差分测量

示波器探头基础系列之五
——为什么进行差分测量？
美国力科公司电压就是电位差
记住这一点非常重要：任何时候示波器进行任何电压测量都是在进行差分电压测量。

根据定义，电压是测量两点之间电位差。

使用电压表的人很容易理解电压是两点之间电位差的概念：只使用一条电压表的引线是不能测量电压的，需要再将另一条引线连接到电压的另外一点，以提供参考点。

在使用示波器时，我们有时会忘了示波器上显示的信号并不是简单的“该点上的信号”，而实际上是该点上的电压，因为它与另外某个点电位不同。

“有参考地”的测量
这个另外一的点通常是电路的地，一般假设其电压为零。

例如，我们假设想使
图1：被测电路
图2 使用示波器连接的被测电路
用示波器测量图1中晶体管发射极的电压(参考接地)。

这看上去可能是一条简单的电
路，但从图2中我们可以看出，在我们包括了示波器探头及示波器与电路之间的连接时，实际信号测量环境会变得很复杂。

v A-B 表示我们希望在示波器上显示的晶体管发射极电压波形。

Z circuit 表示与晶体管发射极电阻R1并联之后的等效阻抗。

我们需要将一个点作为电路中的“理想地”，以便拥有稳固的参考点。

Z SCOPE GND 是示波器电源线的接地线的阻抗。

Z COMMON 是电路参考地和理想地之间的阻抗。

i COMMON 表示其它的源(如连接被测电路的其它仪器)流经Z COMMON 的电流(地环路的电流)，这个电流得到电压V COMMON 。

示波器在屏幕上实际显示的波形是示波器的输入连接器导线的中心点的电位与连接器接地点的电位差的电压波形V C-G 。

在大多数情况下，显示的波形v C-G 在很大程度上代表着探头连接的被测电路两点之间的电压v A-B 的信号。

通过考察图2中电路的各个部分，我们可以理解v C-G 与v A-B 存在差别的原因。

首先，如果i COMMON 、Z COMMON 和Z SCOPE GND 的值为零，那么我们不需要使用探头的地线，因为在电路参考地和示波器接地之间没有电压差，但是，这些值并不是零，因此我们必须在探头上增加一个接地线，以并联其效应。

在探头地线并联i COMMON 、Z COMMON 和Z SCOPE GND 的效应时，它会有自己的电阻和电感，我们把这一阻抗称为Z GND LEAD ，它取决于地线的长度。

部分电流必须流出被测电路，流入示波器输入，以产生一个电压波形，即为示波器测量出的电压波形。

流经探头地线阻抗Z GND LEAD 产生压降使v C-G 不同于v A-B 。

为说明这种效应，图3显示了使用示波器及示波器探头和不同的接地附件测量的方波。

第一个波形是使用探头针状适配器测量的，它最大限度地降低了接地连接的长度。

第二个波形和第三个波形是在探头上使用了36cm (14")和58cm (23")的地线。

在许多测量中，地线阻抗引起的信号损坏可能是可以接受的，但非常重要的一点是知道存在这种信号损坏。

再看一下图2，在i COMMON 流经Z COMMON 时，它会形成我们称为V COMMON 的电压。

如果没有连接示波器探头，v COMMON 表示相对于A 点和B 点的“共模”电压，任一点上相对于“理想地”的电压波形都将包括V COMMON 。

B 点等于v COMMON ，A 点等于（v A-B + V COMMON ）。

通过在B 点连接示波器探头地线，我们可以降低但不能完全消除v COMMON ，其原因是Z GNDLEAD 的值不可能是零。

Z GNDLEAD 、Z COMMON 和Z SCOPEGND 构成一个环路，i COMMON 会流经这个环路产生的电压会进一步破坏波形v C-G 。

图3 探头地线的影响
“没有参考地”的测量
断开示波器上的安全地，通常可以降低i COMMON 的影响。

当v COMMON 电压很大时，这种使用方法可能会非常危险，在任何情况下我们都严格禁止这样做。

断开示波器的安全地并不能消除流经Z GND LEAD 的i COMMON ，因为Z SCOPE GND 与示波器电源的变压器副边形成复杂的阻抗并联，而示波器变压器的寄生电容则与电源地线的阻抗Z POWER TO GND 串联。

我们使用的v COMMON 模型也可以解释我们在进行“浮动”测量时通常会考虑的测量限制。

我们假设v COMMON 是i COMMON 流过低阻抗电压源的输出，当测量浮地电源控制电路的电压时，v COMMON 是电源线电压。

即使断开安全地的做法没有危险，流经示波器变压器的电容和电源线阻抗的i COMMON 仍会损害测量结果。

此外，与前面参考接地测量实例中一样，流经Z GNDLEAD 的信号电流同样也会损害信号。

另外，还有一个不太相关的问题：把示波器机壳浮地可能会使示波器电源的变压器原边线圈和副边线圈之间产生超过其耐压范围的电压，从而损坏示波器。

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v COMMON 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v A-B 。

(v A-B + v COMMON ) - (v COMMON ) = v A-B
由于差分放大器的高阻抗可以抑制v COMMON 在示波器接地上产生的电流从而大大降低了v COMMON 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Z GND LEAD 的影响，因此，v C-G 和V A-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v
A-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v
A-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(Z
GNDLEAD
)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v
COMMON。

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v
COMMON
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v
A-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，v
COMMON 为400 V (DC+峰值AC)，v
A-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，v
COMMON 将衰减到4 V，v
A-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 v
COMMON
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。