選對探頭事半功倍：1G有源探頭vs1G無源探頭實測分析
2025-05-16
無源探頭vs有源探頭，差別在哪里？
1、工作原理
無源探頭：通常由一個簡單的分壓器網絡組成，包括電阻、電容和補償電容。它依賴于示波器的輸入阻抗來形成分壓比，從而降低信號幅度以適應示波器的輸入范圍。無源探頭本身不包含有源器件（晶體管或放大器），因此不需為探頭供電；
有源探頭：內部包含一個放大器，可以放大信號并抵消探頭本身引入的負載效應，使得有源探頭可以提供更高的帶寬、更低的電容負載和更高的輸入阻抗。
2、主要區別
低阻無源探頭和有源探頭在示波器測試中的功能和適用范圍存在差異，區別在于輸入特性不同。
無源探頭：無信號放大電路，通過電阻分壓工作，適合測量精度要求不高的場景；
有源探頭：配備放大電路，可以用于高頻信號測量，其輸入阻抗高，寄生參數小，對測量電路本身影響小，適合對測量結果精度要求高的場景。
對于有源探頭，其價格較無源探頭昂貴，需要供電，使用時需要注意避免過度壓縮電源電壓等問題。
3、關鍵參數對比
| 參數 | 無源探頭ZP2100（1GHz） | 有源探頭ZAP1100（1GHz） |
| 帶寬 | 1GHz | 1GHz |
| 衰減比 | 10：1 | 10：1 |
| 輸入阻抗 | 500Ω || 1.5pF | 1MΩ || 2.0pF |
| 過載能力 | 相對較強 | 相對較弱 |
| 價格 | 較便宜 | 較昂貴 |
實踐必知：何時選擇1GHz有源探頭？
1GHz有源探頭在以下場景中表現優異：
高輸入阻抗需求：有源探頭提供的高輸入阻抗可以最小化對被測電路的負載效應，避免改變電路的工作狀態。
低電容負載需求：對于高速、高阻抗電路，無源探頭的高電容負載可能會導致信號畸變和帶寬下降。有源探頭的低電容負載可以減少這種影響。
需要高壓擺率的應用：探頭的壓擺率就是探頭能夠多快地響應電壓變化的速度，可以類比為彈簧的彈力，它反映了探頭對電壓變化的響應速度。高壓擺率能確保探頭準確捕捉快速變化的信號，避免測量失真。
測量差分信號：一些有源探頭支持差分測量，可以更方便地測量差分信號，例如高速USB2.0數據信號。
實測見真章：兩種探頭性能對比
為比較兩種探頭的性能，我們進行了掃頻測試：
使用N5181A射頻信號發生器輸出1MHz至1GHz的對數頻率掃頻信號，通過同軸電纜連接到測試板上配置的50Ω端接電阻，將兩個探頭分別放置在電阻兩端進行測量，模擬實際測量場景。
ZP2100無源探頭
ZAP1100有源探頭
測試結果揭示
1、波形質量對比分析
在測試過程中，我們可以觀察到無源探頭在高頻段的性能表現較差。
無源探頭波形表現：在高頻部分出現明顯的幅頻特性波動（圖1），信號失真嚴重，主要由VSWR（電壓駐波比）較差引起的反射導致，表明無源探頭對高頻信號的響應不夠理想。
有源探頭波形表現：整個頻率范圍內波形平滑穩定（圖2），高頻滾降更為平緩，整體上它能夠更好地保持原始信號的形狀和特征，顯示出更好的高頻特性，適合對精度要求較高的應用場合。
圖1 無源探頭示波器測試效果
圖2 有源探頭示波器測試效果
2、負載效應測量對比
除此之外，無源探頭較高頻段對電路的負載效應較大。
網絡分析儀的測試端口經同軸電纜連接到測試板上，由50Ω電阻端接。在此端口測得的回波損耗參數，能夠反映阻抗匹配的良好程度。理想狀況下，50Ω端接的網絡分析儀測得回波損耗應無限小。接入的探頭可視為并聯在50Ω電阻上的負載，會或多或少影響阻抗匹配。探頭的輸入阻抗越高，與50Ω電阻并聯后的阻值越接近50Ω，影響阻抗匹配程度越小。
無源探頭：200MHz以下回波損耗尚小于-13dB，但300MHz-1GHz，回波損耗迅速上升，劣化至-3dB（圖3）。
有源探頭：低頻段對電路影響非常小，700MHz處達峰值，仍有-12.5dB。與無源探頭相比，其對高頻電路的負載效應小得多，能夠更準確地保留被測信號的特性（圖4）。
圖3 無源探頭測試圖
圖4 有源探頭測試
總結
無源探頭帶寬會受到示波器帶寬的限制，當1GHz無源探頭搭配1GHz示波器，實際帶寬會小于1GHz。相比之下，在需要高帶寬、高輸入阻抗和低電容負載的場合，有源探頭無疑是最佳選擇。致遠儀器ZAP1100有源探頭與ZUS6104高精度示波器的組合設計，有效解決普通無源探頭在高頻測試中的帶寬損失問題，提供更穩定的帶寬性能，同時高輸入阻抗設計減少對被測電路的干擾，使高頻信號測試更加精準高效，適合高帶寬和低電容負載的應用場景。
