為什么進(jìn)行差分測量?

電壓就是電位差

不管您知不知道，使用示波器進(jìn)行任何電壓測量的人實(shí)際上都是在進(jìn)行差分電壓測量。根據(jù)定義，電壓是衡量兩點(diǎn)之間電位差的指標(biāo)。使用電壓表的人很容易理解電壓是兩點(diǎn)之間電位差的概念。只使用一條電壓表引線是不能測量電壓的，而必需連接另一條引線，以提供參考點(diǎn)。在使用示波器時(shí)，我們有時(shí)會(huì)忘了示波器上顯示的信號(hào)并不是簡單的“該點(diǎn)上的信號(hào)”，而實(shí)際上是該點(diǎn)上的電壓，因?yàn)樗c另外某個(gè)點(diǎn)不同。

參考“接地”測量

這另外一個(gè)點(diǎn)通常是電路的接地，一般假設(shè)其電壓為零。例如，我們假設(shè)想使用示波器測量圖1中晶體管發(fā)射極上的電壓(參考接地)。這看上去可能是一條簡單的電路，但從圖2中我們可以看出，在我們包括了示波器探頭及示波器與電路之間的連接時(shí)，實(shí)際信號(hào)測量環(huán)境會(huì)變得多么復(fù)雜。vA-B表示我們希望在示波器上顯示的晶體管發(fā)射極電壓波形。Zcircuit是與晶體管發(fā)射極阻抗并聯(lián)的連接發(fā)射極的電阻器的電阻。我們將把一個(gè)點(diǎn)指配為電路中的理想接地，以便擁有穩(wěn)固的參考點(diǎn)。ZSCOPE GND是示波器電源線地線的阻抗。ZCOMMON是電路公共點(diǎn)和理想接地點(diǎn)之間的阻抗。iCOMMON表示其它來源(如連接被測電路的其它儀器)流經(jīng)ZCOMMON的電流(接地環(huán)路)，得到vCOMMON。

圖1：被測電路

示波器在屏幕上實(shí)際顯示的內(nèi)容是作為輸入連接器中心導(dǎo)線電壓與連接器接地電壓或vC-G之差的電壓波形。在大多數(shù)情況下。顯示的波形vC-G在很大程度上代表著探頭觸針vA-B上的信號(hào)。通過考察圖2中電路的各個(gè)單元，我們可以理解vC-G與vA-B不同的方式和原因。

首先，如果iCOMMON、ZCOMMON和ZSCOPE GND的值為零，那么我們不需要使用探頭的地線，因?yàn)樵诠搽娐泛褪静ㄆ鹘拥刂g沒有電壓差。但是，這些值并不是零，因此我們必須在探頭上增加一個(gè)接地連接，以并聯(lián)其效應(yīng)。在探頭地線并聯(lián)iCOMMON、ZCOMMON和ZSCOPE GND的效應(yīng)時(shí)，它會(huì)有自己的部分電阻和電感。我們把這一阻抗稱為ZGND LEAD，其取決于地線的長度。部分電流必須流出被測電路，流入示波器輸入，以在執(zhí)行測量的示波器上建立一個(gè)電壓波形。流經(jīng)探頭地線阻抗的信號(hào)電流ZGND LEAD導(dǎo)致電壓下跌，使vC-G不同于vA-B。為說明這種效應(yīng)，圖3顯示了使用示波器及補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)示波器探頭測量的方波。第一個(gè)波形是使用探頭觸針適配器測量的，它最大限度地降低了接地連接的長度。第二個(gè)波形和第三個(gè)波形是使用同一設(shè)備測量的，但在探頭上使用了36cm (14)和58cm (23)的地線。在許多測量中，地線阻抗引起的信號(hào)損壞可能是可以接受的，但非常重要的一點(diǎn)是知道存在這種信號(hào)損壞。再看一下圖2，在iCOMMON流經(jīng)ZCOMMON時(shí)，它會(huì)形成我們稱為vCOMMON的電壓。如果沒有連接示波器探頭，vCOMMON會(huì)表示為A點(diǎn)和B點(diǎn)“公共的”電壓。任一點(diǎn)上相對(duì)于理想接地的電壓波形都將包括vCOMMON。B點(diǎn)等于vCOMMON，A點(diǎn)等于vA-B + vCOMMON。通過對(duì)B點(diǎn)使用示波器探頭地線，我們可以降低、但不能從測量中消除vCOMMON。我們不能消除vCOMMON的原因是ZGNDLEAD的值是有限的。

ZGNDLEAD、ZCOMMON和ZSCOPEGND構(gòu)成一個(gè)環(huán)路，iCOMMON會(huì)流經(jīng)這個(gè)環(huán)路。iCOMMON流經(jīng)這個(gè)環(huán)路導(dǎo)致的電壓會(huì)進(jìn)一步破壞波形vC-G。

圖2：使用示波器連接的被測電路

“非接地”參考測量

通過打開示波器上的安全接地，通?？梢越档蚷COMMON的影響。根據(jù)vCOMMON的幅度，這種技術(shù)可能會(huì)非常危險(xiǎn)，在任何情況下都不建議采用這種技術(shù)。打開示波器的安全地線不能消除流經(jīng)ZGND LEAD的iCOMMON，因?yàn)閆SCOPE GND與示波器變壓器形成復(fù)雜的阻抗并聯(lián)，而示波器變壓器的互卷電容則與電源系統(tǒng)的阻抗Z POWER TO GND串聯(lián)。我們使用的vCOMMON模型也可以解釋我們?cè)谶M(jìn)行“浮動(dòng)”測量時(shí)通常會(huì)考慮的測量限制。我們假設(shè)vCOMMON是要流經(jīng)的iCOMMON低阻抗電壓電源的輸出，如試圖測量vCOMMON是電源線電壓的“浮動(dòng)”電源控制電路中的電壓時(shí)。即使打開安全地線浮動(dòng)示波器的作法沒有危險(xiǎn)，vCOMMON是電源線電壓的iCOMMON流經(jīng)示波器變壓器相互盤繞的電容和電源線阻抗效應(yīng)，仍會(huì)損害測量結(jié)果。此外，與前面參考接地測量實(shí)例中一樣，流經(jīng)ZGNDLEAD的信號(hào)電流同樣也會(huì)損害信號(hào)。另外，還有一個(gè)不太相關(guān)的問題：把示波器機(jī)箱浮動(dòng)到線路級(jí)電壓可能會(huì)在設(shè)計(jì)處理的示波器變壓器一級(jí)線圈和二次線圈之間產(chǎn)生更多的電壓，可能會(huì)損壞示波器。

圖3：探頭地線的影響

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顯示了等效電路及相同的參考接地示波器和差分放大器。理想的差分放大器只會(huì)放大其在+輸入和-輸入上看到的差。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)之間的差時(shí)，它會(huì)抑制兩點(diǎn)共用的任何電壓。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，對(duì)示波器表示A點(diǎn)和B點(diǎn)之差，即vA-B。

(v A-B + vCOMMON) - (vCOMMON) = v A-B

由于探頭的高阻抗可以防止vCOMMON在示波器接地中生成感受得到的電流，它還大大降低了vCOMMON的環(huán)路電流影響。由于探頭接地夾沒有連接到B點(diǎn)，因此消除了ZGND LEAD的影響。因此，vC-G代表VA-B的程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用示波器探頭地線提供負(fù)參考的情況。由于配有正確設(shè)計(jì)探頭的差分放大器能夠抑制相對(duì)較高幅度的公共電壓，因此不需要把示波器浮動(dòng)到不安全的水平，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，我們必需了解其部分特點(diǎn)和限制。我們?cè)倏匆幌聢D4，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波形(A點(diǎn)和B點(diǎn)之差)和共模波形(A點(diǎn)和B點(diǎn)共用)。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)，可以使用單端示波器處理共模信號(hào)vCOMMON。通過從測得的差分信號(hào)中減去共模信號(hào)，差分放大器處理共模信號(hào)。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(duì)差分放大器的兩個(gè)輸入同時(shí)應(yīng)用完全相同的信號(hào)(頻率、幅度和相位)，可以測量共模帶寬。對(duì)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)境限制也適用于實(shí)際放大器，因此將有一個(gè)輸出，其與輸入信號(hào)的幅度和頻率相關(guān)。如果我們把一個(gè)1 V、10 MHz信號(hào)同時(shí)放到兩個(gè)輸入中，差分放大器可能會(huì)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，10MHz時(shí)的CMRR是1,000:1。它還通常用衰減(dB)表示，但一直是輸出幅度與輸入幅度之比。應(yīng)相對(duì)于衰減比隨頻率變化值指定這個(gè)指標(biāo)，因?yàn)樗S頻率變化。CMRR在DC上最高，隨著頻率提高而下降。

共模范圍

我們需要知道的差分放大器第二重要的特點(diǎn)是共模范圍，它表明放大器能夠容忍的最大vCOMMON幅度。這個(gè)值通常至少要比差分輸入范圍大幾倍，指定為一個(gè)DC值，但它也適用于AC信號(hào)的峰值幅度。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)位于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)電源一級(jí)電路電流監(jiān)測電阻器中的電壓波形，在本例中，vCOMMON為400 V (DC+峰值A(chǔ)C)，v A-B波形是一個(gè)電壓斜波，峰值為1 V。通過使用10綜合衰減系數(shù)的探頭和衰減器，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400 μV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。在標(biāo)準(zhǔn)接地參考示波器上，可以簡便安全地顯示這一輸出。

獲得良好的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(duì)探頭及對(duì)放大器都非常重要。

某些示波器通過從一個(gè)輸入中減去另一個(gè)輸入，來獲得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)。另外輸入不可能容忍4 V的偏置水平。

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。