8．寬溫度范圍測試探頭

很多電子設備都要在極端的外界環境溫度下工作，例如工業級芯片要求能夠在-40～85℃的環境下工作，而很多軍工級芯片的工作環境溫度范圍甚至會達到-55～125℃以上。為了驗證環境變化時的信號質量及時序裕量，就需要能夠在這些極端溫度下對信號波形進行測量。

很多設備都會被放置于一個溫箱內進行溫濕度的循環測試。但是，大部分的示波器和示波器探頭標稱的工作溫度范圍為0～40℃，如果強行把這些探頭置于溫箱內的極端環境下，很容易造成探頭的損壞。圖5.40是普通探頭的電纜外皮在高溫下被烤化的情況。除此以外，探頭內部的連接器、定位裝置、放大器等器件都有可能由于極端溫度的變化造成損壞。

為了實現極端溫度下的信號測量，傳統的方法是通過耐高溫的金屬線把信號從溫箱內部引出，并連接在探頭上進行測試（見圖5.41）。但是，由于這段引線要從溫箱內部引出，長度較長（通常為20～100cm），而且是完全沒有匹配的，所以會存在非常大的電感并嚴重影響信號質量。因此這種方法只適用于低頻信號的測試（＜1MHz）。

為了解決高低溫下測量的問題，同時又有足夠高的測量帶寬，必須采用能夠承受極端溫度的材料設計的探頭。而在具體實現方式上，又有兩種方法。

一種方式是探頭放大器等有源器件也使用能夠承受極端環境溫度的器件，并可以放置到溫箱內部進行測量（見圖5.42）。此時探頭前端的放大器可以和被測件一起放置于溫箱內，探頭的另外一端和示波器一起放置于溫箱外部。這種方式目前可以實現1.5GHz的測量帶寬，覆蓋-40～85℃的溫度范圍。

這種探頭從材料到器件都采用寬溫度范圍的設計，同時其電氣性能在很寬的溫度范圍內都能保持穩定。圖5.43是普通單端有源探頭、寬溫度范圍探頭和50Ω耐高溫電纜在-40～90℃的溫度范圍內對同一個階躍信號波形測量的結果，顯示采用了無限余輝模式以記錄信號形狀的變化軌跡。可以看到，普通有源探頭在溫度變化時由于探頭自身特性變化，測量到的波形形狀變化范圍很大；而寬溫度范圍的探頭在溫度變化時測量到的波形形狀變化較小；50Ω耐高溫電纜的特性最為穩定。雖然在這個測量對比中，使用50Ω耐高溫電纜的測量結果在溫度變化時的特性變化最小，但是電纜的直接連接方式僅適用于被測件能夠提供50Ω同軸連接接口輸出時，而在大部分情況下，使用寬溫度范圍探頭是一個更靈活的選擇。

如果希望提供更高的測量帶寬，或者覆蓋更高的溫度范圍，采用寬溫度范圍探頭就不適合了，因為探頭的放大器很難在提供高帶寬的同時，還能保持在大的溫度范圍下特性不發生變化。這時，就可以使用另一種方案?，F在很多高帶寬的差分有源探頭為了減小前端引線的影響，都采用了分體式的設計，即探頭由探頭前端和探頭放大器兩部分組成。探頭放大器內部有很多有源器件，承受不了太大的溫度變化；而探頭前端采用無源匹配網絡，采用合適的器件設計可以保證寬溫度范圍下的特性穩定。正常情況下探頭前端和探頭放大器直接相連接，而在進行寬溫度范圍測量時，可以在探頭前端和探頭放大器之間插入一對等長的耐高溫的高頻電纜。這樣，可以把探頭前端和延長電纜一起插入溫箱內進行信號連接，而探頭放大器、探頭主體和示波器都放置在溫箱外部（見圖5.44）。采用這種方式目前可以實現13GHz的測量帶寬，覆蓋-55～150℃的溫度范圍。