差分示波器測量

圖11. 隔離外殼產(chǎn)生的不平衡輸入電容。由此形成的交流分壓器使得探頭夾子處的Vref’≠Vref

隔離器的劣勢在于它不是真正的差分放大器，也就是說(shuō)，它的輸入是不平衡的（參見(jiàn)圖11）。測量（+）輸入端和參考（-）輸入端對大地的電容差別相當大。這就產(chǎn)生了與前述浮動(dòng)示波器相同的問(wèn)題。參考引線(xiàn)的源阻抗在高頻段與接地電容形成了一個(gè)衰減器。
將參考點(diǎn)連接到電路中驅動(dòng)阻抗最低的點(diǎn)上（必要時(shí)可顛倒示波器的通道以便重新獲得正確的極性）即可使這些問(wèn)題的影響減至最小。如果隔離器的發(fā)送器與接收器是分立的，應盡可能將發(fā)送器與接地表面相隔離，以便最大限度地減少對地的電容耦合。將隔離器置于紙板箱或木制板條箱內都可以顯著(zhù)改進(jìn)其性能！

差分測量的應用
功率電子部件
高電壓差分放大器是測量線(xiàn)路連接電路的理想的手段，這種電路包括開(kāi)關(guān)電源的原線(xiàn)圈、電動(dòng)機、電燈鎮流器，以及其他類(lèi)似的系統。這種電路不需要“浮動(dòng)示波器”這樣的危險做法。低的輸入電容也不會(huì )增加柵極驅動(dòng)電路的負荷而影響逆變器的運行。
在描述功率開(kāi)關(guān)器件（如MOSFET 和IGBT）的特性時(shí)常常要測量動(dòng)態(tài)飽和特性。帶有高速輸入鉗位電路的高性能差分放大器能夠精確地測量導通飽和度，即當器件關(guān)斷時(shí)過(guò)驅動(dòng)（滿(mǎn)標度的幾百倍）之后的幾納秒。這樣就可以使用精確測量飽和度特性所需要的高靈敏度。
在測量次級電路時(shí)這種放大器也是有用的。通過(guò)激活校準的偏壓補償（也叫比較電壓），放大器也可用于單端模式以監視波紋谷和線(xiàn)性穩壓器的凈空度（參見(jiàn)圖12）。若將偏壓補償設定到輸出電壓，則可以在各種動(dòng)態(tài)負荷條件下以高靈敏度直接測量VCE 凈空度。

系統功率分配
在開(kāi)發(fā)高精度模擬量、混合信號和高速數字系統時(shí)，常常要解決功率分配方面的問(wèn)題。這種工作可能是設計者最可怕的夢(mèng)魘。CAD 系統經(jīng)常也無(wú)助于事，因為很難或者根本不可能為引起此類(lèi)問(wèn)題的微小的寄生效應建立模型。配備了差分放大器的示波器是追蹤和鑒別系統中的故障點(diǎn)的最好工具。

圖12. 用校準的偏壓補償精確測量輸出穩壓器集電極上的電源波紋谷。注意：示波器設定在100 mV/ 分度，地電位在屏幕外61 個(gè)分度。

圖13. 平衡橋電路中的傳感器。在兩個(gè)分壓支路的抽頭之間進(jìn)行差分測量。

單端測量常常將功率分配問(wèn)題隱藏起來(lái)，因為這種測量為被測信號另外提供了接地路徑。這不僅使測量發(fā)生了變化，而且也常常會(huì )影響電路的工作，可能改進(jìn)也可能降低電路的性能。
將差分探頭置于集成電路的電源引線(xiàn)上，可以給出器件電源的真實(shí)狀況。邏輯器件的引線(xiàn)電感常常使集成電路與局部的旁路電容隔離開(kāi)來(lái)。即便電源看似純凈，接地和電源引腳也可能相對于系統中的其他地線(xiàn)發(fā)生漂移。移動(dòng)探頭可以跟蹤單個(gè)器件的地與系統中其他地之間的動(dòng)態(tài)接地電壓梯度。數字系統中的地面反跳效應可能更容易測量。在集成電路的輸入引腳及接地引腳之間進(jìn)行探查就可給出該器件所看到的實(shí)際信號的狀況。

平衡信號
有些系統使用的信號本質(zhì)上就是差分信號。當信號兩端共有同一的驅動(dòng)阻抗時(shí)就認為這兩端是平衡的。平衡系統在專(zhuān)業(yè)音頻設備、電話(huà)和磁記錄系統（模擬與數字存儲器）中是很普遍的，這里僅給出少數幾例。差分信號在高速數字系統中也分布得越來(lái)越普遍。如果對這種信號一次測量一端并將結果“相加”，那么這種低效率的嘗試充其量是一種容易出錯的方法。當只有信號的一端承載探頭時(shí)能量就經(jīng)常轉移到未被測量的一端。以差分方法測量平衡系統可以得到信號的真實(shí)描述。

傳感器
差分測量普遍應用于傳感器系統。由于信號幅度小，還需要消除接地環(huán)路，所以就排除了使用單端測量的可能性?！皞鞲衅鳌币辉~使人想到了用于測量機械現象的設備，如測量加速度、振動(dòng)、壓力等等。差分測量技術(shù)的應用已超出了這一范圍，還包括視頻和醫學(xué)成象器、麥克風(fēng)、化學(xué)傳感器，等等，不一而足。
電阻值可以發(fā)生變化的傳感器經(jīng)常工作在所謂平衡橋的配置中（參見(jiàn)圖13）。這種配置是利用三個(gè)已知電阻器和傳感器構成一對分壓器。橋電路電源為這對分壓器提供偏壓，而在分壓器的抽頭之間進(jìn)行差分式的電壓測量。這種配置的好處是消除了電源波動(dòng)的影響。在系統被激勵之前，傳感器經(jīng)常生成一個(gè)代表其穩態(tài)的直流輸出電壓。為了獲得高分辨率，最好是將直流成分去掉。如果需要測量極低的頻率成分（2 Hz），在放大器輸入端采用交流耦合是無(wú)效的。為了適應這種需求，很多高增益差分放大器都有差分偏移功能。這種功能實(shí)際上是在一個(gè)輸入端串接一個(gè)浮動(dòng)的可調電源，這樣就允許放大器保持直流耦合。偏移控制的范圍相當大，在較高的增益設置中可達到±100 萬(wàn)分度。

生物物理測量
警告: 不要在人體上接入包括差分放大器在內的任何電子儀器，除非這種儀器是專(zhuān)為人而設計的。合適的設備應被確認符合由所在國批準的專(zhuān)門(mén)的法規。
測量神經(jīng)活動(dòng)所形成的電信號面臨著(zhù)諸多挑戰。這種信號的幅度極低，常常小于1 毫伏。共模成分可能比有用信號大幾百倍甚至幾千倍。源阻抗也相當高。差分信號通常被高幅度的噪聲破