為什么進(jìn)行差分測量?

電壓就是電位差

不管您知不知道，使用示波器進(jìn)行任何電壓測量的人實(shí)際上都是在進(jìn)行差分電壓測量。根據定義，電壓是衡量?jì)牲c(diǎn)之間電位差的指標。使用電壓表的人很容易理解電壓是兩點(diǎn)之間電位差的概念。只使用一條電壓表引線(xiàn)是不能測量電壓的，而必需連接另一條引線(xiàn)，以提供參考點(diǎn)。在使用示波器時(shí)，我們有時(shí)會(huì )忘了示波器上顯示的信號并不是簡(jiǎn)單的“該點(diǎn)上的信號”，而實(shí)際上是該點(diǎn)上的電壓，因為它與另外某個(gè)點(diǎn)不同。

參考“接地”測量

這另外一個(gè)點(diǎn)通常是電路的接地，一般假設其電壓為零。例如，我們假設想使用示波器測量圖1中晶體管發(fā)射極上的電壓(參考接地)。這看上去可能是一條簡(jiǎn)單的電路，但從圖2中我們可以看出，在我們包括了示波器探頭及示波器與電路之間的連接時(shí)，實(shí)際信號測量環(huán)境會(huì )變得多么復雜。vA-B表示我們希望在示波器上顯示的晶體管發(fā)射極電壓波形。Zcircuit是與晶體管發(fā)射極阻抗并聯(lián)的連接發(fā)射極的電阻器的電阻。我們將把一個(gè)點(diǎn)指配為電路中的理想接地，以便擁有穩固的參考點(diǎn)。ZSCOPE GND是示波器電源線(xiàn)地線(xiàn)的阻抗。ZCOMMON是電路公共點(diǎn)和理想接地點(diǎn)之間的阻抗。iCOMMON表示其它來(lái)源(如連接被測電路的其它儀器)流經(jīng)ZCOMMON的電流(接地環(huán)路)，得到vCOMMON。

圖1：被測電路

示波器在屏幕上實(shí)際顯示的內容是作為輸入連接器中心導線(xiàn)電壓與連接器接地電壓或vC-G之差的電壓波形。在大多數情況下。顯示的波形vC-G在很大程度上代表著(zhù)探頭觸針vA-B上的信號。通過(guò)考察圖2中電路的各個(gè)單元，我們可以理解vC-G與vA-B不同的方式和原因。

首先，如果iCOMMON、ZCOMMON和ZSCOPE GND的值為零，那么我們不需要使用探頭的地線(xiàn)，因為在公共電路和示波器接地之間沒(méi)有電壓差。但是，這些值并不是零，因此我們必須在探頭上增加一個(gè)接地連接，以并聯(lián)其效應。在探頭地線(xiàn)并聯(lián)iCOMMON、ZCOMMON和ZSCOPE GND的效應時(shí)，它會(huì )有自己的部分電阻和電感。我們把這一阻抗稱(chēng)為ZGND LEAD，其取決于地線(xiàn)的長(cháng)度。部分電流必須流出被測電路，流入示波器輸入，以在執行測量的示波器上建立一個(gè)電壓波形。流經(jīng)探頭地線(xiàn)阻抗的信號電流ZGND LEAD導致電壓下跌，使vC-G不同于vA-B。為說(shuō)明這種效應，圖3顯示了使用示波器及補償的標準示波器探頭測量的方波。第一個(gè)波形是使用探頭觸針適配器測量的，它最大限度地降低了接地連接的長(cháng)度。第二個(gè)波形和第三個(gè)波形是使用同一設備測量的，但在探頭上使用了36cm (14)和58cm (23)的地線(xiàn)。在許多測量中，地線(xiàn)阻抗引起的信號損壞可能是可以接受的，但非常重要的一點(diǎn)是知道存在這種信號損壞。再看一下圖2，在iCOMMON流經(jīng)ZCOMMON時(shí)，它會(huì )形成我們稱(chēng)為vCOMMON的電壓。如果沒(méi)有連接示波器探頭，vCOMMON會(huì )表示為A點(diǎn)和B點(diǎn)“公共的”電壓。任一點(diǎn)上相對于理想接地的電壓波形都將包括vCOMMON。B點(diǎn)等于vCOMMON，A點(diǎn)等于vA-B + vCOMMON。通過(guò)對B點(diǎn)使用示波器探頭地線(xiàn)，我們可以降低、但不能從測量中消除vCOMMON。我們不能消除vCOMMON的原因是ZGNDLEAD的值是有限的。

ZGNDLEAD、ZCOMMON和ZSCOPEGND構成一個(gè)環(huán)路，iCOMMON會(huì )流經(jīng)這個(gè)環(huán)路。iCOMMON流經(jīng)這個(gè)環(huán)路導致的電壓會(huì )進(jìn)一步破壞波形vC-G。

圖2：使用示波器連接的被測電路

“非接地”參考測量

通過(guò)打開(kāi)示波器上的安全接地，通?？梢越档蚷COMMON的影響。根據vCOMMON的幅度，這種技術(shù)可能會(huì )非常危險，在任何情況下都不建議采用這種技術(shù)。打開(kāi)示波器的安全地線(xiàn)不能消除流經(jīng)ZGND LEAD的iCOMMON，因為ZSCOPE GND與示波器變壓器形成復雜的阻抗并聯(lián)，而示波器變壓器的互卷電容則與電源系統的阻抗Z POWER TO GND串聯(lián)。我們使用的vCOMMON模型也可以解釋我們在進(jìn)行“浮動(dòng)”測量時(shí)通常會(huì )考慮的測量限制。我們假設vCOMMON是要流經(jīng)的iCOMMON低阻抗電壓電源的輸出，如試圖測量vCOMMON是電源線(xiàn)電壓的“浮動(dòng)”電源控制電路中的電壓時(shí)。即使打開(kāi)安全地線(xiàn)浮動(dòng)示波器的作法沒(méi)有危險，vCOMMON是電源線(xiàn)電壓的iCOMMON流經(jīng)示波器變壓器相互盤(pán)繞的電容和電源線(xiàn)阻抗效應，仍會(huì )損害測量結果。此外，與前面參考接地測量實(shí)例中一樣，流經(jīng)ZGNDLEAD的信號電流同樣也會(huì )損害信號。另外，還有一個(gè)不太相關(guān)的問(wèn)題：把示波器機箱浮動(dòng)到線(xiàn)路級電壓可能會(huì )在設計處理的示波器變壓器一級線(xiàn)圈和二次線(xiàn)圈之間產(chǎn)生更多的電壓，可能會(huì )損壞示波器。

圖3：探頭地線(xiàn)的影響

差分電壓測量

通過(guò)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。圖4顯示了等效電路及相同的參考接地示波器和差分放大器。理想的差分放大器只會(huì )放大其在+輸入和-輸入上看到的差。這和電壓表非常類(lèi)似，我們會(huì )探測兩個(gè)點(diǎn)，找到兩點(diǎn)之間的電壓差。在差分放大器放大兩點(diǎn)之間的差時(shí)，它會(huì )抑制兩點(diǎn)共用的任何電壓。由于vCOMMON同時(shí)出現在我們電路的A點(diǎn)和B點(diǎn)上，差分放大器會(huì )抑制這個(gè)電壓，對示波器表示A點(diǎn)和B點(diǎn)之差，即vA-B。

(v A-B + vCOMMON) - (vCOMMON) = v A-B

由于探頭的高阻抗可以防止vCOMMON在示波器接地中生成感受得到的電流，它還大大降低了vCOMMON的環(huán)路電流影響。由于探頭接地夾沒(méi)有連接到B點(diǎn)，因此消除了ZGND LEAD的影響。因此，vC-G代表VA-B的程度要遠遠高于使用示波器探頭地線(xiàn)提供負參考的情況。由于配有正確設計探頭的差分放大器能夠抑制相對較高幅度的公共電壓，因此不需要把示波器浮動(dòng)到不安全的水平，就可以進(jìn)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(jìn)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，我們必需了解其部分特點(diǎn)和限制。我們再看一下圖4，可以看到差分放大器處理兩個(gè)電壓波形：一個(gè)是我們想看到的，一個(gè)是我們不想看到的。我們可以把它們稱(chēng)為差模波形(A點(diǎn)和B點(diǎn)之差)和共模波形(A點(diǎn)和B點(diǎn)共用)。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(diǎn)，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(lái)充分地測量參考接地信號，如vA-B，那么您需要一個(gè)差分放大器，在差模下?lián)碛型瑯拥墓δ?。如前所述，通過(guò)應用低阻抗并聯(lián)(ZGNDLEAD)或通過(guò)放置一個(gè)與共模信號串聯(lián)的阻抗(浮動(dòng)示波器)，可以使用單端示波器處理共模信號vCOMMON。通過(guò)從測得的差分信號中減去共模信號，差分放大器處理共模信號。類(lèi)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，只是我們現在想要的是衰減、而不是增益。通過(guò)對差分放大器的兩個(gè)輸入同時(shí)應用完全相同的信號(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(méi)有任何信號。由于實(shí)際環(huán)境限制也適用于實(shí)際放大器，因此將有一個(gè)輸出，其與輸入信號的幅度和頻率相關(guān)。如果我們把一個(gè)1 V、10 MHz信號同時(shí)放到兩個(gè)輸入中，差分放大器可能會(huì )以1,000的系數抑制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，10MHz時(shí)的CMRR是1,000:1。它還通常用衰減(dB)表示，但一直是輸出幅度與輸入幅度之比。應相對于衰減比隨頻率變化值指定這個(gè)指標，因為它隨頻率變化。CMRR在DC上最高，隨著(zhù)頻率提高而下降。

共模范圍

我們需要知道的差分放大器第二重要的特點(diǎn)是共模范圍，它表明放大器能夠容忍的最大vCOMMON幅度。這個(gè)值通常至少要比差分輸入范圍大幾倍，指定為一個(gè)DC值，但它也適用于A(yíng)C信號的峰值幅度。差分放大器應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位于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vA-B是開(kāi)關(guān)電源一級電路電流監測電阻器中的電壓波形，在本例中，vCOMMON為400 V (DC+峰值AC)，v A-B波形是一個(gè)電壓斜波，峰值為1 V。通過(guò)使用10綜合衰減系數的探頭和衰減器，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400 μV水平。在這種情況下，放大器的CMRR與探頭和放大器內部衰減器的衰減結合在一起，共模信號衰減1,000,000:1，差分信號則衰減100倍。在標準接地參考示波器上，可以簡(jiǎn)便安全地顯示這一輸出。

獲得良好的CMRR

通過(guò)認真匹配流入和流經(jīng)差分放大器的+和-信號路徑的所有屬性，可以實(shí)現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(guò)從一個(gè)輸入中減去另一個(gè)輸入，來(lái)獲得CMRR (通常稱(chēng)為A-B)。在模擬示波器中，這通過(guò)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(shí)現。數字示波器(DSO)提供了多種數字函數，可以從一個(gè)采集的波形中減去另一個(gè)波形。

DSO通常不會(huì )為這類(lèi)運算指定CMMR，但通過(guò)考慮每條通道的精度指標，可以導出DC系數。如果每條通道的DC增益精度是±1%，那么CMRR可能會(huì )低達50:1，很少會(huì )好于100:1。在考慮AC信號時(shí)，CMRR會(huì )進(jìn)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(shí)例中，會(huì )輸出10mV的差分信號和40mV的共模信號。另外輸入不可能容忍4 V的偏置水平。

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