示波器的差分信號(hào)測量

圖4. 使用接地的示波器探測“浮動(dòng)的”電池供電手機(jī)。手機(jī)電路和鋼制工作臺(tái)構(gòu)架之間的電容對(duì)高頻率構(gòu)成了虛擬接地環(huán)路。即使測量系統(tǒng)沒有引入接地環(huán)路，被測設(shè)備內(nèi)部仍可能存在“地線不成其為地線”的綜合癥（參見圖5）。大的靜態(tài)電流和高頻電流作用在設(shè)備接地通路中的電阻性元件和電感性元件上便產(chǎn)生了電壓梯度。在這種情況下，電路中某一點(diǎn)的“地”電位將不同于另一點(diǎn)的“地”電位。

圖5. 接地布線系統(tǒng)中的微小寄生電感和電阻導(dǎo)致VG ≠ V’G。

例如，系統(tǒng)中高增益放大器的輸入端的地與電源的“地”電位相差幾毫伏。為了精確地測量放大器所看到的輸入信號(hào)，探頭必須參考放大器輸入端的地。這些效應(yīng)多年來一直是靈敏模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員所面臨的挑戰(zhàn)。在快速數(shù)字系統(tǒng)中也有同樣的效應(yīng)。接地布線系統(tǒng)中的微小電感可能會(huì)在其兩端產(chǎn)生電位，導(dǎo)致“地面反跳”。檢修受到接地電壓梯度影響的系統(tǒng)是非常困難的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員不能真正查看各個(gè)器件所“看到”的信號(hào)。把示波器探頭地線連接到器件的“接地”點(diǎn)上，會(huì)導(dǎo)致不確定性，這些不確定性使新通路的影響添加到接地梯度中。在連接探頭地線時(shí)，如果電路中的問題變好(或變差)，則表明確實(shí)發(fā)生了變化。我們真正需要的是一種能夠用示波器測量可疑器件輸入端上的實(shí)際信號(hào)的方法。
通過使用適當(dāng)?shù)牟罘址糯笃鳌⑻筋^或隔離器，可以執(zhí)行精確的兩點(diǎn)示波器測量，而不會(huì)引入接地環(huán)路或使測量失敗、擾亂被測器件或使用戶面臨電擊危險(xiǎn)。
市場上為示波器提供了多種差分放大器和隔離系統(tǒng)，每一種都針對(duì)特定的一類測量進(jìn)行了優(yōu)化。為了選擇合適的解決方案，必需理解各種術(shù)語。

差分測量基礎(chǔ)
差分測量概述
理想的差分放大器放大兩個(gè)輸入端之間的“差”信號(hào)，而且會(huì)徹底抑制兩個(gè)輸入端共用的任何電壓（參見圖6）。其轉(zhuǎn)換公式是：
VO = AV( V+in - V-in)
其中VO 參考大地電位。
受關(guān)注的電壓，或差信號(hào)，稱之為差分電壓或差模信號(hào)，表示為VDM(VDM 就是上述轉(zhuǎn)換公式中的V+in - V-in)。
兩個(gè)輸入端共用的電壓稱為共模電壓，用VCM表示。差分放大器忽略VCM的特性稱為共模抑制或CMR。理想的差分放大器會(huì)抑制所有的共模成分，不管其幅度和頻率是多少。

圖6. 差分放大器

在圖7中，差分放大器用于測量逆變器電路中上部的MOSFET（場效應(yīng)管）柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。隨著MOSFET 的通和斷，源極電壓從正的電源匯流條擺到負(fù)的電源匯流條。變壓器可以使柵極信號(hào)以源極為參考點(diǎn)。差分放大器允許示波器以足夠的分辨率（如2 V/ 分度）測量實(shí)際VG S 信號(hào)(擺幅為幾伏)，同時(shí)抑制幾百伏的源極到地的躍遷。

共模抑制比(CMRR)
差分放大器的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方案并不能抑制所有的共模信號(hào)。少量共模信號(hào)將作為誤差信號(hào)出現(xiàn)在輸出中，無法從預(yù)期的差分信號(hào)中辨別出來。衡量差分放大器消除不希望的共模信號(hào)的能力，稱為共模抑制比或簡寫為CMRR。CMRR的真正定義是“差模增益除以相對(duì)于輸入的共模增益”：
CMRR =ADM / ACM

圖7. 用來測量逆變器橋電路中上部晶體管的柵極- 源極電壓的差分放大器。注意在測量過程中，源極電位變化了350V。

圖8. CMRR為10,000:1的差分放大器的共模誤差。

圖9. 對(duì)共模抑制進(jìn)行試驗(yàn)測試。由同一點(diǎn)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)輸入端。殘留的共模出現(xiàn)在輸出端。此項(xiàng)測試沒有發(fā)現(xiàn)不同的源極阻抗的影響。

這是在實(shí)際測量環(huán)境中確定共模抑制誤差范圍的一種便利的測試方法。但有一種效應(yīng)是這個(gè)測試沒有捕獲到的。兩個(gè)輸入端接到同一點(diǎn)上，在放大器看來驅(qū)動(dòng)阻抗沒有差別。這種情況會(huì)產(chǎn)生最佳的CMRR。當(dāng)差分放大器的兩個(gè)輸入端是由差別明顯的源極阻抗驅(qū)動(dòng)時(shí)，CMRR 值會(huì)降低。這種效應(yīng)的詳情將在以后討論（參見第13 頁輸入阻抗對(duì)CMRR 的影響）。

其他指標(biāo)參數(shù)
差模范圍相當(dāng)于放大器或單端示波器輸入端的輸入范圍指標(biāo)。超出此范圍的輸入電壓將使放大器受到過渡驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致輸出被削波或非線性失真。

共模范圍是放大器能夠抑制共模信號(hào)的電壓窗口。共模范圍通常大于或等于差模范圍。共模范圍有可能隨著放大器增益的不同設(shè)置而改變，這取決于放大器的拓?fù)?。超出放大器的共模范圍可以在輸出端?dǎo)致各種結(jié)果。在有些情況下，輸出波形未被削波，可以生成與真實(shí)的輸入信號(hào)非常近似的輸出波形，但有一些附加的偏移。這時(shí)顯示的波形與期望的波形非常接近，足以讓用戶毫不遲疑地接受。在進(jìn)行差分測量前先檢驗(yàn)共模信號(hào)是否處于可接受的共模范圍之內(nèi)，總不失為一個(gè)