示波器探頭基礎(chǔ)系列之五《為什么進行差分測量？》

差分電壓測量

通過使用帶有差分測量功能的示波器或前置放大器，可以大大降低這些損壞性的測量效應(yīng)。圖4表示有相同的參考接地的示波器和差分放大器的等效電路。理想的差分放大器只會放大+輸入和-輸入上的電壓差，這和電壓表非常類似，我們會探測兩個點，找到兩點之間的電壓差。在差分放大器放大兩點之間的電壓差時，它會抑制兩點之間的共模電壓。由于vCOMMON同時出現(xiàn)在我們電路的A點和B點上，差分放大器會抑制這個電壓，在示波器上顯示的就是A點和B點之差，即vA-B。

(vA-B+ vCOMMON) - (vCOMMON) = vA-B

由于差分放大器的高阻抗可以抑制vCOMMON在示波器接地上產(chǎn)生的電流從而大大降低了vCOMMON的環(huán)路電流影響。由于探頭沒有通過接地線連接到B點，因此消除了ZGND LEAD的影響，因此，vC-G和VA-B接近的程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用示波器探頭地線作為參考點的情況。由于差分放大器能夠抑制相對較高幅度的共模電壓，因此不需要把示波器浮動到不安全的狀態(tài)就可以進行高質(zhì)量的測量。

圖4 使用差分放大器的被測電路。

共模抑制比或CMRR

我們已經(jīng)討論了使用理想的差分放大器進行電壓波形測量的好處。遺憾的是，理想的差分放大器是不存在的，我們必需了解其特點和限制。我們再看一下圖4，可以看到差分放大器處理兩個電壓波形：一個是我們想看到的，一個是我們不想看到的。我們可以把它們稱為差模電壓(A點和B點之差)和共模電壓(A點和B點相對與理想地的)。我們希望看到的波形是差模信號vA-B。單端放大器的所有特點，如增益和帶寬，都適用于差分放大器的差模信號。如果您需要50MHz帶寬和足夠增益的示波器，來充分地測量參考接地信號，如vA-B，那么您就需要一個差分放大器，在差模下?lián)碛型瑯拥墓δ?。如前所述，通過應(yīng)用低阻抗并聯(lián)(ZGNDLEAD)或通過放置一個與共模信號串聯(lián)的阻抗(浮動示波器)，可以用單端示波器處理共模信號vCOMMON。差分放大器通過從測得的差分信號中減去共模信號的方法來抑制共模電壓。類似的，可以使用差分帶寬和增益指明衡量差分放大器消除或抑制共模信號的能力，只是我們現(xiàn)在想要的是衰減而不是增益。通過對差分放大器的兩個輸入同時輸入完全相同的信號(頻率、幅度和相位)，可以測量共模帶寬。對這些輸入信號，理想的差分放大器在輸出上沒有任何信號。由于實際環(huán)境是非理想的，總會產(chǎn)生一個與輸入信號的幅度和頻率相關(guān)的輸出信號。如果我們把一個1 V、1 MHz信號同時放到兩個輸入中，差分放大器以1,000的系數(shù)抑制1MHz信號。差分放大器抑制共模信號的能力通常用輸入信號的幅度除以差分輸入信號的幅度之比或共模抑制比(CMRR)表示。在本例中，1MHz時的CMRR是1,000:1。它還通常用衰減(dB)表示。CMMR是隨頻率變化的，因此應(yīng)按衰減比隨頻率的變化值來標(biāo)定這個指標(biāo)。CMRR在DC上最高，隨著頻率提高而下降。

共模電壓范圍

我們需要知道的差分放大器第二重要特點是共模電壓范圍，它表明差分放大器能夠接受的最大vCOMMON幅度。這個值通常至少要比差分電壓范圍大幾倍，標(biāo)定為一個DC值，但它也適用于AC信號的峰值電壓。差分放大器應(yīng)該有多大的共模范圍取決于測量要求。如果共模電壓是接地環(huán)路電流引起的小信號，那么一兩伏特的范圍就足夠了。但是，如果要測量的差分信號在很大的共模電壓的頂部，那么這一范圍必須很大。例如，我們假設(shè)vA-B是開關(guān)電源原邊電路中檢測電流的電阻兩端的電壓波形，vCOMMON為400 V (DC+峰值A(chǔ)C)，vA-B波形是一個電壓斜波，峰值為1 V。通過使用¸10衰減系數(shù)的探頭，vCOMMON將衰減到4 V，vA-B將衰減到10mV信號，差分放大器必須擁有至少4 V的共模范圍。

如果放大器的CMRR是10,000:1，那么差分放大器將在輸出上把4 V vCOMMON衰減到400μV水平。在這種情況下，放大器的CMRR與探頭和放大器內(nèi)部衰減器的衰減結(jié)合在一起，共模信號衰減1,000,000:1，差分信號則衰減100倍。在完好接地的示波器上，可以實現(xiàn)簡便安全準(zhǔn)確的測量。

提高CMRR

通過認(rèn)真匹配流入和流經(jīng)差分放大器的+和-信號路徑的所有屬性，可以實現(xiàn)良好的共模抑制比性能。這種匹配對探頭及對放大器都非常重要。

某些示波器通過對兩個輸入信號相減來來提高CMRR (通常稱為A-B)。在模擬示波器中，這通過顛倒一條通道，然后把它與示波器輸入段中的另一條通道相加實現(xiàn)。數(shù)字示波器(DSO)提供了多種數(shù)字函數(shù)，可以從一個采集的波形中減去另一個波形。DSO通常不會為這類運算指定CMMR，但通過考慮每條通道的精度指標(biāo)可以導(dǎo)出DC系數(shù)。如果每條通道的DC增益精度是±1%，那么CMRR可能會低達50:1，很少會好于100:1。在考慮AC信號時，CMRR會進一步惡化。在我們前面位于400 V共模信號頂部的1 V信號實例中，會輸出10mV的差分信號和40mV的共模信號。另外示波器的輸入不可能接受4 V的偏置電壓。

為獲得最優(yōu)CMRR，差分放大器使用的探頭應(yīng)設(shè)計成使CMRR達到最大。用戶需要保證以最優(yōu)方式補償探頭。