移探头频率响应中的零点的极点。偏移有效地使探头频率响应在由极点和零点限定的频率区域中变平坦。

作为进一步的解释，图1b的有源极零相消探头中的尖端网络具有与尖端电容器104并联的尖端电阻器101。尖端电容器104通过在频率增加时从dut拉出更多电流来消去探头尖端处到gnd的寄生电容的作用，并且这在输入电流i输入中产生了s平面尖端零点。图1b的有源极零相消探头的i输入由方程式(1)设定如下：

在方程式(1)中，i输入是到线缆102的电流或所述线缆中的电流、c尖端是尖端电容器104的电容并且r尖端是尖端电阻器101的电阻。i输入沿线缆102向下行进并且端接于端接电阻器103中。放大器107被配置为求和点放大器并且迫使i输入流入反馈网络中，所述反馈网络包括反馈电阻器105和与反馈电阻器105并联的反馈电容器106。放大器107的求和点是放大器107的反相输入端处或直接连接到所述放大器的反相输入端的节点，所述节点由减号(-)符号表示。

在图1b的有源极零相消探头中，i输入流入反馈电阻器105的反馈网络中，并且反馈电容器106将反馈极点引入v输出的s平面表达式，如如下方程式(2)所表达的：

在方程式(2)中，i输入是到线缆102的电流或所述线缆中的电流、r反馈是反馈电阻器105的电阻并且c反馈是反馈电容器106的电容。将方程式(1)代入方程式(2)给出如下方程式(3)：

在方程式(3)中，r反馈是反馈电阻器105的电阻、c反馈是反馈电容器106的电容、c尖端是尖端电容器104的电容并且r尖端是尖端电阻器101的电阻。如果c反馈r反馈＝c尖端r尖端，则反馈极点抵消尖端零点，并且方程式(3)简化为如下方程式(4)：

如果图1b的有源极零相消探头是10∶1分压器探头，则其将具有r尖端＝10r反馈并且c反馈＝10c尖端。结果，典型高阻抗探头的电阻r尖端可能是几兆欧姆，并且电容c尖端可能是几皮法。这种高阻抗探头在动态范围内受到限制，因为随着v输入变大，回转电流i输入变大。放大器107具有有限转换速率，所述有限转换速率是放大器107可以响应输入电平的突然变化的最大速率。在放大器107的有限转换速率对i输入设置上限的情况下，放大器107吸收i输入。

引入如图2(下面所描述的)所示的拓扑等拓扑以使用简单的端接衰减器增加v输入的容许振幅，但是图2的拓扑中的简单端接衰减器则产生了不可接受的低频率放大器噪声增益。

附图说明

当与附图一起阅读时，说明性实施方案从以下详细描述中得到最好的理解。应强调的是，各种特征不一定按比例绘制。实际上，为了清楚讨论，可以任意地增大或减小尺寸。只要适用和实用，在整个附图和书面描述中相同的附图标记指代相同的元件。

图1a展示了已知的无源电阻分压器探头。

图1b展示了已知的有源极零相消探头。

图2展示了根据代表性实施方案的具有简单端接衰减器的有源极零示波器探头。

图3展示了根据代表性实施方案的具有ac耦合端接衰减器的有源极零示波器探头。

图4展示了图3的具有ac耦合端接衰减器的有源极零示波器探头的简化低频模型。

图5展示了图3的具有ac耦合端接衰减器的有源极零示波器探头的另一个简化低频模型。

图6展示了根据另一个代表性实施方案的具有可切换衰减的有源极零示波器探头。

图7展示了根据代表性实施方案的其上指示有断点依赖性的探头频率响应量值。

图8展示了根据另一个代表性实施方案的具有频率响应平坦度微调的高动态范围有源极零示波器探头。

技术实现要素：

本申请包括以下实施方案：

1.一种示波器探头，其包括：连接到低损耗信号线缆的尖端网络，所述尖端网络包括第一电阻器和与所述第一电阻器并联的第一电容器并且被配置成经由在所述第一电阻器与所述第一电容器之间的尖端网络节点电连接到被测设备；

所述低损耗信号线缆；以及

端接组件，所述端接组件包括：

放大器，所述放大器具有反相输入端、连接到地的非反相输入端和被配置成连接到示波器输入端的放大器输出端，

反馈网络，所述反馈网络包括第二电阻器和与所述第二电阻器并联的第二电容器并且连接在所述反相输入端与所述放大器输出端之间，以及

端接衰减器，所述端接衰减器包括：

第一回路电路，所述第一回路电路在所述低损耗信号线缆与所述放大器的所述反相输入端之间并且包括第一端接电阻器和与所述第一端接电阻器串联的第一端接电容器以及与所述第一端接电阻器和所述第一端接电容器并联的第一直流耦合电阻器；以及

第二回路电路，所述第二回路电路在所述低损耗信号线缆与地之间并且包括第二端接电阻器和与所述第二端接电阻器串联的第二端接电容器以及与所述第二端接电阻器和所述第二端接电容器并联的第二直流耦合电阻器，

其中，选择所述第一端接电阻器和所述第二端接电阻器的电阻以匹配所述低损耗信号线缆的线缆特性阻抗zo。

2.项1的示波器探头，其中，所述第一直流耦合电阻器和所述第二直流耦合电阻器的电阻高于所述第一端接电阻器和所述第二端接电阻器的电阻并且被选择为降低所述放大器的低频率噪声增益。

3.项1的示波器探头，

其中，所述示波器探头的衰减是可经由寄存器动态地选择的，所述寄存器可通过串行编程接口访问并且被配置成控制所述第二电阻器和所述第二电容器的电子微调。

4.项1的示波器探头，

其中，所述第一端接电容器、所述第二端接电容器、所述第一端接电阻器和所述第二端接电阻器被设置为在频率低于1/线缆时延时端接所述低损耗信号线缆。

5.项1的示波器探头，

其中，由所述第一电阻器、所述第一电容器、所述低损耗信号线缆的线缆电容、所述第一端接电容器、所述第二端接电容器、所述第一直流耦合电阻器和所述第二直流耦合电阻器产生探头频率响应，并且

其中，所述第一端接电容器、所述第二端接电容器、所述第一直流耦合电阻器和所述第二直流耦合电阻器的值在所述探头频率响应中产生零点并且被选择为抵消所述探头频率响应中的极点以使所述探头频率响应在由所述极点和所述零点定义的频率区域中变平坦。

6.项1的示波器探头，

其中，由所述第一电阻器和所述第一电容器设定探头频率响应中的零点，并且

选择所述第二电阻器和所述第二电容器的值以形成所述探头频率响应中的极点，以使所述探头频率响应在由所述极点和所述零点定义的频率区域中变平坦，所述极点等于由所述第一电阻器和所述第一电容器设定的所述探头频率响应中的所述零点。

7.项1的示波器探头，

其中，选择所述第一端接电容器、所述第二端接电容器、所述第一直流耦合电阻器和所述第二直流耦合电阻器的值以最小化在直流与由所述第二电阻器和所述第二电容器设定的极点频率之间的频带下的噪声、偏移和漂移。

8.项1的示波器探头，其进一步包括：

寄存器，所述寄存器可通过串行编程接口访问并且被配置成控制由所述第一端接电容器、所述第二端接电容器、所述第一直流耦合电阻器和所述第二直流耦合电阻器产生的零点频率的电子微调，以便在由用所述第一端接电容器、所述第二端接电容器、所述第一直流耦合电阻器和所述第二直流耦合电阻器产生的零点定义的频率范围内，针对所述第一端接电容器、所述第二端接电容器、所述第一直流耦合电阻器、所述第二直流耦合电阻器、所述第一电阻器、所述第一电容器和线缆电容的变化来调谐探头频率响应平坦度。

9.项1的示波器探头，其中，所述放大器和所述反馈网络实施在集成电路上，并且所述第二电阻器和所述第二电容器中的一个是可电子微调的。

10.项9的示波器探头，其进一步包括：

寄存器，所述寄存器可通过串行编程接口访问并且被配置成控制所述第二电阻器和所述第二电容器的电子微调。

11.一种极零示波器探头，其包括：连接到低损耗信号线缆的尖端网络，所述尖端网络包括第一电阻器和与所述第一电阻器并联的第一电容器并且被配置成经由在所述第一电阻器与所述第一电容器之间的尖端网络节点电连接到被测设备；

所述低损耗信号线缆；以及

端接组件，所述端接组件包括：

放大器，所述放大器具有反相输入端、连接到地的非反相输入端和被配置成连接到示波器输入端的放大器输出端，

反馈网络，所述反馈网络包括第二电阻器和与所述第二电阻器并联的第二电容器并且连接在所述反相输入端与所述放大器输出端之间，以及

端接衰减器，所述端接衰减器包括：

第一回路电路，所述第一回路电路在所述低损耗信号线缆与所述放大器的所述反相输入端之间并且包括第一端接电阻器和与所述第一端接电阻器串联的第一端接电容器以及与所述第一端接电阻器和所述第一端接电容器并联的第一直流耦合电阻器；以及

第二回路电路，所述第二回路电路在所述低损耗信号线缆与地之间并且包括第二端接电阻器和与所述第二端接电阻器串联的第二端接电容器以及与所述第二端接电阻器和所述第二端接电容器并联的第二直流耦合电阻器，

其中，所述极零示波器探头的衰减是可动态地选择的。

12.项11的极零示波器探头，

其中，所述极零示波器探头的衰减是可经由切换网络动态地选择的，所述切换网络用于在到地的连接与到所述放大器的所述反相输入端的连接之间切换所述第一回路电路和所述第二回路电路。

13.项12的极零示波器探头，

其中，所述第一回路电路和所述第二回路电路中的一个回路电路被切换为连接到地，而所述第一回路电路和所述第二回路电路中的另一个回路电路被切换为连接到所述放大器的所述反相输入端。

14.项11的极零示波器探头，

其中，所述极零示波器探头的衰减是可经由寄存器动态地选择的，所述寄存器可通过串行编程接口访问并且被配置成控制所述第二电阻器和所述第二电容器的电子微调。

15.项11的极零示波器探头，

其中，所述第一端接电容器、所述第二端接电容器、所述第一端接电阻器和所述第二端接电阻器被设置为在频率低于1/线缆时延时端接所述低损耗信号线缆。

16.项11的极零示波器探头，

其中，由所述第一电阻器、所述第一电容器、所述低损耗信号线缆的线缆电容、所述第一端接电容器、所述第二端接电容器、所述第一直流耦合电阻器和所述第二直流耦合电阻器产生探头频率响应，并且

其中，所述第一端接电容器、所述第二端接电容器、所述第一直流耦合电阻器和所述第二直流耦合电阻器的值在所述探头频率响应中产生零点并且被选择为抵消所述探头频率响应中的极点以使所述探头频率响应在由所述极点和所述零点定义的频率区域中变平坦。

17.项11的极零示波器探头，

其中，由所述第一电阻器和所述第一电容器设定探头频率响应中的零点，并且

选择所述第二电阻器和所述第二电容器的值以形成所述探头频率响应中的极点，以使所述探头频率响应在由所述极点和所述零点定义的频率区域中变平坦，所述极点等于由所述第一电阻器和所述第一电容器设定的所述探头频率响应中的所述零点。

18.项11的极零示波器探头，

其中，选择所述第一端接电容器、所述第二端接电容器、所述第一直流耦合电阻器和所述第二直流耦合电阻器的值以最小化在直流与由所述第二电阻器和所述第二电容器设定的极点频率之间的频带下的噪声、偏移和漂移。

19.项11的极零示波器探头，其进一步包括：

寄存器，所述寄存器可通过串行编程接口访问并且被配置成控制由所述第一端接电容器、所述第二端接电容器、所述第一直流耦合电阻器和所述第二直流耦合电阻器产生的零点频率的电子微调，以便在由用所述第一端接电容器、所述第二端接电容器、所述第一直流耦合电阻器和所述第二直流耦合电阻器产生的零点定义的频率范围内，针对所述第一端接电容器、所述第二端接电容器、所述第一直流耦合电阻器、所述第二直流耦合电阻器、所述第一电阻器、所述第一电容器和线缆电容的变化来调谐探头频率响应平坦度。

20.项11的极零示波器探头，其中，所述端接衰减器进一步包括：

多个开关，所述多个开关被配置成在所述低损耗信号线缆与所述放大器的所述反相输入端之间以及在所述尖端网络与地之间动态地切换所述第一回路电路并且在所述低损耗信号线缆与所述放大器的所述反相输入端之间以及在所述尖端网络与地之间切换所述第二回路电路。

具体实施方式

在以下详细描述中，出于解释而非限制的目的，阐述了公开具体细节的代表性实施方案，以提供对根据本传授内容的实施方案的透彻理解。可以省略对已知系统、设备、材料、操作方法和制造方法的描述，以避免模糊对代表性实施方案的描述。尽管如此，在本领域普通技术人员的知识范围内的系统、设备、材料和方法也在本传授内容的范围内并且可以根据代表性实施方案使用。应理解，本文所使用的术语仅用于描述特定实施方案，而不旨在是限制性的。所定义的术语是如本传授内容的技术领域中通常理解和接受的所定义术语的技术和科学含义的补充。

应当理解，虽然术语第一、第二、第三等在本文中可以用于描述各种元件或部件，但是这些元件或部件不应被这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件或部件与另一个元件或部件区分开。因此，在不脱离本公开文本的传授内容的情况下，下面讨论的第一元件或部件可以被称为第二元件或部件。

本文所使用的术语仅用于描述特定实施方案，而不旨在是限制性的。除非上下文另有明确规定，否则如本说明书和所附权利要求中使用的，术语“一个/种(a/an)”和“所述(the)”的单数形式旨在包括单数形式和复数形式两者。另外，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”和/或类似术语指定所陈述特征、元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或更多其他特征、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括关联的所列项中的一个或多个的任何和所有组合。

除非另有说明，否则当元件或部件据称“连接到”、“耦合到”或“邻近”另一个元件或部件时，将理解成，元件或部件可以直接连接或耦合到另一个元件或部件，或者可以存在中介元件或部件。也就是说，这些和类似术语涵盖了可以采用一个或多个中间元件或部件来连接两个元件或部件的情况。然而，当元件或部件据称“直接连接”到另一个元件或部件时，这仅涵盖这两个元件或部件彼此连接而没有任何中间或中介元件或部件的情况。

鉴于前述内容，本公开文本通过其各个方面、实施方案和/或具体特征或子分量中的一种或多种因此旨在带来如下文具体指出的优点中的一个或多个优点。出于解释而非限制的目的，阐述了公开具体细节的示例实施方案，以提供对根据本传授内容的实施方案的透彻理解。然而，偏离本文所公开的具体细节的与本公开文本一致的其他实施方案仍然在所附权利要求的范围内。此外，可以省略对公知装置和方法的描述，以免模糊对示例实施方案的描述。这些方法和装置在本公开文本的范围内。

图2展示了根据代表性实施方案的具有简单端接衰减器的有源极零示波器探头。

图2的具有简单端接衰减器的有源极零示波器探头包括第一电阻器201、低损耗信号线缆202、第一电容器204、第二电阻器205、第二电容器206、放大器207、第一端接电阻器218和第二端接电阻器219。在图2和本文的其他实施方案中，放大器207具有连接到地的非反相输入端、反相输入端和被配置成连接到示波器输入端的放大器输出端。第一端接电阻器218和第二端接电阻器219代替了图1a和图1b中的端接电阻器103。也就是说，图1b中的端接电阻器103被分成到求和点第一端接电阻器218和到地gnd的第二端接电阻器219。

对于图2和下文稍后描述的实施方案，低损耗信号线缆202以其特性阻抗端接于示波器处并且用于将信号从dut传递到示波器。本文所描述的“低损耗信号线缆”是具有dc电阻在0.5欧姆与5欧姆之间的中心导体的线缆。

图2的有源极零示波器探头包括与图1b的已知极零相消探头的相似性。例如，在图2中，尖端电路包括第一电阻器201和与第一电阻器201并联的第一电容器204。另外，反馈电路包括第二电阻器205、与第二电阻器205并联的第二电容器206以及放大器207。在图2中，简单端接衰减器包括第一端接电阻器218和第二端接电阻器219，并且简单端接衰减器在放大器207之前衰减i输入。

图2中的拓扑通过在i输入到达放大器207之前衰减i输入来帮助增加v输入的容许振幅。输入电流i输入的一部分还分流到gnd作为i2。r端接1是第一端接电阻器218的电阻，并且r端接2是第二端接电阻器219的电阻。如果r端接1||r端接2＝低损耗信号线缆202的线缆特性阻抗即zo，则所述线仍以zo端接。然而，这则意味着通过第一端接电阻器218和第二端接电阻器219从求和点到gnd存在低阻抗路径。放大器207的噪声增益由方程式(5)设定如下：

如先前关于图1b所描述的，典型的高阻抗示波器探头可以具有几兆欧的尖端网络电阻器r尖端和反馈网络电阻器r反馈。尖端网络连接到低损耗信号线缆202并且被配置成将示波器探头经由尖端网络电阻器r尖端与尖端网络电容器c尖端之间的尖端网络节点电连接到被测设备(dut)。

根据衰减值，图2的第一端接电阻器218和第二端接电阻器219将在最多几百欧姆时组合起来。然而，这则意味着放大器207的低频率噪声增益可以是几千。放大器207的偏移、漂移和低频率噪声将乘以对输出v输出的这个噪声增益，并且对于典型的放大器，这在给定的参数下可能是不可接受的。因此，图2中的拓扑呈现出了由其中示出的端接衰减器引起的低频率噪声增益的问题。

图3展示了根据代表性实施方案的具有ac耦合端接衰减器的有源极零示波器探头。

图3的具有ac耦合端接衰减器的有源极零示波器探头包括第一电阻器201、与第一电阻器201并联的第一电容器204、低损耗信号线缆202、第二电阻器205、第二电容器206和放大器207。图3的具有ac耦合端接衰减器的有源极零示波器探头还包括在低损耗信号线缆202与放大器207的反相输入端之间的第一回路电路和在低损耗信号线缆202与地之间的第二回路电路。第一回路电路包括第一端接电阻器281、与第一端接电阻器281串联的第一端接电容器282、以及与第一端接电阻器281和第一端接电容器282并联的第一直流耦合电阻器283。第二回路电路包括第二端接电阻器291、与第二端接电阻器291串联的第二端接电容器292、以及与第二端接电阻器291和第二端接电容器292并联的第二直流耦合电阻器293。图3中的ac耦合端接衰减器包括第一回路电路和第二回路电路。如本文所述，对于图3的实施方案和其他实施方案，第一端接电容器282、第二端接电容器292、第一端接电阻器281和第二端接电阻器291或等效元件可以被设置为在频率低于1/线缆时延时端接低损耗信号线缆202。另外，第一直流耦合电阻器283和第二直流耦合电阻器293可以具有高于第一端接电阻器281和第二端接电阻器291的电阻的电阻并且被选择为降低放大器207的低频增益。

在图3的实施方案中，图3中的有源极零示波器探头的探头频率响应是由第一电阻器201、第一电容器204、低损耗信号线缆202的线缆电容、第一端接电阻器281、第一直流耦合电阻器283、第二端接电阻器291、第二直流耦合电阻器293、第一端接电容器282和第二端接电容器292产生的。第一直流耦合电阻器283和第二直流耦合电阻器293提供低频衰减。第一端接电阻器281和第二端接电阻器291提供高频衰减，并且第一端接电容器282和第二端接电容器292提供ac衰减。

在图3的实施方案中，在低频率下，在ω＜＜1/c端接r端接的情况下，ac耦合端接衰减器通过第一直流耦合电阻器283和第二直流耦合电阻器293dc耦合到gnd。第一直流耦合电阻器283和第二直流耦合电阻器293的电阻值可以被选择为远远大于第一端接电阻器281和第二端接电阻器291的电阻值，以降低低频率噪声增益。

在图3中，当以前述方式设定电阻器和电容器的值时，反馈极点可以抵消尖端零点，使得图3中的有源极零示波器探头具有有效的极零相消。更具体地，第一电阻器201和第一电容器204可以在探头频率响应中设置零点，并且第二电阻器205和第二电容器206的值可以被选择为在探头频率响应中形成等于或以其他方式偏移探头频率响应中的零点的极点。此外，第一端接电容器282、第二端接电容器292、第一直流耦合电阻器283和第二直流耦合电阻器293的值可以在探头频率响应中产生零点并且可以被选择为抵消或以其他方式偏移探头频率响应中的极点，以便有效地使探头频率响应在由极点和零点定义的频率区域中变平坦。

在图3和本文的其他实施方案中，端接组件可以包括放大器207、包括第二电阻器205和第二电容器206的反馈网络、以及包括第一回路电路和第二回路电路的端接衰减器。

图4展示了图3的具有ac耦合端接衰减器的有源极零示波器探头的简化低频模型。

图4的简化低频模型包括第一电阻器201、与第一电阻器201并联的第一电容器204、第二电阻器205、第二电容器206和放大器207。包括第一电阻器201和第一电容器204的尖端网络连接到低损耗信号线缆202并且再次被配置成将示波器探头经由在第一电阻器201与第一电容器204之间的尖端网络节点电连接到被测设备(dut)。

图4的简化低频模型还包括在尖端网络与放大器207的反相输入端之间的第一回路电路和在尖端网络与地之间的第二回路电路。第一回路电路包括第一端接电容器282和与第一端接电容器282并联的第一直流耦合电阻器283。第二回路电路包括第二端接电容器292和与第二端接电容器292并联的第二直流耦合电阻器293。

在图4的简化低频模型中，与图3的具有ac耦合端接衰减器的有源极零示波器探头相比，移除了第一端接电阻器281和第二端接电阻器291。可以移除第一端接电阻器281和第二端接电阻器291，因为第一端接电阻器和第二端接电阻器的电阻远远低于第一端接电容器282和第二端接电容器292的阻抗。在低频率下，低损耗信号线缆202现在端接于比线缆特性阻抗zo大得多的阻抗，并且因此表现为到gnd的另外的电容c线缆。

图5展示了图3的具有ac耦合端接衰减器的有源极零示波器探头的另一个简化低频模型。

图5的简化低频模型包括第一电阻器201、与第一电阻器201并联的第一电容器204、第二电阻器205、第二电容器206和放大器207。图5的简化低频模型还包括在尖端网络与放大器207的反相输入端之间的第一回路电路，但不包括在尖端网络与地之间的先前的第二回路电路。第一回路电路包括第一端接电容器282和与第一端接电容器282并联的第一直流耦合电阻器283。

为了计算电流ix的到达图4中的衰减器的部分的表达式作为v输入的函数，可以作出进一步简化。由于第一直流耦合电阻器283和第一端接电阻器281连接到由放大器207保持为0v的求和点，因此第一直流耦合电阻器和第一端接电阻器基本上表现为与第二直流耦合电阻器293和第二端接电阻器291并联。这产生了图5的进一步简化的电路。

根据v输入计算图5的简化电路中的i和产生了如下方程式(6)：

将方程式(6)与方程式(1)进行比较表明，向端接点添加c端接和r直流导致到达放大器的电流的表达式中具有另外的零点和极点。理想地，i和表达式将会仅包含涉及第一电阻器201和第一电容器204的零点(即，c尖端r尖端)，所述零点然后可以利用涉及第二电阻器205和第二电容器206的反馈极点(即，c反馈r反馈)来抵消。

如果选择r直流使得r直流满足如下方程式(7)：

则涉及方程式(6)中的c端接r直流的零点抵消方程式(6)中的极点。传递函数v输出/v输入变为如下方程式(8)：

在上面的方程式(8)中，选择尖端电阻器和反馈电阻器以及尖端电容器和反馈电容器的值以满足如下方程式(9)：

c反馈r反馈＝c尖端r尖端(9)

也就是说，选择尖端电阻器和反馈电阻器以及尖端电容器和反馈电容器的值，使得反馈极点抵消尖端零点。

操纵方程式(7)、(8)和(9)表明，dc增益是电阻器之比，并且中频增益是电容器之比。dc增益用方程式(10)表达并且中频增益用方程式(11)表达如下：

(ω＜＜1/r端接c端接)

在高频率下，在ω＞＞1/r端接c端接的情况下，端接点接近r端接，如果r端接＝线缆的线缆特性阻抗zo，则r端接将正确地端接线缆。然后，高频(hf)增益由方程式(12)表达如下：

如果c端接＞＞c线缆+c尖端，则中频增益与hf增益之间的不平坦度会最小化。

图6展示了根据另一个代表性实施方案的具有可切换衰减的有源极零示波器探头。

图6的具有可切换衰减的有源极零示波器探头包括第一电阻器201、与第一电阻器201并联的第一电容器204、低损耗信号线缆202、第二电阻器205、第二电容器206和放大器207。图6的具有可切换衰减的有源极零示波器探头还包括第一回路电路和第二回路电路。第一回路电路和第二回路电路可在低损耗信号线缆202与放大器207的反相输入端之间以及在低损耗信号线缆202与地之间动态地切换。第一回路电路包括第一端接电阻器681和与第一端接电阻器681串联的第一端接电容器682以及与第一端接电阻器681和第一端接电容器682并联的第一直流耦合电阻器683。第二回路电路包括第二端接电阻器691和与第二端接电阻器691串联的第二端接电容器692以及与第二端接电阻器691和第二端接电容器692并联的第二直流耦合电阻器693。如本文所述，对于图6的实施方案和其他实施方案，第一端接电容器682、第二端接电容器692、第一端接电阻器681和第二端接电阻器691或等效元件可以被设置为在频率低于1/线缆时延时端接低损耗信号线缆202。

在图6的实施方案中，使用动态可切换的两部分衰减器来对输入电流进行分流。这两个部分各自可经由切换网络切换，使得一个部分可以经由到地的连接而连接到地并且另一个部分可以经由到放大器207的求和点的连接而连接到放大器207的求和点。第一开关685切换第一回路电路，并且第二开关695切换第二回路电路。也就是说，使用第一开关685和第二开关695来选择将哪些分支电流路由到放大器207的求和点。这一布置提供了输入电流衰减值1、n/(n+1)和...1/(n+1)。

选择第一直流耦合电阻器683和第二直流耦合电阻器693以及第一端接电容器682和第二端接电容器692的电阻值以满足上面的方程式(7)。另外，线缆的线缆特性阻抗zo＝r端接||nr端接。例如，第一端接电容器682、第二端接电容器692、第一直流耦合电阻器683和第二直流耦合电阻器693的值可以在探头频率响应中产生零点并且可以被选择为抵消探头频率响应中的极点以使探头频率响应在由极点和零点定义的频率区域中变平坦。

图6的技术可以扩展有多个衰减器部分，条件是通过线缆看到的净r端接＝线缆的线缆特性阻抗zo，并且净rdc和c端接满足方程式(7)。

图7展示了根据代表性实施方案的其上指示有断点依赖性的探头频率响应量值。

在图7中，本文所描述的示波器探头的频率响应量值基于上面开发的方程使显示出断点依赖性。在实施方案中，示波器探头的元件实施在集成电路上。例如，放大器207以及第二电阻器205和第二电容器206的反馈网络可以实施在集成电路上。可以使第二电阻器205和第二电容器206可电子微调以补偿集成电路工艺变化以及包括第一电阻器201和第一电容器204的探头尖端的部件的变化。可以微调第二电阻器205和第二电容器206以去除由图7中的方程式(9)指定的不平坦度。还可以使用第二电阻器205的电阻微调根据方程式(10)的低频增益。可以使用第二电容器206的电容一起微调根据方程式(11)和方程式(12)的中频增益和高频增益。当微调第二电阻器205的电阻和第二电容器206的电容时，由图7中的方程式(7)指定的不平坦度由于部件的变化而可能仍然存在。

因此，可以与由方程式(7)设定的时间常数一起使用进一步微调来校正这一不平坦度。使用最终微调来去除方程式(11)与方程式(12)之间在1/r端接c端接下的不平坦度。这些微调在下文展示在图8中。在集成电路上，所有这些微调均可以用通过串行编程接口(spi)访问的寄存器来控制。当可以使这些寄存器可通过串行编程接口访问时，可以使极零示波器探头的衰减可经由寄存器动态地选择。可以使这种寄存器可通过串行编程接口访问，并且这种寄存器可以被配置成控制由第一端接电容器682、第二端接电容器692、第一直流耦合电阻器683和第二直流电流耦合电阻器693产生的零点频率的电子微调，以便在由用第一端接电容器682、第二端接电容器692、第一直流耦合电阻器683和第二直流耦合电阻器693产生的零点定义的频率范围内，针对第一端接电容器682、第二端接电容器692、第一直流耦合电阻器683、第二直流耦合电阻器693、第一电阻器201、第一电容器204和的线缆电容的变化来调谐探头频率响应平坦度。

图8展示了根据另一个代表性实施方案的具有频率响应平坦度微调的高动态范围有源极零示波器探头。

在图8中，高动态范围有源极零示波器探头包括第一电阻器201、第一电容器204、第二电阻器205、第二电容器206和放大器207。高动态范围有源极零示波器探头还包括第一回路，所述第一回路可通过第一开关685切换并且包括第一端接电阻器681、第一端接电容器682和第一直流耦合电阻器683。高动态范围有源极零示波器探头还包括第二回路，所述第二回路可通过第二开关695切换并且包括第二端接电阻器691、第二端接电容器692和第二直流耦合电阻器693。在图8和具有可切换衰减的其他实施方案中，第一回路电路和第二回路电路中的一个回路电路切换为连接到地，而第一回路电路和第二回路电路中的另一个回路电路切换为连接到放大器207的反相输入端。

如果选择分量值使得与方程式(7)相关联的不平坦度出现在与方程式(9)相同的频率上从而使所需的微调量最小化，则c端接将会降低或c尖端将会增大。降低c端接减小了方程式(11)的中频增益，从而导致在1/r端接c端接下具有更大的不平坦度。增大c尖端增加了dut的探头负载。因此，出于本文所描述的原因，选择分量值以实现其他作用。

如上所述，具有可选输入衰减的极零探头由于能够选择输入衰减而因此增大了动态范围。另外，可以选择输入衰减器分量值以在高频率下端接探头线缆的线缆特性阻抗zo，从而增加带宽并保持平坦的高频率响应。可以选择输入衰减器分量值以最小化在dc频率和中频带频率下的频率响应不平坦度、噪声、偏移和漂移。例如，可以选择输入衰减器分量值以最小化在直流与由第二电阻器205和第二电容器206设定的极点频率之间的频带下的频率响应不平坦度、噪声、偏移和漂移。此外，如关于图8所描述的，可以提供电子微调以允许针对由于选择输入的衰减器分量值导致的分量变化使频率响应进一步变平坦。换句话说，可以提供电子微调以允许在由用第一端接电容器682、第二端接电容器692、第一直流耦合电阻器683和第二直流耦合电阻器693产生的零点定义的频率范围内，针对由第一端接电容器682、第二端接电容器692、第一直流耦合电阻器683、第二直流耦合电阻器693、第一电阻器201、第一电容器204和的线缆电容导致的变化来调谐探头频率响应。

也就是说，可以通过第一端接电容器682、第二端接电容器692、第一直流耦合电阻器683和第二直流耦合电阻器693来产生零点频率。可以使衰减经由可通过串行编程接口访问的寄存器而可动态地选择。寄存器可以被配置成控制零点频率的电子微调。因此，可以针对第一端接电容器682、第二端接电容器692、第一直流耦合电阻器683、第二直流耦合电阻器693、第一电阻器601、第一电容器604和线缆电容的变化来调谐探头频率响应平坦度。

因此，使用极零相消的高动态范围探头实现了增大的动态范围。本文所描述的示波器探头通常表征为极零示波器探头，所述极零示波器探头至少包括低损耗线缆、用于实现增大的动态范围的动态可切换(可选)衰减、或低损耗线缆和动态可切换(可选)衰减两者。

虽然已经参考几个示例性实施方案描述了使用极零相消的高动态范围探头，但是应该理解，已经使用的词语是描述性和说明性词语，而不是限制性词语。如目前陈述的并且如修改的，可以在所附权利要求的范围内进行改变，而不脱离使用极零相消的高动态范围探头在各个方面的范围和精神。虽然已经参考特定装置、材料和实施方案描述了使用极零相消的高动态范围探头，但是使用极零相消的高动态范围探头并不旨在限于所公开的细节；相反，使用极零相消的相当高动态范围探头延伸至如在所附权利要求的范围内的所有功能上等效的结构、方法和用途。

本文所描述的实施方案旨在提供对各个实施方案的结构的一般理解。图示不旨在用作对本文所描述的本公开文本的所有元素和特征的完整描述。在阅读本公开文本后，许多其他实施方案对于本领域技术人员而言会是显而易见的。可以利用其他实施方案并且其他实施方案可以从本公开文本中得到，使得可以在不脱离本公开文本的范围的情况下进行结构和逻辑替换和改变。另外，图示仅仅是代表性的并且可能未按比例绘制。图示内的某些比例可能被夸大，而其他比例可能被最小化。因此，本公开文本和附图被视为是说明性的而非限制性的。

本公开文本的一个或多个实施方案在本文中可以单独地和/或共同地由术语“苯发明”来指代，这仅仅是为了方便并且不旨在将本申请的范围自愿地限制于任何特定的发明或发明构思。此外，虽然本文已经展示并描述了具体的实施方案，但应理解，被设计以实现相同或类似目的的任何后续布置均可以代替所示出的具体实施方案。本公开文本旨在涵盖各个实施方案的任何及所有后续改编或变化。在阅读本说明书后，上述实施方案和本文未具体描述的其他实施方案的组合对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

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