示波器的差分信號(hào)測(cè)量

1、示波器的差分信號(hào)測(cè)量初步介紹差分測(cè)量、放大器類(lèi)型、應(yīng)用及怎樣避免常見(jiàn)錯(cuò)誤當(dāng)存在500 mVp-p、60 Hz 的共模噪聲時(shí)，使用傳統(tǒng)示波器探頭不能測(cè)量模擬的4 mVp-p心跳波形（上圖）。差分放大器則可以從噪聲中提取信號(hào)。引論所有測(cè)量都是兩點(diǎn)測(cè)量人們一直在一條電路的兩點(diǎn)之間測(cè)量電壓，不管是使用電壓表還是使用示波器。當(dāng)示波器探頭接觸電路中的一點(diǎn)時(shí)，即使沒(méi)有連接地線，通常也會(huì)在顯示器上出現(xiàn)波形。在這種情況下，測(cè)量的參考點(diǎn)是經(jīng)過(guò)示波器機(jī)箱的安全接地通往電路中的電氣地。數(shù)字電壓表通過(guò)兩個(gè)探頭測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的電位。由于這兩個(gè)探頭是彼此隔離的，因此這兩點(diǎn)可以位于電路中任何地方。但情況并不總是如此。在數(shù)字電壓

2、表出現(xiàn)前，人們使用VOM（萬(wàn)用表）手持式儀表測(cè)量“浮動(dòng)”電路。由于這些儀表是無(wú)源的，因此它們往往會(huì)給被測(cè)電路帶來(lái)負(fù)荷。使用高阻抗VTVM（真空管電壓表），可以執(zhí)行侵入性較小的測(cè)量。VTVM 有一個(gè)重大的局限性，即其測(cè)量總是以地為參考點(diǎn)。VTVM外殼接地，并連接到參考引線上。由于固態(tài)增益電路的問(wèn)世，高性能電壓表可以與地線隔離，從而可以執(zhí)行浮動(dòng)測(cè)量。目前的大多數(shù)示波器，如老式VTVM，只能測(cè)量以大地為參考點(diǎn)的電壓，地線則連接到示波器機(jī)箱上。這稱(chēng)為“單端”測(cè)量，探頭地線提供了參考通路。遺憾的是，有時(shí)這種局限性會(huì)降低測(cè)量的完整性，或不可能進(jìn)行測(cè)量。如果被測(cè)電壓位于兩個(gè)電路節(jié)點(diǎn)之間而且這兩點(diǎn)均未接地，那

3、就不能使用傳統(tǒng)的示波器探測(cè)技術(shù)。常見(jiàn)的實(shí)例是測(cè)量開(kāi)關(guān)電源中的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)（參見(jiàn)圖1）。像普通電話線路中的那種平衡信號(hào)（在兩條引線之間，且沒(méi)有地回路）是不能直接測(cè)量的。我們將會(huì)看到，甚至某些“以地為參考”的信號(hào)也不能如實(shí)地使用單端技術(shù)來(lái)測(cè)量。如果地線不成其為地線我們都聽(tīng)說(shuō)過(guò)“接地環(huán)路”，書(shū)本上教我們避免“接地環(huán)路”。但接地環(huán)路是怎樣破壞示波器測(cè)量的呢？當(dāng)兩條或多條單獨(dú)的接地通路聚結(jié)于兩點(diǎn)或多點(diǎn)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生接地環(huán)路。其結(jié)果是導(dǎo)體連成了一個(gè)環(huán)。當(dāng)出現(xiàn)變化的磁場(chǎng)時(shí)，這個(gè)環(huán)就成了變壓器的次級(jí)，其本質(zhì)是一個(gè)短路線匝。在其附近傳送非直流電流的任何導(dǎo)體都可以產(chǎn)生激勵(lì)這個(gè)變壓器的磁場(chǎng)。主配線中的交流線電壓、甚至

4、數(shù)字集成電路的輸出引線，都可能產(chǎn)生這種激勵(lì)。在環(huán)路中循環(huán)的電流會(huì)在環(huán)路內(nèi)任何阻抗的兩端產(chǎn)生電壓。這樣，在任何給定的瞬間，接地環(huán)路中的不同點(diǎn)將不處在同一電位。把示波器探頭的地線連接到被測(cè)電路的地上，如果電路“接地”到大地，就會(huì)形成接地環(huán)路（參見(jiàn)圖2）。循環(huán)電流作用在探頭通路內(nèi)部的阻抗上會(huì)在其中產(chǎn)生電壓電位。圖1. 在測(cè)試點(diǎn)TP1 和TP2 之間測(cè)量開(kāi)關(guān)電源中的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。兩點(diǎn)都沒(méi)有接地。圖2. 示波器探頭形成的接地環(huán)路。示波器的金屬機(jī)箱和被測(cè)器件連接到安全地和內(nèi)部電源公用線上。示波器探頭地則通過(guò)輸入端BNC 連接器連接到示波器機(jī)箱上。這樣，示波器輸入端BNC 連接器上的“地”電位就不同于被測(cè)電

5、路中的地電位（也就是說(shuō)“地線不成其為地線”）。這種電位差可以是幾微伏，也可以高達(dá)幾百毫伏。由于示波器以輸入端BNC 連接器外殼作為測(cè)量參考點(diǎn)，故顯示的波形可能并不代表探頭輸入端上的實(shí)際信號(hào)。當(dāng)被測(cè)信號(hào)的幅度下降時(shí)，誤差會(huì)變得更加明顯，這在傳感器和生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中十分常見(jiàn)。在這些情況下，人們經(jīng)常會(huì)去掉探頭的接地線。只有在測(cè)量頻率極低的信號(hào)時(shí)，這種方法才有效。在較高的頻率上，探頭開(kāi)始在信號(hào)中增加因諧振電路（由觸點(diǎn)電容和屏蔽電感組成）產(chǎn)生的“環(huán)”（參見(jiàn)圖3）。(正因?yàn)槿绱?，您永遠(yuǎn)要使用盡可能短的地線。)圖3. 探頭觸點(diǎn)電容和接地電感形成的串聯(lián)諧振電路。我們現(xiàn)在遇到了一種兩難的情況：造成接地環(huán)路，在測(cè)量

6、中增加誤差；或去掉探頭地線，在波形中增加環(huán)！為了斷開(kāi)接地環(huán)路而經(jīng)常試用的第二種方法是“浮動(dòng)”示波器或“浮動(dòng)”被測(cè)電路?！案?dòng)”是指在被測(cè)設(shè)備上或在示波器上使安全接地的導(dǎo)線開(kāi)路從而斷開(kāi)與大地的連接。浮動(dòng)示波器或浮動(dòng)被測(cè)設(shè)備（DUT）之后，便可利用短地線使環(huán)達(dá)到最小，而且不會(huì)產(chǎn)生接地環(huán)路。這種作法本身具有危險(xiǎn)性，因?yàn)樵谥髋渚€發(fā)生短路時(shí)，它會(huì)使電擊保護(hù)措施失效。（某些專(zhuān)用電池操作的便攜式示波器采用絕緣材料，可以安全進(jìn)行浮動(dòng)測(cè)量。） 在嚴(yán)格接地的示波器（或被測(cè)設(shè)備）的電源線中放一個(gè)合適的接地故障斷路器（GFCI），可以恢復(fù)操作人員的安全。但要知道，如果沒(méi)有低阻抗的接地連接，示波器的放射輻射和傳導(dǎo)輻射現(xiàn)

7、在可能會(huì)超過(guò)政府標(biāo)準(zhǔn)，也會(huì)給測(cè)量本身造成干擾。在較高的頻率上，斷開(kāi)接地線也不可能打破接地環(huán)路，因?yàn)椤案?dòng)”電路實(shí)際上通過(guò)雜散電容耦合到大地（參見(jiàn)圖4）。圖4. 使用接地的示波器探測(cè)“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(cè)量系統(tǒng)沒(méi)有引入接地環(huán)路，被測(cè)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(jiàn)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 VG。例如，系統(tǒng)中高增益放大器的輸入

8、端的地與電源的“地”電位相差幾毫伏。為了精確地測(cè)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(lái)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(wèn)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(cè)量可疑器件輸入端上的實(shí)際信號(hào)的方法。通過(guò)

9、使用適當(dāng)?shù)牟罘址糯笃?、探頭或隔離器，可以執(zhí)行精確的兩點(diǎn)示波器測(cè)量，而不會(huì)引入接地環(huán)路或使測(cè)量失敗、擾亂被測(cè)器件或使用戶面臨電擊危險(xiǎn)。市場(chǎng)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(lèi)測(cè)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(yǔ)。差分測(cè)量基礎(chǔ)差分測(cè)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(jiàn)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(chēng)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

10、稱(chēng)為共模電壓，用VCM表示。差分放大器忽略VCM的特性稱(chēng)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(cè)量逆變器電路中上部的MOSFET（場(chǎng)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(cè)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(wú)法從預(yù)期的差分

11、信號(hào)中辨別出來(lái)。衡量差分放大器消除不希望的共模信號(hào)的能力，稱(chēng)為共模抑制比或簡(jiǎn)寫(xiě)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(lái)測(cè)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(cè)量過(guò)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(cè)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(cè)試沒(méi)有發(fā)現(xiàn)不同的源極阻抗的影響。這是在實(shí)際測(cè)量環(huán)境中確定共模抑制誤差范圍的一種便利的測(cè)試方法。但有一種效應(yīng)是這個(gè)測(cè)試沒(méi)有捕獲到的。兩個(gè)輸入端接到同一點(diǎn)上，在放大器看

12、來(lái)驅(qū)動(dòng)阻抗沒(méi)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(jiàn)第13 頁(yè)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(guò)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，

13、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(cè)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)好方法。最大共模轉(zhuǎn)換速率適用于某些差分放大器和大多數(shù)隔離器。這項(xiàng)指標(biāo)常令人困惑但卻非常重要。一部分困惑緣自儀器制造商之間缺少標(biāo)準(zhǔn)的定義。而且不同的放大器和隔離器在超出最大共模轉(zhuǎn)換速率時(shí)的表現(xiàn)也不盡相同。最大共模轉(zhuǎn)換速率實(shí)質(zhì)上是對(duì)CMRR 指標(biāo)的補(bǔ)充。本指標(biāo)的單位一般為kV/s。有些類(lèi)型的差分放大器也像其他放大器一樣，在超出小信號(hào)的帶寬指標(biāo)之前就超出了大信號(hào)轉(zhuǎn)換速率的限制。當(dāng)差分放大器一端或兩端被驅(qū)動(dòng)到轉(zhuǎn)換速率的極限時(shí)，共模抑制就會(huì)急劇降低。與

14、CMRR 不同的是，最大轉(zhuǎn)換速率并不意味著輸出端共模饋通量的增加。一旦超過(guò)了最大共模轉(zhuǎn)換速率，一切均無(wú)從談起 輸出就像被鉗位在一個(gè)電源匯流條上。但是對(duì)于隔離器來(lái)說(shuō)，這種影響表現(xiàn)得為更加漸進(jìn) 就像差分放大器中的CMR一樣。隨著共模轉(zhuǎn)換速率的增加（與頻率相對(duì)），有更多的共模成分“饋通”到輸出端。這個(gè)指標(biāo)從直覺(jué)上表示的是在輸出端出現(xiàn)已知的饋通量時(shí)的最大共模轉(zhuǎn)換速率。需要注意的是，某些隔離器的共模轉(zhuǎn)換速率實(shí)際上就是最大非破壞性極限。這一點(diǎn)非常重要。當(dāng)轉(zhuǎn)換速率比最大指標(biāo)低得多時(shí)，進(jìn)行有意義的測(cè)量的能力將會(huì)受損。在使用隔離器時(shí)，最好能在重要的測(cè)量之前先測(cè)試共模饋通。這很容易做到，只需在探頭觸點(diǎn)和參考線上都

15、用同一共模信號(hào)驅(qū)動(dòng)并觀察輸出信號(hào)。差分放大器和探頭的類(lèi)型內(nèi)置差分放大器。很多示波器都能夠用內(nèi)置的功能進(jìn)行最簡(jiǎn)單的差分測(cè)量。這種方式叫做“chanel A chanel B”（通道A 減通道B）方式或者“準(zhǔn)差分”方式。雖然性能上受到限制，這項(xiàng)技術(shù)還是適合一些測(cè)量的需求的。為了進(jìn)行差分測(cè)量，要使用兩個(gè)垂直通道，一個(gè)用于正輸入，一個(gè)用于負(fù)輸入。用于負(fù)輸入的通道被設(shè)置成反轉(zhuǎn)方式，顯示方式則設(shè)置為“ADD ChannelA + Channel B”（通道A 加通道B）。為了正常工作，兩個(gè)輸入必須設(shè)定在相同的標(biāo)度系數(shù)，兩個(gè)輸入探頭也必須是同型號(hào)的?，F(xiàn)在顯示器上出現(xiàn)的就是兩個(gè)輸入端的差電壓。為了獲得最大的C

16、MRR，兩個(gè)通道的增益應(yīng)當(dāng)匹配。這不難做到，只須將兩個(gè)探頭連接到方波信號(hào)源并使信號(hào)源的振幅保持在設(shè)定的“電壓/ 分度”的動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)（大約6 分度）。將一個(gè)通道的增益方式設(shè)置為“uncalibrated - variable”（非校準(zhǔn)可變），并調(diào)節(jié)可變?cè)鲆婵刂菩o直到顯示的波形成為平直的軌跡。這項(xiàng)技術(shù)的主要局限性在于其共模范圍比較小，這是示波器垂直通道的動(dòng)態(tài)范圍造成的。一般來(lái)說(shuō)，其值小于“電壓/分度”設(shè)定值的10 倍（相對(duì)于地）。只要VCM VDM，獲得了差分結(jié)果的這種工作方式就可以認(rèn)為是從兩個(gè)大電壓中提取了小差值。在模擬信號(hào)數(shù)字化以后，大多數(shù)數(shù)字存儲(chǔ)示波器是在數(shù)字域中完成波形的數(shù)學(xué)分析。在減

17、掉了共模信號(hào)之后，模數(shù)轉(zhuǎn)換器有限的分辨率常常不適于檢查所得到的差分信號(hào)。由于兩個(gè)通道的交流增益沒(méi)有精確地匹配，高頻的CMRR 相當(dāng)?shù)土印＿@項(xiàng)技術(shù)適用于共模信號(hào)的振幅等于或低于差模信號(hào)，以及共模成分為直流或低頻（如50 或60 Hz 的供電線）的情況。在測(cè)量中等幅度的信號(hào)時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)可以有效地消除接地環(huán)路。高電壓差分探頭。最近，市場(chǎng)上出現(xiàn)了高電壓有源差分探頭。一種采用固定衰減（帶可變換差分增益）的新的拓?fù)淇梢允惯@些探頭在所有的增益設(shè)置上保持其全部的共模范圍。這種單一的衰減器大大降低了復(fù)雜程度從而減少了用戶的成本。這種探頭為測(cè)量線連電路（通常用于開(kāi)關(guān)電源、功率變換器、電動(dòng)機(jī)、電燈鎮(zhèn)流器等）提供了費(fèi)

18、用合理而又安全的方法。由于共模范圍高達(dá)1,000 V，這種探頭就不需要極其危險(xiǎn)的“浮動(dòng)示波器”的做法。最近，工作場(chǎng)所意外傷害監(jiān)控組織，如美國(guó)的OSHA（職業(yè)安全和健康條例），強(qiáng)化了他們對(duì)設(shè)備接地的檢查，違者將課以高額罰款。除了安全上的好處之外，這種探頭還可改進(jìn)測(cè)量質(zhì)量。一個(gè)明顯的好處是能夠充分利用示波器的多個(gè)通道來(lái)同時(shí)觀察涉及不同電壓的多個(gè)信號(hào)。由于這是真正的差分探頭，故兩個(gè)輸入端均為高阻抗，即高電阻和低電容。浮動(dòng)示波器和隔離器不具有平衡式的輸入。參考點(diǎn)（探頭上的“接地”夾）有相當(dāng)大的對(duì)地電容。參考點(diǎn)所連接的任何源阻抗在快速共模躍遷過(guò)程中都會(huì)承受負(fù)荷，并使信號(hào)衰減。圖10. 即便示波器處于“浮

19、動(dòng)”狀態(tài)，寄生電容也會(huì)形成交流分壓器從而增加測(cè)量的誤差。注意：回動(dòng)的探頭引線會(huì)給柵極增加100 pF 的電容，有可能破壞電路。更有甚者，高電容還可能損壞某些電路（參見(jiàn)圖10）。將示波器的公共端接到逆變器上部的柵極可以使柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)滯后，阻礙器件的關(guān)斷并破壞輸入橋。這種故障通常還會(huì)在工作臺(tái)上出現(xiàn)小火花，很多功率電子器件的設(shè)計(jì)人員都可以作證。使用平衡的低輸入電容的高壓差分探頭，可以用任何引線安全地探測(cè)電路上的任一點(diǎn)。高增益差分放大器。高增益差分放大器經(jīng)常屬于外接附件，可以使示波器測(cè)量幅度極低的信號(hào)，甚至小到幾個(gè)微伏。為了避免因接地環(huán)路和接地梯度效應(yīng)造成的破壞，這些信號(hào)總是以差分方式進(jìn)行測(cè)量的，即便

20、它們是以地為參考。當(dāng)源不以地為參考時(shí)，共模信號(hào)可以比有用的差模信號(hào)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。為了克服這個(gè)問(wèn)題，這些放大器的CMRR值極高，經(jīng)常達(dá)到1,000,000:1 或者更高。有些高增益放大器還具有可以改善低幅度測(cè)量完整性的附加功能?？蛇x的低通濾波功能可以使用戶從低頻信號(hào)中去除頻帶外噪聲。差分偏移功能可用于消除引入到輸入配線或傳感器橋的偏置電壓中的伽伐尼電位。為了能用于高驅(qū)動(dòng)阻抗的信號(hào)源，有些型號(hào)還允許用戶將輸入設(shè)定在幾乎無(wú)限大的阻抗上。對(duì)任何差分放大器來(lái)說(shuō)，通道增益最輕微的不匹配都會(huì)使放大器的高CMRR值大大降低。當(dāng)應(yīng)用中需要使用示波器探頭時(shí)，只能使用相同的非衰減模式（1X），因?yàn)樗p的探頭可能匹配

21、得不夠好，不足以保持CMRR 值。高性能差分放大器。帶有插入式放大器的示波器的出現(xiàn)使得高性能差分放大器的使用成為可能。這種放大器綜合了許多特性，適合于多種應(yīng)用。校準(zhǔn)的偏壓補(bǔ)償可以使該放大器用于單端模式，其軌跡可以參考距地幾千個(gè)分度的位置。這樣就有可能精確地測(cè)量電源中的波紋谷值以及功率放大器的凈空度。最先進(jìn)的高速鉗位電路能使放大器從超標(biāo)幾百倍的輸入過(guò)載中迅速恢復(fù)。這就提供了直接測(cè)量放大器和DAC電路的穩(wěn)定時(shí)間的可能性。這種放大器的特點(diǎn)是帶寬指標(biāo)高達(dá)100 MHz以上，CMRR特性也很好。但是CMRR 指標(biāo)是在兩個(gè)輸入端直接連在一起而且用低阻抗信號(hào)源驅(qū)動(dòng)的情況下獲得的。在實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)源阻抗和通

22、道增益的差異會(huì)使高頻時(shí)CMRR 值明顯降低。差分無(wú)源探頭。為了盡量減少性能的退化，這些放大器只能使用特別匹配的差分無(wú)源探頭。要保證按照探頭制造商給出的程序針對(duì)該放大器對(duì)探頭進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)。高帶寬有源差分探頭。這種探頭在其觸點(diǎn)處對(duì)信號(hào)進(jìn)行緩沖，以此保持高頻CMRR 的質(zhì)量，故可消除無(wú)源探頭導(dǎo)致的性能下降問(wèn)題。這種探頭具有高帶寬（100 MHz 以上）、高靈敏度，而且有極佳的高頻CMRR 性能。這種探頭一般用于測(cè)量磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的讀出電路（其信號(hào)本質(zhì)上是差分信號(hào)）。由于在查找地面反跳問(wèn)題時(shí)不會(huì)改變接地梯度，這種探頭在探查高速數(shù)字電路時(shí)得到越來(lái)越普遍的應(yīng)用。電壓隔離器。盡管電壓隔離器不是真正的差分放大器，

23、但它們提供了安全地測(cè)量浮動(dòng)電壓的一種手段。與差分放大器相比，隔離器也有一些折衷的優(yōu)勢(shì)，選擇哪一種則取決于應(yīng)用。如其名稱(chēng)所示，隔離器并不直接連接浮動(dòng)的輸入端與接地的輸出端。信號(hào)的耦合是通過(guò)光學(xué)方法或多路徑的光學(xué)/ 變壓器方法實(shí)現(xiàn)的。其物理配置有兩種：集成的單件系統(tǒng)和分立的發(fā)送器/ 接收器系統(tǒng)。發(fā)送器與接收器分立的型號(hào)是靠光纜相連。發(fā)送器由可充電電池供電，可以遠(yuǎn)離接收器。在信號(hào)發(fā)源地的環(huán)境不適于人或示波器的情況下，這種方式是很有用的。隔離器還可用于極高的共模電壓。浮動(dòng)電壓指標(biāo)通常受手持式探頭的絕緣電壓的制約。如果斷電的被測(cè)設(shè)備可以連接探頭，則浮動(dòng)電壓只受發(fā)送器與地之間的物理間距的限制。由于隔離器沒(méi)

24、有對(duì)地的電阻性通路，所以在對(duì)泄漏電流極為敏感的應(yīng)用中是一種很好的選擇。裝有靈敏的GFCI (接地故障斷路器)的電路，如醫(yī)用電子設(shè)備，在連接到差分放大器時(shí)可能引起GFCI 跳閘。而沒(méi)有終止于地的衰減器也使隔離器對(duì)靜態(tài)（直流）共模電壓具有無(wú)限的CMRR。圖11. 隔離外殼產(chǎn)生的不平衡輸入電容。由此形成的交流分壓器使得探頭夾子處的VrefVref隔離器的劣勢(shì)在于它不是真正的差分放大器，也就是說(shuō)，它的輸入是不平衡的（參見(jiàn)圖11）。測(cè)量（+）輸入端和參考（-）輸入端對(duì)大地的電容差別相當(dāng)大。這就產(chǎn)生了與前述浮動(dòng)示波器相同的問(wèn)題。參考引線的源阻抗在高頻段與接地電容形成了一個(gè)衰減器。將參考點(diǎn)連接到電路中驅(qū)動(dòng)阻

25、抗最低的點(diǎn)上（必要時(shí)可顛倒示波器的通道以便重新獲得正確的極性）即可使這些問(wèn)題的影響減至最小。如果隔離器的發(fā)送器與接收器是分立的，應(yīng)盡可能將發(fā)送器與接地表面相隔離，以便最大限度地減少對(duì)地的電容耦合。將隔離器置于紙板箱或木制板條箱內(nèi)都可以顯著改進(jìn)其性能！差分測(cè)量的應(yīng)用功率電子部件高電壓差分放大器是測(cè)量線路連接電路的理想的手段，這種電路包括開(kāi)關(guān)電源的原線圈、電動(dòng)機(jī)、電燈鎮(zhèn)流器，以及其他類(lèi)似的系統(tǒng)。這種電路不需要“浮動(dòng)示波器”這樣的危險(xiǎn)做法。低的輸入電容也不會(huì)增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)荷而影響逆變器的運(yùn)行。在描述功率開(kāi)關(guān)器件（如MOSFET 和IGBT）的特性時(shí)常常要測(cè)量動(dòng)態(tài)飽和特性。帶有高速輸入鉗位電路的

26、高性能差分放大器能夠精確地測(cè)量導(dǎo)通飽和度，即當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)過(guò)驅(qū)動(dòng)（滿標(biāo)度的幾百倍）之后的幾納秒。這樣就可以使用精確測(cè)量飽和度特性所需要的高靈敏度。在測(cè)量次級(jí)電路時(shí)這種放大器也是有用的。通過(guò)激活校準(zhǔn)的偏壓補(bǔ)償（也叫比較電壓），放大器也可用于單端模式以監(jiān)視波紋谷和線性穩(wěn)壓器的凈空度（參見(jiàn)圖12）。若將偏壓補(bǔ)償設(shè)定到輸出電壓，則可以在各種動(dòng)態(tài)負(fù)荷條件下以高靈敏度直接測(cè)量VCE 凈空度。系統(tǒng)功率分配在開(kāi)發(fā)高精度模擬量、混合信號(hào)和高速數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，常常要解決功率分配方面的問(wèn)題。這種工作可能是設(shè)計(jì)者最可怕的夢(mèng)魘。CAD 系統(tǒng)經(jīng)常也無(wú)助于事，因?yàn)楹茈y或者根本不可能為引起此類(lèi)問(wèn)題的微小的寄生效應(yīng)建立模型。配備了差

27、分放大器的示波器是追蹤和鑒別系統(tǒng)中的故障點(diǎn)的最好工具。圖12. 用校準(zhǔn)的偏壓補(bǔ)償精確測(cè)量輸出穩(wěn)壓器集電極上的電源波紋谷。注意：示波器設(shè)定在100 mV/ 分度，地電位在屏幕外61 個(gè)分度。圖13. 平衡橋電路中的傳感器。在兩個(gè)分壓支路的抽頭之間進(jìn)行差分測(cè)量。單端測(cè)量常常將功率分配問(wèn)題隱藏起來(lái)，因?yàn)檫@種測(cè)量為被測(cè)信號(hào)另外提供了接地路徑。這不僅使測(cè)量發(fā)生了變化，而且也常常會(huì)影響電路的工作，可能改進(jìn)也可能降低電路的性能。將差分探頭置于集成電路的電源引線上，可以給出器件電源的真實(shí)狀況。邏輯器件的引線電感常常使集成電路與局部的旁路電容隔離開(kāi)來(lái)。即便電源看似純凈，接地和電源引腳也可能相對(duì)于系統(tǒng)中的其他地線

28、發(fā)生漂移。移動(dòng)探頭可以跟蹤單個(gè)器件的地與系統(tǒng)中其他地之間的動(dòng)態(tài)接地電壓梯度。數(shù)字系統(tǒng)中的地面反跳效應(yīng)可能更容易測(cè)量。在集成電路的輸入引腳及接地引腳之間進(jìn)行探查就可給出該器件所看到的實(shí)際信號(hào)的狀況。平衡信號(hào)有些系統(tǒng)使用的信號(hào)本質(zhì)上就是差分信號(hào)。當(dāng)信號(hào)兩端共有同一的驅(qū)動(dòng)阻抗時(shí)就認(rèn)為這兩端是平衡的。平衡系統(tǒng)在專(zhuān)業(yè)音頻設(shè)備、電話和磁記錄系統(tǒng)（模擬與數(shù)字存儲(chǔ)器）中是很普遍的，這里僅給出少數(shù)幾例。差分信號(hào)在高速數(shù)字系統(tǒng)中也分布得越來(lái)越普遍。如果對(duì)這種信號(hào)一次測(cè)量一端并將結(jié)果“相加”，那么這種低效率的嘗試充其量是一種容易出錯(cuò)的方法。當(dāng)只有信號(hào)的一端承載探頭時(shí)能量就經(jīng)常轉(zhuǎn)移到未被測(cè)量的一端。以差分方法測(cè)量平衡

29、系統(tǒng)可以得到信號(hào)的真實(shí)描述。傳感器差分測(cè)量普遍應(yīng)用于傳感器系統(tǒng)。由于信號(hào)幅度小，還需要消除接地環(huán)路，所以就排除了使用單端測(cè)量的可能性?！皞鞲衅鳌币辉~使人想到了用于測(cè)量機(jī)械現(xiàn)象的設(shè)備，如測(cè)量加速度、振動(dòng)、壓力等等。差分測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用已超出了這一范圍，還包括視頻和醫(yī)學(xué)成象器、麥克風(fēng)、化學(xué)傳感器，等等，不一而足。電阻值可以發(fā)生變化的傳感器經(jīng)常工作在所謂平衡橋的配置中（參見(jiàn)圖13）。這種配置是利用三個(gè)已知電阻器和傳感器構(gòu)成一對(duì)分壓器。橋電路電源為這對(duì)分壓器提供偏壓，而在分壓器的抽頭之間進(jìn)行差分式的電壓測(cè)量。這種配置的好處是消除了電源波動(dòng)的影響。在系統(tǒng)被激勵(lì)之前，傳感器經(jīng)常生成一個(gè)代表其穩(wěn)態(tài)的直流輸出電

30、壓。為了獲得高分辨率，最好是將直流成分去掉。如果需要測(cè)量極低的頻率成分（1012 ）。在源阻抗相當(dāng)高時(shí)（如生理學(xué)實(shí)驗(yàn)）這種方式可以大大改善低頻的CMR。盡管儀器用放大器的輸入電阻為無(wú)限大，其輸入電容還是有的。隨著共模頻率的增加，信號(hào)源的高阻抗對(duì)CMR的改善效果將迅速退化。由于儀器用放大器沒(méi)有輸入衰減器，其共模范圍和差模范圍都比較狹窄。圖18. 消費(fèi)音頻電子部件中的VCM。這些設(shè)備通常使用雙芯電源線，其機(jī)箱和電路都是浮動(dòng)的。共模范圍任何放大器都有可能被過(guò)驅(qū)動(dòng)，并引起輸出的“鉗位”。當(dāng)輸入的差模信號(hào)大到足以強(qiáng)制放大器超出其輸出動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，差分放大器也會(huì)發(fā)生同樣的效應(yīng)。差分放大器還要承受另一種過(guò)載，

31、即超出輸入共模范圍。當(dāng)預(yù)期的信號(hào)所依附的電壓（VCM）超出了放大器的輸入共模范圍時(shí)就會(huì)發(fā)生這種情況。由于放大器抑制了共模信號(hào)，所以動(dòng)態(tài)范圍受到輸入級(jí)而不是輸出擺幅的限制。帶輸入衰減器的放大器共模范圍比差模范圍大。由于共模成分在測(cè)量中是看不到的（但愿如此），所以共模范圍過(guò)載對(duì)于用戶可能并不明顯。當(dāng)共模成分為直流時(shí)尤其如此。在超出VCM范圍時(shí)，有些放大器的拓?fù)淙匀唤频亟o出帶有明顯增益誤差的差分信號(hào)。由于波形貌似正確，很多用戶被這種錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果所愚弄。有些放大器帶有過(guò)載指示器以警告用戶發(fā)生了共模過(guò)載的情況。一個(gè)好的方法就是在進(jìn)行重要的測(cè)量之前先檢驗(yàn)共模是否在規(guī)定的范圍之內(nèi)。只要將一個(gè)輸入端接地并

32、且用放大器本身測(cè)量共模成分就可以很容易地進(jìn)行檢驗(yàn)。然后再對(duì)另一個(gè)輸入端重復(fù)此過(guò)程。測(cè)量完全浮動(dòng)信號(hào)完全浮動(dòng)（沒(méi)有任何接地）的信號(hào)源在用差分放大器進(jìn)行測(cè)量時(shí)會(huì)造成特殊的問(wèn)題。常見(jiàn)的例子有電池供電的電子設(shè)備、消費(fèi)音頻部件和實(shí)驗(yàn)用生理標(biāo)本。由于沒(méi)有分支阻抗接地，該地區(qū)的任何交流電場(chǎng)都可以通過(guò)電容耦合到被測(cè)設(shè)備中去（參見(jiàn)圖18）。在這種測(cè)量環(huán)境中充斥著從熒光燈和建筑物配線中輻射出來(lái)的線路頻率電場(chǎng)。當(dāng)這種電場(chǎng)耦合到被測(cè)設(shè)備中時(shí)，便產(chǎn)生了共模電壓。若耦合量足夠大而放大器的輸入阻抗又比較高，就可能在不經(jīng)意間超出了放大器的共模范圍。當(dāng)放大器配置成儀器用放大器時(shí)尤其如此，因?yàn)閷?duì)線路頻率的負(fù)載阻抗近乎無(wú)限大。通過(guò)

33、提供分支阻抗接地、減少電容性耦合或者減少場(chǎng)強(qiáng)等都可以避免出現(xiàn)過(guò)載的情況。增加到地的并聯(lián)支路是最為容易的方法。這種方法不需要直接短路，通常有10 k的電阻就足夠了。如果加入分支阻抗對(duì)被測(cè)設(shè)備或測(cè)量過(guò)程造成了干擾，可以試著將被測(cè)設(shè)備用接地的金屬屏蔽物封裝起來(lái)以減少電容性耦合。這實(shí)際上是加了一個(gè)給交流電場(chǎng)提供接地通路的法拉第屏蔽。最后一個(gè)方法是設(shè)法將場(chǎng)強(qiáng)減至最小。作為一個(gè)好的開(kāi)始，可以用白熾燈替代熒光燈以及使電路配線與被測(cè)設(shè)備之間保持最大距離。帶寬差分放大器和單端示波器放大器一樣，?？梢詫?duì)帶寬限制進(jìn)行控制。高增益放大器可以提供低通頻率的選擇。帶寬限制可減少高頻噪聲成分并使低頻的降低減至最小。帶寬限制

34、濾波器位于輸入信號(hào)被轉(zhuǎn)換為單端之后。所以，使用帶寬限制不會(huì)增加高頻的輸入共模范圍。術(shù)語(yǔ)ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。數(shù)字存儲(chǔ)示波器需要將模擬輸入轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是數(shù)字存儲(chǔ)示波器的“心臟”部件。ADC 的許多特性（如采樣率、分辨率、精度和線性度等）均直接與示波器的性能有關(guān)。平衡式 通過(guò)一對(duì)線進(jìn)行傳輸?shù)男盘?hào)，每條線的源阻抗相同。地線不可用作信號(hào)的返回路徑。帶寬限制器 一種用戶可選的濾波器，用于衰減有用帶寬之外的噪聲。除非特別說(shuō)明，濾波器均為低通拓?fù)?，單極（-6 dB/octave）滾降。鉗位電路 一種限制放大器輸出電壓的擺幅使之工作于線性范圍的電路。通常采用減少過(guò)載恢復(fù)時(shí)間的方法實(shí)現(xiàn)。削波 放大器再現(xiàn)輸入信號(hào)時(shí)由于輸出電壓范圍不夠而產(chǎn)生的失真的波形。正如其名稱(chēng)所示，輸出波形好象經(jīng)過(guò)了“切削”。共模 輸入信號(hào)中差分放大器的兩個(gè)輸入端公用（振幅與相位均相同）的成分。理想的差分放大器抑制所有的共模信號(hào)。共模范圍 差分放大器可以