5．定量測量探頭負載效應的方法

除了用雙探測法定性分析探頭負載效應以外，還可以通過實際測量來定量測量。要想知道探頭的負載阻抗如何，首先應將該探頭連接到一個匹配的示波器輸入端，然后借助儀表對探頭的輸入端進行測試。根據測試頻率范圍的要求，可以使用不同的測試儀表。

在直流頻率范圍內，推薦使用4線Kelvin方法進行精確的低輸入電阻測量。測量大電阻時，通常想要使用高電阻表（例如Agilent 4339B），而不是普通的萬用表。在生產環境中，很多用戶使用LCR表評估/檢查直流到高達數MHz頻率范圍內預定義等效模型的輸入電容、電阻和電感值。探頭探針應恰好位于將要使用它們的被測電路上。然而，不能使用這種方法執行失配負載阻抗測量，因為LCR表的激勵信號頻率不夠高，而且一階等效電路模型不足以描述高頻特性。使用阻抗分析儀可獲得從Hz到GHz范圍內的阻抗，但其主要的限制是測試治具，不容易找到或做出來。

VNA（矢量網絡分析儀）具有很大的動態范圍，使其能夠從小阻抗到大阻抗的頻率范圍內進行精確的測量。測試夾具有時只是一條簡單的50Ω饋通傳輸線（例如一些高帶寬示波器選配的性能驗證和偏移校正夾具）。用戶可以從阻抗曲線的第一RC諧振頻點導出輸入電容和電阻，從第一LC諧振頻點導出輸入電感。VNA還可直接以復數形式顯示失配負載諧振頻率和幅度，以便在現代示波器的去嵌入算法中使用，從而消除負載效應。根據負載的不同特性，有三種設置VNA測量的不同方法。

|針對低阻抗探頭（輸入阻抗在幾百歐姆到幾千歐姆）：低阻抗電阻分壓探頭具有低電容負載和高帶寬。較之有源探頭，它可提供精確的定時測量，且成本相對較低。1端口S11測量可用于執行這類探頭的阻抗測量。這種方法簡單易用，只需校準一個端口。它最適用于表征50Ω輸入阻抗，因為它具有最高的靈敏度。然而，其缺點是在Zin遠超出50Ω時，S11將趨向于1，入射波總是完全反射。例如，當在高頻下阻抗為0.1Ω時，入射信號的反射是99.6%，此時由于采樣位數限制和定向耦合器的方向靈敏度，VNA會損失分辨率。為了充分利用VNA完整的動態范圍，可以使用2端口測量。在1端口測量中，會使用以下公式，將S11轉換為輸入阻抗：

|針對極高輸入阻抗探頭（例如很多高帶寬有源探頭）：大多數電壓探頭的輸入電阻通常都在幾千歐姆到幾百萬歐姆之間，以應對嚴重的電阻負載問題并實現高電壓測量應用。2端口（而不使用1端口）測量可以最大程度地使用VNA完整的動態范圍。將探頭探針置于50Ω跡線的開路端。如圖6.16所示，開啟VNA的端口擴展功能，以確保校準面位于這些開路端。測試中使用到一個Z型連接器，這個Z型連接要求被測對象具有一個浮動接地，以避免任何測試信號短路，因此它非常適合測量差分探頭的負載。而要想測試單端探頭，被測探頭必須用匹配負載端接。如果被測對象與示波器連接，應斷開示波器，避免任何接地連接。否則，機箱接地的泄漏電流在低頻時會導致很大的阻抗插值誤差。

測得的S21是在VNA完整的動態范圍內。使用以下公式，可以將S21轉換為輸入阻抗：

|針對極低輸入阻抗探頭（例如鉗式交流/直流電流探頭）：有時，負載阻抗非常小且難以測量。例如，將交流/直流電流探頭固定在被測對象的導線上。負載可能只有幾pH。本例未使用Z連接，而是改為Y連接，以便通過VNA完整的動態范圍測量S21。如圖6.17所示，為了測量交流/直流電流鉗的插入阻抗，通過電流探頭的導線應從測試端口焊接到地面。

然后通過S21測量并通過以下公式計算插入阻抗，該設置可精確地測量低至1mΩ的阻抗和pH范圍內的電感。

因此，當將探頭連接到電路時，探頭便成了測量的一部分，對被測電路產生負載效應。根據探頭負載效應的大小，探頭的電阻、電容和電感元器件改變被測電路行為的程度亦不同。這里介紹的每種示波器探頭的負載效應及根據負載的特性執行精確的插入阻抗測量的方法都不一樣。萬用表、LCR表、阻抗分析儀和矢量網絡分析儀都有其各自的優勢和劣勢。其中VNA是測量探頭的負載效應最常用的測試方法，可以設置為多種不同的測量場景，以適用于各種情況。