專利名稱：探測方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明概要地涉及測量儀器的探頭，更具體來說，涉及
安裝到被測電路的探頭。
背景技術：
:探頭用于與^:測電路進行接觸。例如，如果電氣工程師 希望觀測電路板跡線上的信號活動，該工程師可選擇有源高阻抗探
頭，例如Tektronix/>司(俄勒岡州，比弗頓)出品的P7260。當工程 師將探頭的細針接觸跡線時，探針中的高輸入阻抗探頭放大器傳感信 號，并向示波器發送緩沖的復本以便顯示。 設計高速微電子電路的探頭是一大難題。理想的探頭易 于連接到被測電路，并且具有高輸入阻抗(高電阻、低電感和低電容)。 然而，用于使探頭易于連接到被測電路的大部分常用技術引起過度電 感和電容，由此損害探頭的測量帶寬和保真度。另外，每當用戶將探 針接觸跡線時，用戶可能從略微不同的角度接近跡線或者施加略微不 同的力度，從而產生略微不同的接觸電阻、電感和電容，因此產生不 可重復的測量。將探針焊接到跡線或者使用機械探測臂可在某種程度 上但不是完全緩解這些問題。這些難題在微電子電路變得更小更快時 變得更糟。 探測信號的其它難題在于，探頭放大器輸入電壓范圍可 能小于被測信號的電壓，以及探頭放大器的輸入電容可能不合乎需要 地高。為了緩解這些問題，探頭在被測信號被放大之前使用無源衰減 器來衰減被測信號，由此以等于衰減比的因子使從探針處看到的輸入 電容更小，并減小施加到探頭放大器的電壓。然而，這些無源衰減器導致增加的費用、復雜度和輸入處的等效噪聲。 另一個難題在于，在一些情況下，用戶看不到發射信號 的真實表示，除非在特定位置探測跡線。例如，如果跡線是源端接傳 輸線，則探測信號表現為失真，除非在傳輸線的最末端或者對接收器 的直接輸入處探測跡線。這是由于以下事實在源端接傳輸線上，發 射信號("前向"或"入射"波)從線路的遠端反射，并且傳播回到發 射器("反向"或"反射"波)；但是，在除了傳輸線的最末端之外的 每個位置，(探頭實際觀測的)前向和反向波的和表現為失真。然而， 對接收器的輸入一般對于探測不是可達的；例如它可能包含在封裝集 成電路中。 一個相關難題在于檢驗負載端接傳輸線的端接質量。在這 里，目的是檢驗吸收了發射到接收器的所有數據，或者等效地檢驗沒 有反射數據。同樣地，用戶希望測量沒有入射波的反射波，并且由于 與如上所述相同的原因，常規探頭是不足的。類似地，在雙向通信鏈 路的情況下，如果用戶希望僅測量在特定方向穿越該鏈路傳播的信 號，則常規探頭同樣是不足的，因為它測量兩個方向上傳播的信號的 總和。 分離前向和反向波的一種方式是使用定向耦合器。 一種 典型的定向耦合器是4端口無源孩G皮vfe^各，例如Mini-Ci ru i t s (紐約， 布魯克林)出品的BDCA1-7-33。如果將BDC/U-7-33的端口 1和端口 2 插入4皮測電路的導線，則從端口 1傳播到端口 2的前向波的一部分出 現在端口 3，而從端口 2傳播到端口 1的反向波的一部分出現在端口 4。然而，這些類型的定向耦合器是窄帶的，因而不適合于測量寬帶 ft據信號。例如，BDCA1-7-33<又適合于16 GHz與3.3 GHz之間的信 號。這對于測量例如通常具有從DC到完全達到3. 125 GHz的頻率含 量的3.125 Gb/s XAUI(擴展連接單元接口)的現代寬帶串行數據信號 是不足的。美國專利No. 3934213描述了其它類型的定向耦合器， 它們使用放大器來測量以及代數地合并傳輸線上的電流和電壓，以便形成前向和反向波的表示。這種方法利用以下事實前向波中的電壓 和電流是同相的，而反向波中的電壓和電流是180度異相的。這些定 向耦合器是寬帶的，其中它們以從DC直到所使用技術的帶寬進行工 作。然而，它們要求來自傳輸線上的若干點的測量，并且在一些情況 下甚至分割傳輸線以便進行串行測量。因此，這些類型的定向耦合器 自然不適合于常規的手持探測技術。 所需的是一種高帶寬、高保真度探頭，它易于與微電子 跡線連接并且提供可重復測量。還希望探頭具有適當的輸入范圍和低 輸入電容，同時避免與無源衰減器關聯的費用、復雜度和輸入噪聲的 不利影響。還希望探頭具有寬帶定向傳感能力。
發明內容
因此，在本發明中，將"可消費的"小探頭基板 (substrate)永久地安裝到被測電路。探頭基板包括高保真信號 通路，適合于插入被測電路的導線；以及高帶寬傳感電路，在被測信 號沿信號通路傳播時傳感被測信號。探頭基板還包括用于接納到測量 儀器的可拆卸互連器件的探頭插座。備選地，通過被測電路或互連器 件向探頭供電。當連接互連器件時，把來自測量儀器的控制信號提供 給傳感電路，并且將傳感電路的輸出提供給測量儀器。在一個實施例 中，傳感電路使用高擊穿晶體管，以便避免無源衰減。在另一個實施 例中，傳感電路包括寬帶定向傳感電路。 通過結合所附權利要求書及附圖來閱讀以下詳細描述， 本發明的目的、優點及其它新穎特征將會非常明顯。
圖1是根據本發明的探頭的分解簡化透視圖。 圖2是根據本發明的探頭的分解側視圖。 圖3是根據本發明的探頭的高輸入阻抗差分放大器的簡化示意圖。圖4是根據本發明的探頭的定向傳感電路的簡化示意圖。圖5是根據本發明的探頭的"Y"和"A"等效電路的簡 化示意圖。
具體實施例方式
圖1提供根據本發明的探頭100的簡化視圖。探頭100 包括永久地安裝到被測電路115的"可消費的"小探頭基板110。探 頭基板11Q包括高保真信號通路106,適合于插入被測電路115的 導線120;以及高帶寬傳感電路105,在被測信號沿信號通路106傳 播時傳感被測信號。探頭基板110還包括用于接納到測量儀器(未示 出)的可拆卸互連器件125的探頭插座130。可選地，通過被測電路 或互連器件125向傳感電路105供電。當連接互連器件125時，把來 自測量儀器的控制信號提供給傳感電路105,并且將傳感電路的輸出 提供給測量儀器。圖2提供探頭100更詳細的側視圖。傳感電路105是使 用倒裝芯片焊料凸點技術面朝下地安裝在探頭基板110上的集成電 路，探頭基板110又使用焊料凸點安裝到被測電路115上。導線120 包括用于接納探頭基板110的間隙205，它優選地在設計階段設計到 被測電路115中。除了將信號通路106插入導線120所需的焊料凸點 210和208之外，為了機械穩定性和阻抗控制，還可能需要額外的焊 料凸點(為簡潔起見而未示出)。探頭插座130 (它通過任何適當方式、 如環氧樹酯與探頭基板110耦合)固定互連器件125,使得它的針215 接觸墊片220，墊片220又接觸焊料凸點207并最終接觸傳感電路 105。雖然為了側一見圖的簡潔，焊料凸點207、墊片220和針215繪 制成一個路徑，但是，它們可包括多個路徑，以便接納其它信號，如 電力和控制(例如增益和偏移)。探頭基板110和被測電路115均可包括各種電介質材料，例如常規玻璃增強環氧樹酯(glass reinforced epoxy)(又稱作"FR-4")或氧化鋁(通常用于高頻應用)。其它封裝 技術(例如表面貼裝技術)可用于將傳感電路105安裝(即物理和電氣 連接)到探頭基板110,并且同樣地將探頭基板110安裝到被測電路 115。傳感電路105還可采用直接安裝到探頭基板110上的分立元件 來實現。 在梯:作中，被測信號從導線120通過焊料凸點210、 208 和通孔225向上流到信號通路106,然后又向下流回導線120。在本 發明的一個實施例中，傳感電路105通過互連器件125從測量儀器接 收電力和控制信號。因此，當互連器件125未連接時，傳感電路105 是未加電的，并且被測信號只是沿信號通路106流動。當連接互連器 件125時，將電力施加到傳感電路105,以及作為響應，傳感電3各105 傳感被測信號，并將表示它的信號發送給測量儀器。在一個備選實施 例中，傳感電路105從被測電路115獲得電力和控制信號；因此，傳 感電路105在沒有互連器件125時不一定是未加電的。 信號通路106、焊料凸點210和208、通孔225 i殳計成 保持導線120的特性阻抗，由此，最低程度地加載被測電路115并提 供高保真測量。另外，由于探頭基板110始終以同樣的方式(例如回 流焊接)與導線120連接，所以本發明提供更一致的接觸電阻、電感 和電容，以及因此與常規手持探頭相比更可重復的測量。 探頭基板110和探頭插座130是"可消費的"。也就是 說，它們設計成大批采購，并且永久地安裝到i皮測電路115上的多個 預計測試點。當用戶希望^l笨測這些測試點之一時，用戶只要將互連器 件125連接到適當的探頭插座和探頭基板。這樣，探頭100易于連接 到被測電路115 ，并且仍然具有可重復的高帶寬高保真測量。 本發明的另一個優點在于，浮皮測電^各115的固有電容防 止傳感電路105因靜電釋放(ESD)而引起損壞。也就是說，常規手持 探頭必須在探針上包括ESD保護電路，但是以損害探頭的測量帶寬和保真度的過度電容為代價。但是，假若探頭基板110永久地安裝到被 測電路115 (安裝已經在靜電可控環境中執行)，則傳感電路105可依 靠被測電路115的固有電容來防止ESD。因此，傳感電路105可使用 更少的ESD保護電路，由此提供更優的測量帶寬和保真度。 本發明的一個方面是認識到，某些類型的現代高性能晶 體管具有足夠低的輸入電容以及足夠高的擊穿電壓以致它們可用作 探頭輸入裝置。"高擊穿"晶體管通常具有很小帶寬，但是，例如出 自IBM公司(紐約，懷特普萊恩斯)的矽鍺7HP的最近的半導體工藝生 產具有低輸入電容、高擊穿電壓和高帶寬的高擊穿晶體管。因此，傳 感電路105可使用高擊穿晶體管作為其輸入，由此消除對無源衰減器 的需要。這使得可能避免無源衰減器的復雜度和過度電容，使得可能 使用不帶衰減器電阻技術的不太昂貴的封裝技術，并且在探針處提供 降低的等效噪聲，這些都使探頭基板110成為"可消費的"產品是可 行的。 在以上論述中，為了簡潔起見，導線120、焊料凸點210 和2Q8、通孔225、信號通路106表示為單端跡線。但是，導線120 可以是差分或多跡線總線。在這類情況下，焊料凸點210和208、通 孔225、信號通路106同樣是差分或多跡線總線，而各跡線具有其自 己的傳感電路105。 類似地，傳感電路105可以是高輸入阻抗單端》文大器或 差分放大器。 一種這樣的差分放大器300如圖3所示。輸入InP和 InN將晶體管Q301和Q302直接與差分信號通路106連接。在梯:作中， 控制信號OSP和OSN預偏置晶體管Q301、 Q302的尾電流以提供偏移， 由此擴大可用輸入范圍。電阻R301、 R302、 R303和R304的組合產生 跨越R303和R304的差分信號電壓，它是輸入電壓的0. 4倍。該差分 電壓經過電平轉換并施加跨越晶體管Q309和Q310的基極，它又通過 電阻R309和R310來驅動輸出OutP和OutN。當OutP和OutN驅動到 50 Q傳輸線中時，輸出電壓是輸入電壓的0. 2倍。為了容許輸入的共模電壓范圍，晶體管Q301、 Q302、 Q388和Q389是高擊穿晶體管。 雖然通過Q309和Q310將電平轉換的電壓施加到輸出，但是，電流信 號實際上經過電容C319、 C320和晶體管Q314、 Q315，并且調制晶體 管Q311和Q312中的電流，以便提供輸出信號電流。射極跟隨器Q309 和Q31Q僅由于小失配或錯誤而具有微小的信號電流。本領域的技術 人員將會理解，雖然這個分析使用50 Q特性阻抗和0. 2的衰減比， <旦是，這個電^各可適配適合任何任意特性阻抗或衰減比。
由 于探頭基板110永久地連接到被測電路115，因此，實現常規手持探 頭不易實現的測量現在是可行的。例如，在本發明的另 一個實施例中， 傳感電路105包括寬帶定向耦合器400,如圖4所示。寬帶功率分配 器405 (包括電阻R435、 R440和R445)與信號通路106串聯，端口 1 是"前向"端口，端口 2是"反向"端口，而端口 3端接R410。放 大器A425以2. 5的增益來測量端口 3與地之間的差(V》，而放大器 A4 30以2. 5的增益來測量端口 1與2之間的電壓差(Vs)。相加和相減 放大器A425與A430的輸出信號，以便分別形成前向和反向波。這種 加法和減法可采用傳感電路105中的附加電路(未示出)來執行，在這 種情況下，將所得和或差信號傳遞給測量儀器。備選地，可將兩個放 大器的輸出信號傳遞給測量儀器，在這種情況下，它們可采用測量儀 器中的電路被相加和相減，或經數字化后在軟件中被相加和相減。 為了理解電路操作，考慮功率分配器405相對于端口 1 和2對稱，并且當其它端口以50 H端4妄時，/人功率分配器的端口 1 或2看進去的阻抗為50 Q。當電流L流入端口 1時，電流0. 8 If流 出端口 2，而電流0. 2 Ir流出端口 3。同樣，因為對稱，當電流L流 入端口 2時，電流O. 8 L流出端口 1，而電流O. 2 L流出端口 3。通 過定義
Vf = If x 50Q和Vr = Irx 50n /人端口 1到端口 2的電壓差成為
Vs = 0. 2Vf — 0. 2Vr以及端口 3處的電壓為
Vp = 0. 2Vf + 0. 2Vr
求解Vf和Vr,
Vf - 2. 5 (Vp + Vs)和Vr = 2. 5 (Vp - Vs) 因此，放大器A425與A430的輸出信號的和以及差分別是前向和 反向信號。雖然前面的分析使用50 Q特性阻抗和0. 8的衰減比， 但是，這個原理可適用于任何任意阻抗或衰減比。另外，功率分配器 405可在集成電路上形成或者直接在基板110上印制，并且不同的功 率分配器電路是適合的，例如圖5所示的等效"Y"和"A"電路505 和510。 已經描述的是"可消費的"小探頭基板和探頭插座，以 及到測量儀器的可拆卸的互連器件，它易于連接到微電子跡線，并且 還提供高帶寬、高保真度測量。在一個實施例中，根據本發明的探頭 使用高擊穿晶體管來提供適當的輸入范圍和低輸入電容，同時避免與 無源衰減器關聯的費用、復雜度和輸入噪聲的不利影響。在另一個實 施例中，探頭包括寬帶定向耦合器。
權利要求
1. 一種探頭，包括探頭基板，適合于安裝到被測電路，所述探頭基板具有適合于插入所述被測電路的導線的信號通路；傳感電路，與所述信號通路耦合，用于傳感來自所述導線的被測信號；以及探頭插座，與所述探頭基板耦合，適合于接納到測量儀器的可拆卸的互連器件，所述探頭插座和互連器件為所述被測信號提供所述傳感電路與所述測量儀器之間的電氣接口。
2. 如權利要求1所述的探頭，其中，所述可拆卸的互連器件將 電力和控制信號從所述測量儀器傳遞給所述傳感電路，并且將所述傳 感電路的輸出傳遞給所述測量儀器。
3. 如權利要求2所述的探頭，其中，所述傳感電路包括具有高 擊穿特性的晶體管，所述晶體管的輸入端子直接與所述信號通路耦合 而沒有中間元件。
4. 如權利要求2所述的探頭，其中，所述傳感電路包括定向傳 感電路。
5. 如權利要求4所述的探頭，其中，所述定向傳感電路包括 功率分配器，具有第一端口、第二端口和第三端口，所述第一和第二端口插入所述信號通路，而所述第三端口被端接；第一;^文大器，用于測量所述功率分配器的所述第三端口與地之間 的電壓差；第二放大器，用于測量所述功率分配器的所述第一端口與第二端口之間的電壓差；所述第一和第二放大器的輸出之和是前向被測信號；以及 從所述第一放大器的輸出減去所述第二放大器的輸出是反向被測信號。
6. —種4果測方法，包括以下步驟把具有傳感電路和信號通路的探頭基板安裝到被測電路，使得所 述信號通路插入所述被測電路的導線；在被測信號通過所述信號通路傳播時，采用所述傳感電路來傳感 來自所述導線的所述被測信號；以及采用可拆卸的互連器件將測量儀器與所述傳感電路耦合，所述互 連器件通過與所述探頭基板耦合的探頭插座來接納，所述互連器件和 探頭插座提供所述傳感電路與所述測量儀器之間的電氣接口 。
7. 如權利要求6所述的探測方法，其中，所述耦合步驟還包括 將電力和控制信號從所述測量儀器傳遞給所述傳感電路；以及 將所述傳感電路的輸出傳遞給所述測量儀器。
8. 如權利要求7所述的探測方法，其中，所述傳感步驟還包括， 采用具有高擊穿特性的晶體管來傳感所述被測信號，所述晶體管的輸 入端子直接與所述信號通路耦合而沒有中間元件。
9. 如權利要求7所述的探測方法，其中，所述傳感步驟還包括 定向傳感所述被測信號。
10. 如權利要求9所述的探測方法，其中，所述定向傳感步驟包 括以下步驟a. 將功率分配器插入所述信號通路，所述功率分配器具有第 一端口、第二端口和第三端口，所述第一和第二端口與所述信號通路 串聯，而所述第三端口被端接；b. 測量所述功率分配器的第三端口與地之間的電壓差；c. 測量所述功率分配器的所述第一端口與第二端口之間的電 壓差；d. 相加步驟b和步驟c的所述測量，以形成前向,皮測信號；以及e. 從步驟b的所述測量中減去步驟c的所述測量，以形成反 向被測信號。
全文摘要
將“可消費的”探頭基板永久地安裝到被測電路。探頭基板包括插入被測電路的導線的高保真信號通路；以及高帶寬傳感電路，在被測信號沿信號通路傳播時傳感被測信號。探頭插座接納到測量儀器的可拆卸的互連器件。通過被測電路或互連器件向探頭供電。當連接互連器件時，把來自測量儀器的控制信號提供給傳感電路，并且將傳感電路的輸出提供給測量儀器。在一個實施例中，傳感電路使用高擊穿晶體管而不是無源衰減。在另一個實施例中，傳感電路包括寬帶定向傳感電路。
文檔編號G01R31/28GK101438177SQ200780015991
公開日2009年5月20日 申請日期2007年5月3日 優先權日2006年5月4日
發明者E·O·特拉, I·G·波洛克, M·W·奈廷格爾, R·A·諾德斯特倫, W·Q·勞 申請人:特克特朗尼克公司