在电子测量领域，精确地获取电路中电信号的波形对于分析电路的工作状态、验证设计思路以及排查故障至关重要。示波器是波形测量中最常用的仪器，通常会搭配不同类型的探头使用。其中，差分探头和无源探头是比较常见的两种类型。然而，在实际测量中，常常出现这两种探头测量同一信号时波形不一致的情况，这给工程师们带来了诸多困扰。接下来，我们将深入探讨这一现象背后的原因。
一、工作原理的差异
无源探头是示波器探头中较为基础且常用的类型。它的工作原理基于简单的电阻电容分压网络，通常采用 10:1 的衰减比例，即将输入信号衰减为原来的十分之一后传输给示波器。无源探头的输入阻抗较高，一般为 10MΩ，能够有效减少对被测电路的负载效应。在低频信号测量（通常频率低于 500MHz）时，无源探头能够较好地还原信号波形，具有成本低、结构简单、坚固耐用等优点。
差分探头则采用了更为复杂的差分放大原理。它具备正负两个输入通道，通过差分放大器对两个输入信号的差值进行放大处理。这种设计使得差分探头能够有效抑制共模干扰信号，具有较高的共模抑制比（CMRR），一般可达 80dB 以上。差分探头适合测量那些不能以地为参考的信号，例如在功率电子领域中，测量三相逆变器母线电压等浮地系统的信号。
二、测量环境的影响
在一些复杂的电磁环境中，例如存在大量开关电源、电机等干扰源的场合，无源探头由于其单端输入结构，容易受到外界电磁干扰的影响。较长的接地线在高频环境下会形成天线效应，耦合进噪声信号，从而导致测量波形出现杂散的毛刺或失真。例如，在测量开关电源的输出纹波时，如果无源探头的接地线过长，就可能会拾取到开关电源自身的高频开关噪声，使得测量得到的纹波波形上叠加大量无规律的尖峰噪声。
尽管差分探头对共模干扰有较强的抑制能力，但在面对过大的共模电压变化速率（dv/dt）时，其共模抑制比会下降。当测量一些高速功率器件（如碳化硅 MOSFET）的驱动信号时，由于其开关速度极快，dv/dt 可达 100V/ns 甚至更高，此时差分探头可能无法完全抑制共模干扰，导致测量波形出现幅度偏差或形状畸变。有工程师在测量碳化硅 MOSFET 的驱动电压时，使用差分探头得到的波形在开关瞬间出现了明显的过冲和振荡，与理论波形相差较大。经过分析发现，这是由于共模电压变化速率过大，超出了差分探头的共模抑制能力范围。
三、探头参数特性的差异
无源探头的带宽相对有限，一般常见的无源探头带宽在 500MHz 以下。当测量高频信号时，由于其自身的频率响应特性，会对信号的高频分量产生衰减，导致测量波形的上升沿变缓、幅度下降。例如，使用 500MHz 的无源探头测量一个上升时间为 530ps 的信号，即使不考虑示波器的带宽影响，经过探头后的信号上升时间也会变为 860ps，波形失真明显。
差分探头的带宽范围则较为广泛，从几十 MHz 到数 GHz 都有。但是不同带宽的差分探头在测量同一信号时也可能出现差异。带宽较低的差分探头在测量高频信号时，同样会面临高频分量丢失的问题；而带宽过高的差分探头在测量低频信号时，可能会引入更多的噪声，因为其对低频信号的滤波效果相对较弱。此外，差分探头的输入阻抗和输入电容等参数也会影响测量结果。如果输入阻抗与被测电路不匹配，会导致信号反射，造成波形畸变；输入电容过大则会对被测电路产生较大的负载效应，改变原信号的特性。
四、探头使用方法的不当
无源探头在使用时需要进行正确的补偿调节。其连接示波器的一端通常有一个可调电容，通过调整该电容，使探头的高频响应与示波器的输入特性相匹配，从而保证在不同频率下都能准确测量信号。如果补偿调节不当，在测量方波信号时，会出现过冲或下冲的现象，测量其他复杂波形时，也会导致幅度和相位的测量误差。例如，在示波器提供的低频方波校准信号下，若未将无源探头的补偿电容调整到合适值，测量得到的方波可能会出现顶部或底部的圆角，或者出现明显的振铃现象。
差分探头在使用时，两根测量线的布线方式也会影响测量结果。如果两根测量线未进行双绞，在测量高压、高速信号时，它们会像天线一样接收外界的磁场信号，尤其是在测量 SiC MOSFET 等开关速度快、电流变化速率大的器件时，测量线周围的磁场变化会在测量线中感应出干扰信号，影响测量波形的准确性。将差分探头的两根测量线进行双绞后，驱动电压波形的震荡幅度明显降低，测量结果更加接近真实值。
五、总结
差分探头和无源探头测量波形不一致是由多种因素共同作用的结果。工程师在实际测量过程中，需要充分了解两种探头的特性，根据测量需求和环境选择合适的探头，并正确使用和设置探头参数。必要时还需对测量结果进行综合分析和验证，以确保获取到准确可靠的信号波形，为电路设计和分析提供有力支持。
