在选择和使用探头时，应考虑以下两个方面:
第一，由于探头有负载效应，探头会直接影响被测信号和被测电路；
其次，探头是整个示波器测量系统的一部分，会直接影响仪器的信号保真度和测试结果。
01
探针的负载效应
当探针检测到被测电路时，探针成为被测电路的一部分。探针的负载效应包括以下三个部分:
电阻负载效应；
容性负载效应；
感性负载效应。
探针的负载效应
阻性负载相当于在被测电路上并联一个电阻，可以对被测信号进行分压，影响被测信号的幅度和DC偏置。有时，当添加探针时，故障电路可能会变得正常。一般来说，建议探头的电阻R >被测源电阻的10倍，以保持幅度误差小于10%。
探头的电阻负载
容性负载相当于在被测电路上并联一个电容，可以对被测信号进行滤波，影响被测信号的上升和下降时间，影响传输延迟，影响传输互连通道的带宽。有时候加个探头，故障电路就正常了，这个电容效应起了关键作用。一般情况下，建议使用电容负载最小的探头，以减少对被测信号边缘的影响。
探头的容性负载
感性负载来自探头地线的感性效应，会与容性负载和阻性负载产生谐振，从而造成显示信号上的振铃。如果显示的信号上有明显的振铃，就要检查是被测信号的真实特征还是接地线引起的振铃。检查和确认的方法是使用尽可能短的接地线。一般情况下，建议使用最短的接地线。一般地线的电感= 1NH/mm。
探头的感性负载
02
探针类型
示波器探头可以分为两类:无源探头和有源探头。顾名思义，无源就是探头是否需要通电。
被动探头细分如下:
低电阻分压器探头；
带补偿的高阻无源探头(最常用的无源探头)；
高压探针
活动探头细分如下:
单端有源探针；
差分探头；
电流探针
最常用的高阻无源探头和有源探头简单对比如下:
主动探头和被动探头的比较
低阻分压器探头的电容负载低(1.5GHz)，价格也低，但是电阻负载很大，一般只有500欧姆或者1k欧姆，所以只适合测试源阻抗低的电路，或者只专注于时间参数测试的电路。
低输入电阻探针结构
带补偿的高阻抗无源探头是最常用的无源探头，是一般示波器的标准探头。带补偿的高阻抗无源探头输入电阻高(一般大于1兆欧)，补偿电容可调，与示波器输入相匹配，动态范围大，可测试大幅度信号(几十幅图像以上)，价格低廉。但我不知道的是输入电容太大(一般大于10pf)，带宽低(一般小于500MHz)。
普通无源探针结构
带补偿的高阻无源探头有一个补偿电容。当连接到示波器上时，一般需要调整电容值(需要用探头自带的小螺丝刀来调整，调整时将探头连接到示波器的补偿输出测试位置)来匹配示波器的输入电容，以消除低频或高频增益。下图左侧为高频或低频增益，下图右侧为调整后的补偿信号显示波形。
被动探头的补偿
高压探头是带补偿的无源探头。在增加输入电阻的基础上，衰减会增加(如100:1或1000:1等。).由于需要使用高压元件，高压探针通常具有较大的物理尺寸。
高压探头的结构
03
有源探测器
先来观察一下用600MHz无源探头和1.5GHz有源探头测试1ns上升时间阶跃信号的影响。使用脉冲发生器产生1ns阶跃信号。穿过测试夹具后，用SMA线直接连接一个带宽为1.5GHz的示波器，这样示波器上会显示一个波形(下图中的蓝色信号)，这个波形会被存储为参考波形。然后使用探针测试夹具检测测量信号。由于探针负载的影响，通过SMA直接连接的波形变为黄色，探针通道显示绿色波形。然后分别测量上升时间，可以看出无源探头和有源探头对高速信号的影响。
被动探头和主动探头对被测信号和测量结果的影响
具体测试结果如下:
使用1165A 600MHz无源探头和鳄鱼嘴接地线:受探头负载影响，上升时间变为:1.9ns；探头通道显示的波形为振铃，上升时间为:1.85ns
使用1156A 1.5GHz有源探头和5cm接地线:受探头负载影响较小，上升时间仍为1 ns探针通道显示的波形与原始信号一致，上升时间仍为1ns。
单端有源探头结构图如下，用放大器实现阻抗变换。单端有源探头具有高输入阻抗(一般大于100Kohm)和小输入电容(一般小于1pf)。它通过探针放大器连接到示波器，示波器必须使用50欧姆的输入阻抗。
有源探头带宽大(现在可以达到30GHz)，但是负载小，但是价格比较高(一般每个探头达到同带宽示波器价格的10%左右)，动态范围小(这个要注意，因为超过探头动态范围的信号无法正确测试。一般动态范围在5V左右)，易碎，需谨慎使用。
主动探针结构
差分探头结构图如下。差分放大器用于实现阻抗变换。差分探头具有高输入阻抗(通常大于50kω)和小输入电容(通常小于1pf)。它通过差分探头放大器连接到示波器，示波器必须使用50欧姆的输入阻抗。
差分探头带宽很宽(现在可达30GHz)，负载很小，共模抑制比很高，但价格相对较高(一般每个探头达到同带宽示波器价格的10%左右)，动态范围也小(这一点要注意，因为超过探头动态范围的信号无法正确测试。一般动态范围在3V左右)，比较脆弱，需要谨慎使用。
差分探头适用于测试高速差分信号(无接地)、放大器测试、电源测试、虚拟接地测试和其他应用。
差分探针结构
电流探头也是一种有源探头，它利用霍尔传感器和感应线圈来测量DC和交流电流。电流探头将电流信号转换成电压信号，示波器采集电压信号并显示为电流信号。电流探头可以测试几十毫安到几百安培的电流，使用时需要引出电流线(电流探头将导线夹在中间进行测试，不会影响被测电路)。
电流探头测试DC和低频交流电的工作原理：
当电流钳闭合，有电流的导体被包围在中心时，就会相应地出现磁场。这些磁场使霍尔传感器中的电子偏转，并在霍尔传感器的输出端产生电动势。根据这个电动势，电流探头产生一个反向(补偿)电流，送到电流探头的线圈，使电流钳中的磁场为零，防止饱和。电流探头根据反向电流测量实际电流值。利用这种方法，可以非常线性地测量大电流，包括交流-DC混合电流。
测试DC和低频时电流探头的工作原理
测试高频时电流探头的工作原理；
随着被测电流频率的增加，霍尔效应逐渐减弱。当测量没有DC分量的高频交流电流时，大部分电流通过磁场强度直接感应到电流探头的线圈。此时，探头就像一个电流互感器。电流探头直接测量感应电流，而不是补偿电流。功率放大器的输出为线圈提供低阻抗接地回路。
测试高频时电流探头的工作原理
穿越区电流探头的工作原理:
当电流探头工作在20KHz的高低频交汇处时，测量一部分由霍尔传感器实现，另一部分由线圈实现。
探头过电流区的工作原理
04
主动探针附件
现代高带宽有源探头都采用分离式设计方法，即探头放大器与探头附件分离。这种设计的优点是:
支持更多探头配件，使检测更加灵活；
投资方面，最贵的是探针放大器(一个探针放大器可以支持多种检测方式，这以前要拿几个探针才能实现)；同时探头附件保护探头放大器(即使探头附件损坏，价格也相对便宜)；
这种设计很容易实现高带宽。
探针附件
这些探头附件主要包括以下内容:
点测量探头附件(包括单端测量和差分点测量)；
焊接探头附件(包括单端焊接、差动焊接和单独ZIF焊接)；
探针附件；
差分SMA探针附件(示波器一般直接支持SMA连接，但如果需要上拉被测信号，比如HDMI，必须使用SMA探针附件)。
探头的电路结构如下图所示:
探头附件尖端会有一对阻尼电阻(一般为82ohm)，可以消除探头附件尖端电感的谐振效应。
在探头尖端的后面是一个25千欧的电阻，它决定了探头的输入阻抗(DC输入阻抗:单端25千欧，差分50千欧)。这个电阻使得被测信号传输到探头放大器的功率非常小，不会对被测信号产生很大影响。
25千欧电阻之后是同轴传输线，负责将小信号传输到放大器。这条传输线的长度可以很长，也可以很短，中间可以加一个衰减器或者耦合电容。
同轴传输线连接到50欧姆匹配(差分100欧姆匹配)的放大器。
主动式探针附件的结构
为了保持探头的精度，有源探头需要在恒温下工作，所以探头放大器不能放在高低温箱中进行高低温下的电路板测试。从探头附件结构可以看出，中间50欧姆传输线的长度并不影响检测，所以可以用一根长同轴电缆或延长同轴电缆将这根同轴电缆延长到高低温箱内，用于测试高低温下的待测电路板。
05
探头和附件的准确性验证
下图是一个例子:被测信号是一个频率为456MHz，边沿时间约为65ps的时钟信号。分别使用不同类型探头和探头附件的测试结果。
图A是1169A差分探头配12GHz和N5381A 12GHz焊接探头附件的测试结果，几乎完全再现了被测信号；
图B是500MHz无源探头的测试结果，显示信号完全失真；
图C是1169A差分探头在12GHz和长测试引线下的测试结果，显示信号有很大的超调；
图D显示了4GHz和长测试引线的1158A单端探针的测试结果。显示的信号几乎是正弦波，失真很大。
不同探针附件的测试结果比较
从图中可以看出，探头和探头附件对测试精度的影响很大，是我们在测试高速信号时要注意的重要内容之一。那么应该如何验证探头和探头配件呢？
需要脉冲代码发生器(例如81134A、3.35GHz速率、60ps边沿脉冲代码发生器)来验证探头和探头附件。如果示波器自带高速信号输出功能，也可以用示波器的这个辅助输出端口代替脉冲码发生器(例如Infiniium示波器的AUX OUT端口可以发送一个高速时钟:456MHz频率，约65ps边沿)。
另外还需要一根同轴电缆和一个测试夹具(Infiniium示波器配置的探头校准夹具可以作为探头和探头附件的验证测试夹具)。测试夹具外观为地，内部布线为信号，如下图所示。使用时，一端通过同轴电缆连接到脉冲码发生器或示波器的AUX OUT端口，另一端通过适配器连接到示波器的通道1。
探针验证夹具
然后将校验过的探头连接到通道2，探头可以通过探头附件接触测试夹具的信号和地(如果是差分探头，将+端连接到测试夹具的信号线，将-端连接到测试夹具的地)。
如果探头没有接触到信号线，屏幕上会出现一个原始波形，并被存储为参考波形；
当探头检测到信号线时，通道1的波形会发生变化，这个变化的波形就是受到探头和探头附件影响后的被测信号；
此时，在探头连接的通道2中会出现一个波形，这个波形就是探头测试的波形；
通过比较参考波形、通道1的波形和与探头连接的通道2的波形，我们可以通过测试参数直观地看到或读出它们之间的差异，并验证探头和探头附件的影响。
验证探针连接和原理。
下图是实际验证的例子。在图A中，示波器的AUX OUT通过同轴电缆连接到测试夹具，测试夹具的另一端通过SMA-PBNC适配器连接到示波器的一个通道(本例连接到通道3)，探头连接到通道1。此时，调整屏幕上的波形，以便出现边缘阶跃波形，如图C所示，并将该波形保存为参考波形。如图B所示，在测试夹具上测量经过验证的探针和附件。如图D所示，屏幕上出现三个波形。蓝色的是参考波形，绿色的是受探头影响的被测波形，黄色的是探头显示的波形。通过测试上升时间参数和过冲参数，可以确认探头及其附件的性能。
