示波器探頭基礎(chǔ)系列之五《為什么進(jìn)行差分測量？》

差分電壓測量

通過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(yīng)。圖4表示有相同的參考接地的示波器和差分放大器的等效電路。理想的差分放大器只會(huì)放大+輸入和-輸入上的電壓差，這和電壓表非常類似，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)之間的電壓差時(shí)，它會(huì)抑制兩點(diǎn)之間的共模電壓。由于vCOMMON同時(shí)出現(xiàn)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，在示波器上顯示的就是A點(diǎn)和B點(diǎn)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在示波器接地上產(chǎn)生的電流從而大大降低了vCOMMON的環(huán)路電流影響。由于探頭沒有通過接地線連接到B點(diǎn)，因此消除了ZGND LEAD的影響，因此，vC-G和VA-B接近的程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用示波器探頭地線作為參考點(diǎn)的情況。由于差分放大器能夠抑制相對較高幅度的共模電壓，因此不需要把示波器浮動(dòng)到不安全的狀態(tài)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。我們可以把它們稱為差模電壓(A點(diǎn)和B點(diǎn)之差)和共模電壓(A點(diǎn)和B點(diǎn)相對與理想地的)。我們希望看到的波形是差模信號(hào)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(hào)。如果您需要50MHz帶寬和足夠增益的示波器，來充分地測量參考接地信號(hào)，如vA-B，那么您就需要一個(gè)差分放大器，在差模下?lián)碛型瑯拥墓δ?。如前所述，通過應(yīng)用低阻抗并聯(lián)(ZGNDLEAD)或通過放置一個(gè)與共模信號(hào)串聯(lián)的阻抗(浮動(dòng)示波器)，可以用單端示波器處理共模信號(hào)vCOMMON。差分放大器通過從測得的差分信號(hào)中減去共模信號(hào)的方法來抑制共模電壓。類似的，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(hào)的能力，只是我們現(xiàn)在想要的是衰減而不是增益。通過對差分放大器的兩個(gè)輸入同時(shí)輸入完全相同的信號(hào)(頻率、幅度和相位)，可以測量共模帶寬。對這些輸入信號(hào)，理想的差分放大器在輸出上沒有任何信號(hào)。由于實(shí)際環(huán)境是非理想的，總會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與輸入信號(hào)的幅度和頻率相關(guān)的輸出信號(hào)。如果我們把一個(gè)1 V、1 MHz信號(hào)同時(shí)放到兩個(gè)輸入中，差分放大器以1,000的系數(shù)抑制1MHz信號(hào)。差分放大器抑制共模信號(hào)的能力通常用輸入信號(hào)的幅度除以差分輸入信號(hào)的幅度之比或共模抑制比(CMRR)表示。在本例中，1MHz時(shí)的CMRR是1,000:1。它還通常用衰減(dB)表示。CMMR是隨頻率變化的，因此應(yīng)按衰減比隨頻率的變化值來標(biāo)定這個(gè)指標(biāo)。CMRR在DC上最高，隨著頻率提高而下降。

共模電壓范圍

我們需要知道的差分放大器第二重要特點(diǎn)是共模電壓范圍，它表明差分放大器能夠接受的最大vCOMMON幅度。這個(gè)值通常至少要比差分電壓范圍大幾倍，標(biāo)定為一個(gè)DC值，但它也適用于AC信號(hào)的峰值電壓。差分放大器應(yīng)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(hào)，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(hào)在很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(shè)vA-B是開關(guān)電源原邊電路中檢測電流的電阻兩端的電壓波形，vCOMMON為400 V (DC+峰值A(chǔ)C)，vA-B波形是一個(gè)電壓斜波，峰值為1 V。通過使用¸10衰減系數(shù)的探頭，vCOMMON將衰減到4 V，vA-B將衰減到10mV信號(hào)，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400μV水平。在這種情況下，放大器的CMRR與探頭和放大器內(nèi)部衰減器的衰減結(jié)合在一起，共模信號(hào)衰減1,000,000:1，差分信號(hào)則衰減100倍。在完好接地的示波器上，可以實(shí)現(xiàn)簡便安全準(zhǔn)確的測量。

提高CMRR

通過認(rèn)真匹配流入和流經(jīng)差分放大器的+和-信號(hào)路徑的所有屬性，可以實(shí)現(xiàn)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。

某些示波器通過對兩個(gè)輸入信號(hào)相減來來提高CMRR (通常稱為A-B)。在模擬示波器中，這通過顛倒一條通道，然后把它與示波器輸入段中的另一條通道相加實(shí)現(xiàn)。數(shù)字示波器(DSO)提供了多種數(shù)字函數(shù)，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)為這類運(yùn)算指定CMMR，但通過考慮每條通道的精度指標(biāo)可以導(dǎo)出DC系數(shù)。如果每條通道的DC增益精度是±1%，那么CMRR可能會(huì)低達(dá)50:1，很少會(huì)好于100:1。在考慮AC信號(hào)時(shí)，CMRR會(huì)進(jìn)一步惡化。在我們前面位于400 V共模信號(hào)頂部的1 V信號(hào)實(shí)例中，會(huì)輸出10mV的差分信號(hào)和40mV的共模信號(hào)。另外示波器的輸入不可能接受4 V的偏置電壓。

為獲得最優(yōu)CMRR，差分放大器使用的探頭應(yīng)設(shè)計(jì)成使CMRR達(dá)到最大。用戶需要保證以最優(yōu)方式補(bǔ)償探頭。