示波器探頭基礎(chǔ)系列之三《關(guān)于差分探頭》

作為一名專(zhuān)業(yè)的硬件設(shè)計(jì)及測(cè)試工程師，我們每天都在使用各種不同的數(shù)字示波器進(jìn)行相關(guān)電氣信號(hào)量的量測(cè)。 與這些示波器相配的探頭種類(lèi)也非常多，包括無(wú)源探頭（包括高壓探頭，傳輸線(xiàn)探頭）、有源探頭（包括有源單端探頭、有源差分探頭等），電流探頭、光探頭等。每種探頭各有其優(yōu)缺點(diǎn)，因而各有其適用的場(chǎng)合。其中，有源探頭因具有帶寬高，輸入電容小，地環(huán)路小等優(yōu)點(diǎn)從而被廣泛使用在高速數(shù)字量測(cè)領(lǐng)域，但有源探頭的價(jià)位高，動(dòng)態(tài)范圍小，靜電敏感，校準(zhǔn)麻煩，因此，每個(gè)工程師使用示波器的入門(mén)級(jí)探頭通常是無(wú)源探頭。最常見(jiàn)的500Mhz的無(wú)源電壓探頭適用于一般的電路測(cè)量和快速診斷，可以滿(mǎn)足大多數(shù)的低速數(shù)字信號(hào)、TV、電源和其它的一些典型的示波器應(yīng)用。

1、差分測(cè)量特點(diǎn)

探頭從總體上可分為無(wú)源探頭和有源探頭兩大類(lèi)型，而寬帶寬示波器和有源探頭的用戶(hù)還需要在單端探頭和差分探頭之間還要做出選擇。承載差分信號(hào)的那一對(duì)走線(xiàn)就稱(chēng)為差分走線(xiàn)。本文主要講的是分差探頭。差分信號(hào)和普通的單端信號(hào)走線(xiàn)相比，最明顯的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

　　1.抗干擾能力強(qiáng)，因?yàn)閮筛罘肿呔€(xiàn)之間的耦合很好，當(dāng)外界存在噪聲干擾時(shí)，幾乎是同時(shí)被耦合到兩條線(xiàn)上，而接收端關(guān)心的只是兩信號(hào)的差值，所以外界的共模噪聲可以被最大程度抵消。

　　2.能有效抑制EMI，同樣的道理，由于兩根信號(hào)的極性相反，他們對(duì)外輻射的電磁場(chǎng)可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。

　　3.時(shí)序定位精確，由于差分信號(hào)的開(kāi)關(guān)變化是位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn)，而不像普通單端信號(hào)依靠高低兩個(gè)閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時(shí)序上的誤差，同時(shí)也更適合于低幅度信號(hào)的電路。目前流行的LVDS就是指這種小振幅差分信號(hào)技術(shù)。

　　差分信號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)要求對(duì)應(yīng)的測(cè)試設(shè)備也必須是差分拓?fù)洌罘痔筋^因此成為現(xiàn)代示波器的主流配件。下圖1是典型的有源差分探頭電路結(jié)構(gòu)圖：

　　針對(duì)高頻信號(hào)測(cè)試，有源差分探頭的主要好處是低輸入電容、比單端探頭抑制共模噪聲的能力要高很多，其缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在價(jià)格普遍較高以及需要額外的電源。比如力科公司的WaveLink系列高帶寬差分探頭即是這類(lèi)探頭的代表。

　　2、差分探頭具有高的共模抑制比

　　什么是共模抑制比，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是差動(dòng)放大電路中對(duì)信號(hào)共模成分的抑制能力，其定義為放大器對(duì)差模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)Adm與對(duì)共模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)Acm之比，英文全稱(chēng)是CommonModeRejectionRatio，一般用簡(jiǎn)寫(xiě)CMRR來(lái)表示。

　　我們可以這樣定義：兩個(gè)輸入端分別對(duì)地的電壓平均值為共模電壓Vcm，經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大器后的增益為共模增益Acm；兩個(gè)輸入端之間的相對(duì)電壓差為差模電壓Vdm，其經(jīng)過(guò)差模放大器之后的增益為Adm。CMRR計(jì)算公式如下：

差模信號(hào)電壓增益Adm越大，共模增益Acm越小，則CMRR越大。此時(shí)差分放大電路抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)，放大器的性能越好。當(dāng)差動(dòng)放大電路完全對(duì)稱(chēng)時(shí)，共模信號(hào)電壓放大倍數(shù)Acm=0，則共模抑制比CCMR→∞，這是理想情況，實(shí)際上電路完全對(duì)稱(chēng)是不存在的，共模抑制比也不可能趨于無(wú)窮大。

　　哪些因素會(huì)影響探頭的共模抑制比呢？

　　電路對(duì)稱(chēng)性――電路的對(duì)稱(chēng)性決定了被放大后的信號(hào)殘存共模干擾的幅度，電路對(duì)稱(chēng)性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信號(hào)（干擾）的能力也就越差。