掌握探棒的電氣特性 確保觀測與實際的波形吻合

伴隨數位化時代與數位家庭的高畫質影像，從80年代數位訊號的速度就一路往上飆漲，進入高速化之後，對於訊號品質、訊號整合性的要求，當然是日趨嚴格(圖1)。  

而偏偏高速訊號整合性涵蓋的要素廣泛，包括訊號反射、訊號損失、訊號抖動、串音、趨膚效應、分布定數、Tanδ等。因此，建構一個優質整合性的環境，的確是工程人員的責任。這裡所說的優質整合性的環境，必須做好以下幾項：  

．特性阻抗控制得宜  

．訊號反射少  

．沒有串音(Crosstalk)干擾  

．低訊號損失  

．訊號歪曲率(Skew)少  

．訊號抖動(Jitter)小  

也就是說傳送媒體與設計本身的評價，是相當重要的環節。理解測定系統造成的影響，是一個基礎知識。首先面臨的就是探棒(Probe)的掌握(圖2)。理由很簡單，若是不適當的使用探棒，所觀測的波形與實際的波形會有出入，便喪失量測的用意。  

尤其是當串列式先進附加技術(Serial Advanced Technology Attachment, SATA)、SATAⅡ、PCI Express等高速介面逐漸邁入主流之後，因認知不夠而發生這種現象的可能性就漸漸增加，因此必須注意。  

成就理想探棒  

認知探棒的第一步就是要理解何謂理想的探棒，要達成理想的探棒起碼有兩個要件必須滿足，其一，對於被測定的電路沒有負載效應。其二，能夠不失真地將被測定波形輸入到示波器。  

總結來說，就是要去理解探棒的電氣特性，也就是了解其等效電路以及頻率特性(或稱阻抗特性)(圖3、4)。  

頻率比較低的領域主要是由被測定電路的電阻阻抗成分所支配。就「電阻R」的領域來說，探棒對於測定對象阻抗的影響，有可能是訊號振幅的減小或是偏移(Offset)的變化。一般來說，只要Rprobe的數值大於10Rsource，就可以將誤差控制在10%以下。  

當頻率漸高之後，變成電容量使得阻抗低下。具體來說，可能對被測定電路的訊號上升時間或延遲時間拉長。  

若就「電容C」的領域來說，其容量成分的支配就如同一個低通濾波器(Low-pass Filter)。有機會因為狹脈衝(Glitch)的假訊號，而讓錯誤動作平白消失。也有可能因為探棒的接觸，或因高頻訊號衰減而不動作。因應之道，就是盡可能選擇電容量成分比較少的探棒。  

再往高頻率推移時，探棒的電感(Inductor)成分就出現了。而致命的殺手就是共振點，它會急劇地將阻低值拉低。共振點是由探棒的電容與電感所引起的。當阻低值一旦變小之後，就如同被測定電路的交流成分之負載變化，當然就會變化訊號的位階。  

畢竟，為了維持探棒本身的電容在固定值，因此，接地引線的電感量如何盡可能降低是很重要的一件事情。大約每1mm維持在1nH左右。接地引線(Ground Lead)對於共振點的影響是顯而易見。  

有一個小技巧可以將讓共振點的谷底消失，就是藉由串接一個阻尼電阻(Damping)，無形之中就可以延伸的範圍。  

多種探棒滿足需求  

代表性的探棒又可以區分成三大類，一個是阻抗分壓被動式探棒(Passive Probe)(圖5)，一個是50歐姆終端阻抗分壓探棒，另一個則是主動式探棒(Active Probe)。像高速的差動式傳輸，往往就須要使用廣帶域的主動式探棒(表1)。但是，付出的價格當然就昂貴許多。  

一個電子電路設計者所期望的理想探棒，當然就是指原來的訊號波形在接觸探棒之後，不被影響。而且，通過探棒之後，波形也不會產生變化。  

而主動式探棒有一個很明顯的特徵，會對自體訊號做訊號放大。如前面所提，探棒的頻率特性在共振頻率附近，探棒的輸入阻抗會急劇降低，因此，主動式探棒在共振頻率附近會做訊號增幅的處理。  

然而，探棒的共振頻率與測定對象的頻段相比較，在十分高的場合也不能疏忽大意。因為，若是探棒附件(Accessory)的電感成分增加，會在比原來共振頻率更低的頻帶引起共振現象。  

基於此，如何想盡辦法去抑制阻抗的下滑，是可以理解的。通常來說，一個數GHz頻帶所對應的主動式探棒，其電容量多數不會超過1pF，阻尼電阻的運用則之前面已經提過。  

另一個為了電路設計者的使用型態考量，盡可能不要附件，因此，在市面上就可以實際見到有「插座(Socket)型探棒」以及「含有銲錫型探棒」。當然，此類產品對於不能利用手持型來操作的場合，特別有幫助，好比說，間隔非常短的積體電路接腳等場合(圖6)。  

當以Gbps為基準單位的高速串列式傳送漸成為主流，因為各種應用場合上的差異，差動式探棒的運用需要一些配件的協助(圖7)。  

此外，當購買探棒之後，攸關記載相關特性的資料，最好還是研讀一番。而且，對於被測定電路的準備也很重要，例如線路基板設計階段對於截線(Stub)的避免等。  

(詳細圖表請見新通訊62期4月號)