示波器探头基础系列之五《为什么进行差分测量？》

差分电压测量

通过使用带有差分测量功能的示波器或前置放大器，可以大大降低这些损坏性的测量效应。图4表示有相同的参考接地的示波器和差分放大器的等效电路。理想的差分放大器只会放大+输入和-输入上的电压差，这和电压表非常类似，我们会探测两个点，找到两点之间的电压差。在差分放大器放大两点之间的电压差时，它会抑制两点之间的共模电压。由于vCOMMON同时出现在我们电路的A点和B点上，差分放大器会抑制这个电压，在示波器上显示的就是A点和B点之差，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在示波器接地上产生的电流从而大大降低了vCOMMON的环路电流影响。由于探头没有通过接地线连接到B点，因此消除了ZGND LEAD的影响，因此，vC-G和VA-B接近的程度要远远高于使用示波器探头地线作为参考点的情况。由于差分放大器能够抑制相对较高幅度的共模电压，因此不需要把示波器浮动到不安全的状态就可以进行高质量的测量。

图4 使用差分放大器的被测电路。

共模抑制比或CMRR

我们已经讨论了使用理想的差分放大器进行电压波形测量的好处。遗憾的是，理想的差分放大器是不存在的，我们必需了解其特点和限制。我们再看一下图4，可以看到差分放大器处理两个电压波形：一个是我们想看到的，一个是我们不想看到的。我们可以把它们称为差模电压(A点和B点之差)和共模电压(A点和B点相对与理想地的)。我们希望看到的波形是差模信号vA-B。单端放大器的所有特点，如增益和带宽，都适用于差分放大器的差模信号。如果您需要50MHz带宽和足够增益的示波器，来充分地测量参考接地信号，如vA-B，那么您就需要一个差分放大器，在差模下拥有同样的功能。如前所述，通过应用低阻抗并联(ZGNDLEAD)或通过放置一个与共模信号串联的阻抗(浮动示波器)，可以用单端示波器处理共模信号vCOMMON。差分放大器通过从测得的差分信号中减去共模信号的方法来抑制共模电压。类似的，可以使用差分带宽和增益指明衡量差分放大器消除或抑制共模信号的能力，只是我们现在想要的是衰减而不是增益。通过对差分放大器的两个输入同时输入完全相同的信号(频率、幅度和相位)，可以测量共模带宽。对这些输入信号，理想的差分放大器在输出上没有任何信号。由于实际环境是非理想的，总会产生一个与输入信号的幅度和频率相关的输出信号。如果我们把一个1 V、1 MHz信号同时放到两个输入中，差分放大器以1,000的系数抑制1MHz信号。差分放大器抑制共模信号的能力通常用输入信号的幅度除以差分输入信号的幅度之比或共模抑制比(CMRR)表示。在本例中，1MHz时的CMRR是1,000:1。它还通常用衰减(dB)表示。CMMR是随频率变化的，因此应按衰减比随频率的变化值来标定这个指标。CMRR在DC上最高，随着频率提高而下降。

共模电压范围

我们需要知道的差分放大器第二重要特点是共模电压范围，它表明差分放大器能够接受的最大vCOMMON幅度。这个值通常至少要比差分电压范围大几倍，标定为一个DC值，但它也适用于AC信号的峰值电压。差分放大器应该有多大的共模范围取决于测量要求。如果共模电压是接地环路电流引起的小信号，那么一两伏特的范围就足够了。但是，如果要测量的差分信号在很大的共模电压的顶部，那么这一范围必须很大。例如，我们假设vA-B是开关电源原边电路中检测电流的电阻两端的电压波形，vCOMMON为400 V (DC+峰值AC)，vA-B波形是一个电压斜波，峰值为1 V。通过使用¸10衰减系数的探头，vCOMMON将衰减到4 V，vA-B将衰减到10mV信号，差分放大器必须拥有至少4 V的共模范围。

如果放大器的CMRR是10,000:1，那么差分放大器将在输出上把4 V vCOMMON衰减到400μV水平。在这种情况下，放大器的CMRR与探头和放大器内部衰减器的衰减结合在一起，共模信号衰减1,000,000:1，差分信号则衰减100倍。在完好接地的示波器上，可以实现简便安全准确的测量。

提高CMRR

通过认真匹配流入和流经差分放大器的+和-信号路径的所有属性，可以实现良好的共模抑制比性能。这种匹配对探头及对放大器都非常重要。

某些示波器通过对两个输入信号相减来来提高CMRR (通常称为A-B)。在模拟示波器中，这通过颠倒一条通道，然后把它与示波器输入段中的另一条通道相加实现。数字示波器(DSO)提供了多种数字函数，可以从一个采集的波形中减去另一个波形。DSO通常不会为这类运算指定CMMR，但通过考虑每条通道的精度指标可以导出DC系数。如果每条通道的DC增益精度是±1%，那么CMRR可能会低达50:1，很少会好于100:1。在考虑AC信号时，CMRR会进一步恶化。在我们前面位于400 V共模信号顶部的1 V信号实例中，会输出10mV的差分信号和40mV的共模信号。另外示波器的输入不可能接受4 V的偏置电压。

为获得最优CMRR，差分放大器使用的探头应设计成使CMRR达到最大。用户需要保证以最优方式补偿探头。