差分示波器測量

圖4. 使用接地的示波器探測“浮動(dòng)的”電池供電手機。手機電路和鋼制工作臺構架之間的電容對高頻率構成了虛擬接地環(huán)路。即使測量系統沒(méi)有引入接地環(huán)路，被測設備內部仍可能存在“地線(xiàn)不成其為地線(xiàn)”的綜合癥（參見(jiàn)圖5）。大的靜態(tài)電流和高頻電流作用在設備接地通路中的電阻性元件和電感性元件上便產(chǎn)生了電壓梯度。在這種情況下，電路中某一點(diǎn)的“地”電位將不同于另一點(diǎn)的“地”電位。

圖5. 接地布線(xiàn)系統中的微小寄生電感和電阻導致VG ≠ V’G。

例如，系統中高增益放大器的輸入端的地與電源的“地”電位相差幾毫伏。為了精確地測量放大器所看到的輸入信號，探頭必須參考放大器輸入端的地。這些效應多年來(lái)一直是靈敏模擬系統的設計人員所面臨的挑戰。在快速數字系統中也有同樣的效應。接地布線(xiàn)系統中的微小電感可能會(huì )在其兩端產(chǎn)生電位，導致“地面反跳”。檢修受到接地電壓梯度影響的系統是非常困難的，因為設計人員不能真正查看各個(gè)器件所“看到”的信號。把示波器探頭地線(xiàn)連接到器件的“接地”點(diǎn)上，會(huì )導致不確定性，這些不確定性使新通路的影響添加到接地梯度中。在連接探頭地線(xiàn)時(shí)，如果電路中的問(wèn)題變好(或變差)，則表明確實(shí)發(fā)生了變化。我們真正需要的是一種能夠用示波器測量可疑器件輸入端上的實(shí)際信號的方法。
通過(guò)使用適當的差分放大器、探頭或隔離器，可以執行精確的兩點(diǎn)示波器測量，而不會(huì )引入接地環(huán)路或使測量失敗、擾亂被測器件或使用戶(hù)面臨電擊危險。
市場(chǎng)上為示波器提供了多種差分放大器和隔離系統，每一種都針對特定的一類(lèi)測量進(jìn)行了優(yōu)化。為了選擇合適的解決方案，必需理解各種術(shù)語(yǔ)。

差分測量基礎
差分測量概述
理想的差分放大器放大兩個(gè)輸入端之間的“差”信號，而且會(huì )徹底抑制兩個(gè)輸入端共用的任何電壓（參見(jiàn)圖6）。其轉換公式是：
VO = AV( V+in - V-in)
其中VO 參考大地電位。
受關(guān)注的電壓，或差信號，稱(chēng)之為差分電壓或差模信號，表示為VDM(VDM 就是上述轉換公式中的V+in - V-in)。
兩個(gè)輸入端共用的電壓稱(chēng)為共模電壓，用VCM表示。差分放大器忽略VCM的特性稱(chēng)為共模抑制或CMR。理想的差分放大器會(huì )抑制所有的共模成分，不管其幅度和頻率是多少。

圖6. 差分放大器

在圖7中，差分放大器用于測量逆變器電路中上部的MOSFET（場(chǎng)效應管）柵極驅動(dòng)信號。隨著(zhù)MOSFET 的通和斷，源極電壓從正的電源匯流條擺到負的電源匯流條。變壓器可以使柵極信號以源極為參考點(diǎn)。差分放大器允許示波器以足夠的分辨率（如2 V/ 分度）測量實(shí)際VG S 信號(擺幅為幾伏)，同時(shí)抑制幾百伏的源極到地的躍遷。

共模抑制比(CMRR)
差分放大器的實(shí)際實(shí)現方案并不能抑制所有的共模信號。少量共模信號將作為誤差信號出現在輸出中，無(wú)法從預期的差分信號中辨別出來(lái)。衡量差分放大器消除不希望的共模信號的能力，稱(chēng)為共模抑制比或簡(jiǎn)寫(xiě)為CMRR。CMRR的真正定義是“差模增益除以相對于輸入的共模增益”：
CMRR =ADM / ACM

圖7. 用來(lái)測量逆變器橋電路中上部晶體管的柵極- 源極電壓的差分放大器。注意在測量過(guò)程中，源極電位變化了350V。

圖8. CMRR為10,000:1的差分放大器的共模誤差。

圖9. 對共模抑制進(jìn)行試驗測試。由同一點(diǎn)驅動(dòng)兩個(gè)輸入端。殘留的共模出現在輸出端。此項測試沒(méi)有發(fā)現不同的源極阻抗的影響。

這是在實(shí)際測量環(huán)境中確定共模抑制誤差范圍的一種便利的測試方法。但有一種效應是這個(gè)測試沒(méi)有捕獲到的。兩個(gè)輸入端接到同一點(diǎn)上，在放大器看來(lái)驅動(dòng)阻抗沒(méi)有差別。這種情況會(huì )產(chǎn)生最佳的CMRR。當差分放大器的兩個(gè)輸入端是由差別明顯的源極阻抗驅動(dòng)時(shí)，CMRR 值會(huì )降低。這種效應的詳情將在以后討論（參見(jiàn)第13 頁(yè)輸入阻抗對CMRR 的影響）。

其他指標參數
差模范圍相當于放大器或單端示波器輸入端的輸入范圍指標。超出此范圍的輸入電壓將使放大器受到過(guò)渡驅動(dòng)，導致輸出被削波或非線(xiàn)性失真。

共模范圍是放大器能夠抑制共模信號的電壓窗口。共模范圍通常大于或等于差模范圍。共模范圍有可能隨著(zhù)放大器增益的不同設置而改變，這取決于放大器的拓撲。超出放大器的共模范圍可以在輸出端導致各種結果。在有些情況下，輸出波形未被削波，可以生成與真實(shí)的輸入信號非常近似的輸出波形，但有一些附加的偏移。這時(shí)顯示的波形與期望的波形非常接近，足以讓用戶(hù)毫不遲疑地接受。在進(jìn)行差分測量前先檢驗共模信號是否處于可接受的共模范圍之內，總