示波器探头差分测量中存在的问题

差分测量

从严格意义上讲，所有测量都是差分测量。对把探头连接到信号点、把探头地线连接到电路接地上的标准示波器测量，实际上是测量测试点和接地之间的信号差异。从这个意义上讲，有两条信号线，即接地信号线和测试信号线。

但在实践中，差分测量是指测量的两条信号线都在接地之上。这要求使用某类差分放大器，以便能够以代数方式把两条信号线 ( 双端信号源 ) 加总到参考接地的一条信号线中 ( 单端信号 )，然后再输入到示波器中，如图 1所示。差分放大器可以是隶属于探测系统的专用放大器，或如果示波器支持波形数学运算，可以在单独的示波器通道上采集每个信号线，然后以代数方式对两条通道求和。不管是两种情况，抑制共模信号都是差分测量质量的重要因素。

图 1. 一个差分放大器有两条信号线，这两条信号线以差分方式连接参考接地的一个信号。

了解差模信号和共模信号。理想的差分放大器会放大两个输入之间的“差分”信号 VDM，全面抑制两个输入任何公共的电压 VCM。其得到一个输出电压，公式如下：

Vo - Av (V+in - V-in)

其中：

Av = 放大器的增益

Vo = 参考接地输出信号

感兴趣的电压或差分信号称为差分电压或差模信号，其表示为：

VDM

其中：

VDM = 上面公式中的 V+in 项 - V-in 项

注意：共模电压 VCM 并不是上述公式的一部分，这是因为理想的差分放大器会抑制所有共模成分，而不管其幅度或频率是多少。

图 2. 用来测量反相器电桥中上方晶体管的门到源电压的差分放大器。注意，在测量期间源电位变化了 350V。

图 2 提供了使用差分放大器测量反相器电路中上方MOSFET 设备的门驱动装置的实例。在 MOSFET 开关时，源电压从正供电轨道摆到负供电轨道。变压器允许门信号参考信号源。差分放大器允许示波器以足够的分辨率测量真正的 VGS 信号 ( 几伏摆幅 )，如 2V/ 格，同时抑制接地信号源的几百伏转换。

在实际环境中，差分放大器并不允抑制所有共模信号。少量的共模电压会在输出中表现为错误信号，而不能从希望的差分信号中把这种共模错误信号分开。

差分放大器能够最大限度地缩小不希望的共模信号的能力，称为共模抑制比，或简写为 CMRR。CMRR 的真正定义是“差模增益除以参考输入的共模增益”：

CMRR = ADM/ACM

在评估时，可以在没有输入信号的情况下评估 CMRR性能。然后，CMRR 会变成明显的 VDM，可以在共模输入导致的输出上看到这个 VDM。这可以用比率表示，如 10,000:1，也可以用 dB 表示：

dB = 20 log (ADM/ACM)

例如，10,000:1 的 CMRR 等于 80 dB。为查看其重要意义，假设需要在音频功放器的输出阻尼电阻器中测量电压，如图 3 所示。在全负荷下，通过阻尼器的电压 (VDM) 应达到 35 mV，输出摆幅 (VCM) 为 80Vp-p。使用的差分放大器在 1 kHz 时的 CMRR 指标为 10,000:1。在使用 1 kHz 正弦波把放大器驱动到全功率时，千分之十的共模信号将在差分放大器的输出上错误地显示为 VDM，其将是 80 V/10,000 或 8 mV。8 mV 的残余共模信号在实际 35 mV 信号中代表着高达 22% 的误差。

图 3. CMRR 为 10,000:1 的差分放大器的共模误差。

必需指出，CMRR 指标并不是一个绝对值。它没有指明误差的极性或相位度数。因此，不能简单地从显示的波形中减去误差。此外，CMRR 一般在 DC 最高 ( 最好 )，随着 VCM 频率提高，CMRR 会下降。某些差分放大器会作为频率的函数绘制 CMRR 指标；其它差分放大器则只在一些关键频率上提供 CMRR 规范。不管是哪种情况，在比较差分放大器或探头时，都要保证CMRR 比较处在相同的频率上。

还要注意，CMRR 指标假设共模成分是正弦曲线，而实际情况通常并不是这样。例如，图 2 中的反相器的共模信号是一个 30 kHz 方波。由于方波包含着频率远远高于 30 kHz 的能量，因此 CMRR 可能会要差于30 kHz 点上指定的值。

在共模成分不是正弦曲线时，经验测试是确定 CMRR误差成分最快捷的方式( 参见图 4)。暂时把输入引线连接到信号源上。示波器现在只显示共模误差。现在可以确定误差信号幅度是否明显。记住，并没有指定 VCM 和 VDM 之间的相位差。因此，从差分测量结果中减去显示的共模误差并不能准确地抵消误差项。

图4. 充分进行共模抑制的经验性测试。两个输入都从同一点驱动。残余共模信号显示在输出上。这一测试不能抓住差分信号源阻抗的影响。

图4 所示的测试可以很好地确定实际测量环境中的共模抑制误差程度。但是，有一种效应这种测试解决不了。在两个输入都连接到同一点时，放大器看到的驱动阻抗没有差异。这种情况产生了最好的 CMRR性能，但在差分放大器的两个输入从明显不同的信号源阻抗驱动时，CMRR 将会劣化。

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审核编辑 黄宇