示波器的差分信號測量

初步介紹差分測量、放大器類型、應(yīng)用及怎樣避免常見錯誤

當(dāng)存在500 mVp-p、60 Hz 的共模噪聲時，使用傳統(tǒng)示波器探頭不能測量模擬的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。

引論
所有測量都是兩點(diǎn)測量
人們一直在一條電路的兩點(diǎn)之間測量電壓，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，即使沒有連接地線，通常也會在顯示器上出現(xiàn)波形。在這種情況下，測量的參考點(diǎn)是經(jīng)過示波器機(jī)箱的安全接地通往電路中的電氣地。
數(shù)字電壓表通過兩個探頭測量兩點(diǎn)之間的電位。由于這兩個探頭是彼此隔離的，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)字電壓表出現(xiàn)前，人們使用VOM（萬用表）手持式儀表測量“浮動”電路。由于這些儀表是無源的，因此它們往往會給被測電路帶來負(fù)荷。使用高阻抗VTVM（真空管電壓表），可以執(zhí)行侵入性較小的測量。VTVM 有一個重大的局限性，即其測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)增益電路的問世，高性能電壓表可以與地線隔離，從而可以執(zhí)行浮動測量。
目前的大多數(shù)示波器，如老式VTVM，只能測量以大地為參考點(diǎn)的電壓，地線則連接到示波器機(jī)箱上。這稱為“單端”測量，探頭地線提供了參考通路。遺憾的是，有時這種局限性會降低測量的完整性，或不可能進(jìn)行測量。

如果被測電壓位于兩個電路節(jié)點(diǎn)之間而且這兩點(diǎn)均未接地，那就不能使用傳統(tǒng)的示波器探測技術(shù)。常見的實(shí)例是測量開關(guān)電源中的柵極驅(qū)動信號（參見圖1）。
像普通電話線路中的那種平衡信號（在兩條引線之間，且沒有地回路）是不能直接測量的。我們將會看到，甚至某些“以地為參考”的信號也不能如實(shí)地使用單端技術(shù)來測量。

如果地線不成其為地線
我們都聽說過“接地環(huán)路”，書本上教我們避免“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，將會產(chǎn)生接地環(huán)路。其結(jié)果是導(dǎo)體連成了一個環(huán)。當(dāng)出現(xiàn)變化的磁場時，這個環(huán)就成了變壓器的次級，其本質(zhì)是一個短路線匝。在其附近傳送非直流電流的任何導(dǎo)體都可以產(chǎn)生激勵這個變壓器的磁場。主配線中的交流線電壓、甚至數(shù)字集成電路的輸出引線，都可能產(chǎn)生這種激勵。在環(huán)路中循環(huán)的電流會在環(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電路的地上，如果電路“接地”到大地，就會形成接地環(huán)路（參見圖2）。循環(huán)電流作用在探頭通路內(nèi)部的阻抗上會在其中產(chǎn)生電壓電位。

圖1. 在測試點(diǎn)TP1 和TP2 之間測量開關(guān)電源中的柵極驅(qū)動信號。兩點(diǎn)都沒有接地。

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”電位就不同于被測電路中的地電位（也就是說“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。當(dāng)被測信號的幅度下降時，誤差會變得更加明顯，這在傳感器和生物醫(yī)學(xué)測量中十分常見。
在這些情況下，人們經(jīng)常會去掉探頭的接地線。只有在測量頻率極低的信號時，這種方法才有效。在較高的頻率上，探頭開始在信號中增加因諧振電路（由觸點(diǎn)電容和屏蔽電感組成）產(chǎn)生的“環(huán)”（參見圖3）。(正因為如此，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，在測量中增加誤差；或去掉探頭地線，在波形中增加環(huán)！為了斷開接地環(huán)路而經(jīng)常試用的第二種方法是“浮動”示波器或“浮動”被測電路。“浮動”是指在被測設(shè)備上或在示波器上使安全接地的導(dǎo)線開路從而斷開與大地的連接。浮動示波器或浮動被測設(shè)備（DUT）之后，便可利用短地線使環(huán)達(dá)到最小，而且不會產(chǎn)生接地環(huán)路。

這種作法本身具有危險性，因為在主配線發(fā)生短路時，它會使電擊保護(hù)措施失效。（某些專用電池操作的便攜式示波器采用絕緣材料，可以安全進(jìn)行浮動測量。） 在嚴(yán)格接地的示波器（或被測設(shè)備）的電源線中放一個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)在可能會超過政府標(biāo)準(zhǔn)，也會給測量本身造成干擾。在較高的頻率上，斷開接地線也不可能打破接地環(huán)路，因為“浮動”電路實(shí)際上通過雜散電容耦合到大地（參見圖4）。

圖4. 使用接地的示波器探測“浮動的”電池供電手機(jī)。手機(jī)電路和鋼制工作臺構(gòu)架之間的電容對高頻率構(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，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，因為設(shè)計人員不能真正查看各個器件所“看到”的信號。把示波器探頭地線連接到器件的“接地”點(diǎn)上，會導(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，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)際信號的方法。
通過使用適當(dāng)?shù)牟罘址糯笃?、探頭或隔離器，可以執(zhí)行精確的兩點(diǎn)示波器測量，而不會引入接地環(huán)路或使測量失敗、擾亂被測器件或使用戶面臨電擊危險。
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輸入端之間的“差”信號，而且會徹底抑制兩個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，稱之為差分電壓或差模信號，表示為VDM(VDM 就是上述轉(zhuǎn)換公式中的V+in - V-in)。
兩個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)動信號。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(擺幅為幾伏)，同時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。少量共模信號將作為誤差信號出現(xiàn)在輸出中，無法從預(yù)期的差分信號中辨別出來。衡量差分放大器消除不希望的共模信號的能力，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. 對共模抑制進(jìn)行試驗測試。由同一點(diǎn)驅(qū)動兩個輸入端。殘留的共模出現(xiàn)在輸出端。此項測試沒有發(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)是這個測試沒有捕獲到的。兩個輸入端接到同一點(diǎn)上，在放大器看來驅(qū)動阻抗沒有差別。這種情況會產(chǎn)生最佳的CMRR。當(dāng)差分放大器的兩個輸入端是由差別明顯的源極阻抗驅(qū)動時，CMRR 值會降低。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，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)的輸入信號非常近似的輸出波形，但有一些附加的偏移。這時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共模信號是否處于可接受的共模范圍之內(nèi)，總不失為一個好方法。
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CMRR 指標(biāo)的補(bǔ)充。本指標(biāo)的單位一般為kV/μs。
有些類型的差分放大器也像其他放大器一樣，在超出小信號的帶寬指標(biāo)之前就超出了大信號轉(zhuǎn)換速率的限制。當(dāng)差分放大器一端或兩端被驅(qū)動到轉(zhuǎn)換速率的極限時，共模抑制就會急劇降低。與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。一旦超過了最大共模轉(zhuǎn)換速率，一切均無從談起－ 輸出就像被鉗位在一個電源匯流條上。
但是對于隔離器來說，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），有更多的共模成分“饋通”到輸出端。這個指標(biāo)從直覺上表示的是在輸出端出現(xiàn)已知的饋通量時的最大共模轉(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，進(jìn)行有意義的測量的能力將會受損。在使用隔離器時，最好能在重要的測量之前先測試共模饋通。這很容易做到，只需在探頭觸點(diǎn)和參考線上都用同一共模信號驅(qū)動并觀察輸出信號。

差分放大器和探頭的類型
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)行最簡單的差分測量。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，這項技術(shù)還是適合一些測量的需求的。為了進(jìn)行差分測量，要使用兩個垂直通道，一個用于正輸入，一個用于負(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 Channel　A + Channel B”（通道A 加通道B）。為了正常工作，兩個輸入必須設(shè)定在相同的標(biāo)度系數(shù)，兩個輸入探頭也必須是同型號的?，F(xiàn)在顯示器上出現(xiàn)的就是兩個輸入端的差電壓。
為了獲得最大的CMRR，兩個通道的增益應(yīng)當(dāng)匹配。這不難做到，只須將兩個探頭連接到方波信號源并使信號源的振幅保持在設(shè)定的“電壓/ 分度”的動態(tài)范圍之內(nèi)（大約±6 分度）。將一個通道的增益方式設(shè)置為“uncalibrated - variable”（非校準(zhǔn)－可變），并調(diào)節(jié)可變增益控制旋鈕直到顯示的波形成為平直的軌跡。這項技術(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態(tài)范圍造成的。一般來說，其值小于“電壓/分度”設(shè)定值的10 倍（相對于地）。只要VCM > VDM，獲得了差分結(jié)果的這種工作方式就可以認(rèn)為是從兩個大電壓中提取了小差值。
在模擬信號數(shù)字化以后，大多數(shù)數(shù)字存儲示波器是在數(shù)字域中完成波形的數(shù)學(xué)分析。在減掉了共模信號之后，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。由于兩個通道的交流增益沒有精確地匹配，高頻的CMRR 相當(dāng)?shù)土印?br>這項技術(shù)適用于共模信號的振幅等于或低于差模信號，以及共模成分為直流或低頻（如50 或60 Hz 的供電線）的情況。在測量中等幅度的信號時，這項技術(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。
這種探頭為測量線連電路（通常用于開關(guān)電源、功率變換器、電動機(jī)、電燈鎮(zhèn)流器等）提供了費(fèi)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的“浮動示波器”的做法。最近，工作場所意外傷害監(jiān)控組織，如美國的OSHA（職業(yè)安全和健康條例），強(qiáng)化了他們對設(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)測量質(zhì)量。一個明顯的好處是能夠充分利用示波器的多個通道來同時觀察涉及不同電壓的多個信號。由于這是真正的差分探頭，故兩個輸入端均為高阻抗，即高電阻和低電容。浮動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)大的對地電容。參考點(diǎn)所連接的任何源阻抗在快速共模躍遷過程中都會承受負(fù)荷，并使信號衰減。

圖10. 即便示波器處于“浮動”狀態(tài)，寄生電容也會形成交流分壓器從而增加測量的誤差。注意：回動的探頭引線會給柵極增加>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)動信號滯后，阻礙器件的關(guān)斷并破壞輸入橋。這種故障通常還會在工作臺上出現(xiàn)小火花，很多功率電子器件的設(shè)計人員都可以作證。
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，可以使示波器測量幅度極低的信號，甚至小到幾個微伏。為了避免因接地環(huán)路和接地梯度效應(yīng)造成的破壞，這些信號總是以差分方式進(jìn)行測量的，即便它們是以地為參考。當(dāng)源不以地為參考時，共模信號可以比有用的差模信號大幾個數(shù)量級。為了克服這個問題，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)動阻抗的信號源，有些型號還允許用戶將輸入設(shè)定在幾乎無限大的阻抗上。
對任何差分放大器來說，通道增益最輕微的不匹配都會使放大器的高CMRR值大大降低。當(dāng)應(yīng)用中需要使用示波器探頭時，只能使用相同的非衰減模式（1X），因為衰減的探頭可能匹配得不夠好，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分度的位置。
這樣就有可能精確地測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)幾百倍的輸入過載中迅速恢復(fù)。這就提供了直接測量放大器和DAC電路的穩(wěn)定時間的可能性。

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)是在兩個輸入端直接連在一起而且用低阻抗信號源驅(qū)動的情況下獲得的。在實(shí)際應(yīng)用中，信號源阻抗和通道增益的差異會使高頻時CMRR 值明顯降低。
差分無源探頭。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源探頭。要保證按照探頭制造商給出的程序針對該放大器對探頭進(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)處對信號進(jìn)行緩沖，以此保持高頻CMRR 的質(zhì)量，故可消除無源探頭導(dǎo)致的性能下降問題。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量磁盤驅(qū)動器的讀出電路（其信號本質(zhì)上是差分信號）。由于在查找地面反跳問題時不會改變接地梯度，這種探頭在探查高速數(shù)字電路時得到越來越普遍的應(yīng)用。
電壓隔離器。盡管電壓隔離器不是真正的差分放大器，但它們提供了安全地測量浮動電壓的一種手段。與差分放大器相比，隔離器也有一些折衷的優(yōu)勢，選擇哪一種則取決于應(yīng)用。如其名稱所示，隔離器并不直接連接浮動的輸入端與接地的輸出端。信號的耦合是通過光學(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。
如果斷電的被測設(shè)備可以連接探頭，則浮動電壓只受發(fā)送器與地之間的物理間距的限制。
由于隔離器沒有對地的電阻性通路，所以在對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可能引起GFCI 跳閘。而沒有終止于地的衰減器也使隔離器對靜態(tài)（直流）共模電壓具有無限的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Vref’≠Vref

隔離器的劣勢在于它不是真正的差分放大器，也就是說，它的輸入是不平衡的（參見圖11）。測量（+）輸入端和參考（-）輸入端對大地的電容差別相當(dāng)大。這就產(chǎn)生了與前述浮動示波器相同的問題。參考引線的源阻抗在高頻段與接地電容形成了一個衰減器。
將參考點(diǎn)連接到電路中驅(qū)動阻抗最低的點(diǎn)上（必要時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！

差分測量的應(yīng)用
功率電子部件
高電壓差分放大器是測量線路連接電路的理想的手段，這種電路包括開關(guān)電源的原線圈、電動機(jī)、電燈鎮(zhèn)流器，以及其他類似的系統(tǒng)。這種電路不需要“浮動示波器”這樣的危險做法。低的輸入電容也不會增加?xùn)艠O驅(qū)動電路的負(fù)荷而影響逆變器的運(yùn)行。
在描述功率開關(guān)器件（如MOSFET 和IGBT）的特性時常常要測量動態(tài)飽和特性。帶有高速輸入鉗位電路的高性能差分放大器能夠精確地測量導(dǎo)通飽和度，即當(dāng)器件關(guān)斷時過驅(qū)動（滿標(biāo)度的幾百倍）之后的幾納秒。這樣就可以使用精確測量飽和度特性所需要的高靈敏度。
在測量次級電路時這種放大器也是有用的。通過激活校準(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（參見圖12）。若將偏壓補(bǔ)償設(shè)定到輸出電壓，則可以在各種動態(tài)負(fù)荷條件下以高靈敏度直接測量VCE 凈空度。

系統(tǒng)功率分配
在開發(fā)高精度模擬量、混合信號和高速數(shù)字系統(tǒng)時，常常要解決功率分配方面的問題。這種工作可能是設(shè)計者最可怕的夢魘。CAD 系統(tǒng)經(jīng)常也無助于事，因為很難或者根本不可能為引起此類問題的微小的寄生效應(yīng)建立模型。配備了差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 個分度。

圖13. 平衡橋電路中的傳感器。在兩個分壓支路的抽頭之間進(jìn)行差分測量。

單端測量常常將功率分配問題隱藏起來，因為這種測量為被測信號另外提供了接地路徑。這不僅使測量發(fā)生了變化，而且也常常會影響電路的工作，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來。即便電源看似純凈，接地和電源引腳也可能相對于系統(tǒng)中的其他地線發(fā)生漂移。移動探頭可以跟蹤單個器件的地與系統(tǒng)中其他地之間的動態(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)際信號的狀況。

平衡信號
有些系統(tǒng)使用的信號本質(zhì)上就是差分信號。當(dāng)信號兩端共有同一的驅(qū)動阻抗時就認(rèn)為這兩端是平衡的。平衡系統(tǒng)在專業(yè)音頻設(shè)備、電話和磁記錄系統(tǒng)（模擬與數(shù)字存儲器）中是很普遍的，這里僅給出少數(shù)幾例。差分信號在高速數(shù)字系統(tǒng)中也分布得越來越普遍。如果對這種信號一次測量一端并將結(jié)果“相加”，那么這種低效率的嘗試充其量是一種容易出錯的方法。當(dāng)只有信號的一端承載探頭時能量就經(jīng)常轉(zhuǎn)移到未被測量的一端。以差分方法測量平衡系統(tǒng)可以得到信號的真實(shí)描述。

傳感器
差分測量普遍應(yīng)用于傳感器系統(tǒng)。由于信號幅度小，還需要消除接地環(huán)路，所以就排除了使用單端測量的可能性?！皞鞲衅鳌币辉~使人想到了用于測量機(jī)械現(xiàn)象的設(shè)備，如測量加速度、振動、壓力等等。差分測量技術(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（參見圖13）。這種配置是利用三個已知電阻器和傳感器構(gòu)成一對分壓器。橋電路電源為這對分壓器提供偏壓，而在分壓器的抽頭之間進(jìn)行差分式的電壓測量。這種配置的好處是消除了電源波動的影響。在系統(tǒng)被激勵之前，傳感器經(jīng)常生成一個代表其穩(wěn)態(tài)的直流輸出電壓。為了獲得高分辨率，最好是將直流成分去掉。如果需要測量極低的頻率成分（<2 Hz），在放大器輸入端采用交流耦合是無效的。為了適應(yīng)這種需求，很多高增益差分放大器都有差分偏移功能。這種功能實(shí)際上是在一個輸入端串接一個浮動的可調(diào)電源，這樣就允許放大器保持直流耦合。偏移控制的范圍相當(dāng)大，在較高的增益設(shè)置中可達(dá)到±100 萬分度。

生物物理測量
警告: 不要在人體上接入包括差分放大器在內(nèi)的任何電子儀器，除非這種儀器是專為人而設(shè)計的。合適的設(shè)備應(yīng)被確認(rèn)符合由所在國批準(zhǔn)的專門的法規(guī)。
測量神經(jīng)活動所形成的電信號面臨著諸多挑戰(zhàn)。這種信號的幅度極低，常常小于1 毫伏。共模成分可能比有用信號大幾百倍甚至幾千倍。源阻抗也相當(dāng)高。差分信號通常被高幅度的噪聲破壞。所幸的是高增益差分放大器可以用來測量這些信號。1,000,000:1 或者更高的CMRR 指標(biāo)可以有效地消除共模成分。
為了應(yīng)付輸入信號的高阻抗，可將放大器的輸入電阻配置為無限大。（注意：如果標(biāo)本未經(jīng)其他設(shè)備接地，應(yīng)當(dāng)使用通過100kΩ電阻接地的單獨(dú)的探頭以便減少共模范圍超載的機(jī)會。）皮膚觸點(diǎn)一般采用銀/ 氯化銀電極。這樣可以建立與皮膚的離子連接，還可生成半電池電壓為400 mV的伽伐尼電池用以給測量加入偏置電壓。放大器的差分偏移可用于去除偏壓同時又保持低頻響應(yīng)特性。由于大多數(shù)生物物理活動發(fā)生在20 Hz 以下的頻率，可以利用有限帶寬濾波器減少高頻差分噪聲但不會使有用信號發(fā)生改變。

維持測量的完整性
測量的誤差源
像其他的測量方法一樣，差分測量也受到產(chǎn)生誤差的條件的制約。這些誤差在結(jié)果中也許很明顯，也許并非顯而易見，還有可能被誤認(rèn)為是想要的測量結(jié)果。下面將討論一些比較常見的誤差源。為了了解產(chǎn)生誤差的原因和避免的方法，首先需要對差分示波器或探頭的內(nèi)部運(yùn)行情況有一個基本的了解。

系統(tǒng)的核心是差分放大級（參見圖14）。其圖示符號與運(yùn)算放大器相同。差分放大器像運(yùn)算放大器一樣可以抑制輸入的共模信號而只放大兩個輸入端的電壓差。與運(yùn)算放大器不同的是，差分放大器具有已知的、有限的增益。在有些配置中，增益可由用戶選擇。輸出是單端的，而且以地為參照。為了獲得很高的阻抗，輸入部分常采用FET（場效應(yīng)管）。輸入信號可以通過高阻抗的衰減器以便使大信號減小到放大器可以處理的范圍。對于衰減器的要求要比單端放大器高得多。兩端必須有相同的直流和交流衰減。衰減量的不匹配對CMRR具有第一位的影響。例如，為了保持100,000:1 的CMRR指標(biāo)，衰減器的匹配度必須好于十萬分之一（0.001%）；這樣就在差分放大器中不給誤差留下余地！當(dāng)然，還需要從信號源開始全程保持這種匹配度。

圖14. 帶衰減器的差分放大器簡圖。

輸入連接
一般來說，差分放大器或探頭與信號源的互連是產(chǎn)生誤差的最大來源。為了維持輸入的匹配，兩個通道應(yīng)盡可能一樣。兩個輸入端的任何接線的都應(yīng)長度相同。如果使用探頭，其型號與長度也應(yīng)相同。在測量高共模電壓的低頻信號時，應(yīng)避免使用帶衰減的探頭。在高增益時則完全不能使用這種探頭，因為不可能精地平衡它們的衰減量。當(dāng)高電壓或高頻率的應(yīng)用需要衰減時，應(yīng)使用為差分放大器專門設(shè)計的專用無源探頭。這種探頭具有能精密調(diào)整直流衰減和交流補(bǔ)償?shù)难b置。為獲得最佳的性能，每一個特定的放大器都應(yīng)專用一套探頭，而且要根據(jù)這套探頭附帶的程序針對該放大器進(jìn)行校準(zhǔn)。
一種常用的方法是將+ 和- 輸入纜線成對絞扭在一起。這樣可減少拾取線路頻率干擾和其他噪聲的可能。以間隔方式布線的輸入纜線（參見圖15）的作用相當(dāng)于變壓器的一個線圈。穿過這個環(huán)路的任何交流磁場都會感應(yīng)出一個電壓，此電壓作為差分成分出現(xiàn)在放大器的輸入端，而且會如實(shí)地合計到輸出上去！若將輸入引線鉸接在一起（如圖16），則感應(yīng)電壓往往出現(xiàn)在VCM 通道，可以被差分放大器抑制。
在共模信號超量的高頻測量中可以將兩條輸入線繞在鐵氧體磁環(huán)上而得到改善。這樣作可衰減兩個輸入端共有的高頻信號。由于差分信號是在兩個方向上穿過磁芯，因此不受影響。

圖15. 隨時間變化的磁場穿過間隔開的引線時感生出電壓，猶如變壓器的線圈。此電壓作為差分成分輸入放大器并累加到真正的VDM 信號- 上。

圖16. 將輸入引線絞扭在一起，環(huán)路面積非常小，故穿過其中的磁場較少。感應(yīng)電壓往往出現(xiàn)在VCM 通道，可以被差分放大器抑制。

接地
大多數(shù)差分放大器的輸入連接器是外殼接地的BNC連接器。在使用探頭或同軸輸入線纜連接時，總會有如何接地的問題。由于測量應(yīng)用千差萬別，故沒有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)可循。
在測量低頻的低電位信號時，地線一般最好是只接在放大器一側(cè)，而不要接在兩個輸入端上。這樣可給感應(yīng)到屏蔽層的電流提供返回的通路，但又不會形成接地環(huán)路而對測量或被測設(shè)備形成干擾。
在高頻部分，探頭的輸入電容與引線電感形成串聯(lián)“空腔”諧振電路，并可能結(jié)成環(huán)狀。在單端測量中，使用盡可能短的接地線可使這種效應(yīng)減至最小。這樣會降低電感量，有效地增高諧振頻率，使其有望超出放大器的帶寬。差分測量是在兩個探頭接觸點(diǎn)之間進(jìn)行的，其中并不涉及接地的概念。然而如果因為共模成分的快速上升而產(chǎn)生了環(huán)，則使用短的接地線可減少諧振電路中的電感量，從而減少了環(huán)狀成分。在有些情況下，也可以用附加接地線的方法減少快速差分信號所產(chǎn)生的環(huán)。如果共模源在高頻時對地的阻抗很低，也就是被電容器旁路，就屬于這種情況。如其不然，附加地線可能會使情況變得更糟！如果發(fā)生了這種事，可試著將探頭一起在輸入端接地。這樣可以通過屏蔽降低有效電感。

當(dāng)然，將探頭的地接到電路上可能會生成接地環(huán)路。在測量高頻信號時這通常不會產(chǎn)生問題。測量高頻時的最好忠告就是試著用和不用接地引線進(jìn)行測量；然后采用能給出最好結(jié)果的設(shè)置。當(dāng)把探頭接地引線接到電路時，要切記將它接地！在使用差分放大器時很容易忘記地線的連接在哪里，因為它們可以探查電路的任何地方而不會有發(fā)生損害的危險。

圖16. 源阻抗不平衡所造成的影響。＋輸入衰減器是從0Ω驅(qū)動的，但－輸入衰減器是從3kΩ以下驅(qū)動的。結(jié)果與900kΩ相加，使衰減增加而CMRR降低。

輸入阻抗對CMRR 的影響
任何源阻抗的作用就是與輸入電阻（直流）和輸入電容（交流）組成一個分壓器。對單端測量來說，阻抗的影響一般可以忽略，因為誤差很少能達(dá)到1%。但對差分測量，這個小的誤差造成輸入增益的不匹配，這會減少共模抑制的能力（見圖17）。
測量差分放大器的CMRR 指標(biāo)通常是經(jīng)過T 型BNC 連接器共同驅(qū)動兩個輸入端。這樣向輸入端看進(jìn)去的阻抗差實(shí)際為零?，F(xiàn)實(shí)中的信號源理應(yīng)具有相同的驅(qū)動阻抗。但這很難做到。于是，CMRR 的實(shí)際性能要比放大器的指標(biāo)低得多。
如果放大器的輸入阻抗、衰減倍數(shù)和源阻抗全都已知，那么通過計算每個輸入分支的分壓比就可以確定實(shí)際的CMRR。不過，若只對測量的實(shí)績做出主觀的判斷會更容易些。
很多高增益放大器都可以配置成儀器用放大器。儀器用放大器沒有輸入衰減器，本身的輸入電阻是無限大（>1012 Ω）。在源阻抗相當(dāng)高時（如生理學(xué)實(shí)驗）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限大，其輸入電容還是有的。隨著共模頻率的增加，信號源的高阻抗對CMR的改善效果將迅速退化。由于儀器用放大器沒有輸入衰減器，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)箱和電路都是浮動的。

共模范圍
任何放大器都有可能被過驅(qū)動，并引起輸出的“鉗位”。當(dāng)輸入的差模信號大到足以強(qiáng)制放大器超出其輸出動態(tài)范圍時，差分放大器也會發(fā)生同樣的效應(yīng)。差分放大器還要承受另一種過載，即超出輸入共模范圍。當(dāng)預(yù)期的信號所依附的電壓（VCM）超出了放大器的輸入共模范圍時就會發(fā)生這種情況。
由于放大器抑制了共模信號，所以動態(tài)范圍受到輸入級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。由于共模成分在測量中是看不到的（但愿如此），所以共模范圍過載對于用戶可能并不明顯。當(dāng)共模成分為直流時尤其如此。在超出VCM范圍時，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。由于波形貌似正確，很多用戶被這種錯誤的測量結(jié)果所愚弄。
有些放大器帶有過載指示器以警告用戶發(fā)生了共模過載的情況。一個好的方法就是在進(jìn)行重要的測量之前先檢驗共模是否在規(guī)定的范圍之內(nèi)。只要將一個輸入端接地并且用放大器本身測量共模成分就可以很容易地進(jìn)行檢驗。然后再對另一個輸入端重復(fù)此過程。

測量完全浮動信號
完全浮動（沒有任何接地）的信號源在用差分放大器進(jìn)行測量時會造成特殊的問題。常見的例子有電池供電的電子設(shè)備、消費(fèi)音頻部件和實(shí)驗用生理標(biāo)本。由于沒有分支阻抗接地，該地區(qū)的任何交流電場都可以通過電容耦合到被測設(shè)備中去（參見圖18）。在這種測量環(huán)境中充斥著從熒光燈和建筑物配線中輻射出來的線路頻率電場。當(dāng)這種電場耦合到被測設(shè)備中時，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尤其如此，因為對線路頻率的負(fù)載阻抗近乎無限大。
通過提供分支阻抗接地、減少電容性耦合或者減少場強(qiáng)等都可以避免出現(xiàn)過載的情況。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 kΩ的電阻就足夠了。如果加入分支阻抗對被測設(shè)備或測量過程造成了干擾，可以試著將被測設(shè)備用接地的金屬屏蔽物封裝起來以減少電容性耦合。這實(shí)際上是加了一個給交流電場提供接地通路的法拉第屏蔽。最后一個方法是設(shè)法將場強(qiáng)減至最小。作為一個好的開始，可以用白熾燈替代熒光燈以及使電路配線與被測設(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捪拗七M(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。帶寬限制濾波器位于輸入信號被轉(zhuǎn)換為單端之后。所以，使用帶寬限制不會增加高頻的輸入共模范圍。

術(shù)語
ADC － 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。數(shù)字存儲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－ 通過一對線進(jìn)行傳輸?shù)男盘?，每條線的源阻抗相同。地線不可用作信號的返回路徑。
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。通常采用減少過載恢復(fù)時間的方法實(shí)現(xiàn)。
削波－ 放大器再現(xiàn)輸入信號時由于輸出電壓范圍不夠而產(chǎn)生的失真的波形。正如其名稱所示，輸出波形好象經(jīng)過了“切削”。
共模－ 輸入信號中差分放大器的兩個輸入端公用（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。
共模范圍－ 差分放大器可以抑制的共模信號的最大電壓（相對于地）。共模范圍通常比差模范圍大。取決于放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，共模范圍可能隨增益而變化。
共模抑制－ 差分放大器對輸入信號中共模成分的消除功能。
共模抑制比(CMRR) － 對差分放大器抑制共模信號的能力的量度。CMRR 的計算公式為：
CMRR ＝ 差模增益/ 共模增益
由于共模抑制能力一般隨頻率的增加而降低，故通常給出特定頻率下的CMRR 值。
差分放大器－ 一種三端增益電路，可以處理兩個輸入端之間不相同的信號成分，同時忽略兩個輸入端上相同的信號成分。
差模－ 在差分放大器兩個輸入端之間不相同的信號。差模信號（VDM）可以表示為：
VDM = (V+Input ) - (V-Input )
差模范圍－ 差分放大器可以接受而且不會使輸出過載的差分輸入信號的最大振幅。若超出差模范圍，放大器則將信號削波或鉗位。差模范圍通常隨放大器增益的增加而減少。

差分偏移－ 高增益差分放大器中使用的一種電路，用于抵銷出現(xiàn)于差分輸入信號中的直流偏壓。差分偏移電路電氣上相當(dāng)于在一條輸入線上串接一只可調(diào)的電池。
差分探頭－ 為差分應(yīng)用專門設(shè)計的探頭。有源差分探頭在其觸點(diǎn)處包含一個差分放大器。無源差分探頭用于差分放大器，并可使兩個信號通道上的直流和交流衰減校準(zhǔn)到精確地互相匹配。
浮動信號－ 不參照地電位的信號。浮動信號不能作為單端儀器的輸入而直接測量。
浮動示波器－ 使得示波器的保護(hù)接地系統(tǒng)失效以便進(jìn)行浮動測量的用法。由于整個示波器的機(jī)箱與探頭的“接地”夾同電位，故這種危險的做法可能導(dǎo)致用戶遭受電擊。
接地環(huán)路－ 多個低阻抗通路接到同一個地電位而形成的電路。接地環(huán)路起到變壓器短路線匝的作用，可以感應(yīng)出循環(huán)的地電流。這些電流可使電路內(nèi)的地電位發(fā)生輕微的改變。
隔離器，隔離探頭－ 一種利用單端接地儀器進(jìn)行兩點(diǎn)的浮動電壓測量的裝置。其實(shí)現(xiàn)方法是將輸入信號轉(zhuǎn)換為光的形式和/或磁的形式（通過變壓器）。
最大共模轉(zhuǎn)換速率－ 在差分放大器或隔離器輸入端上的共模成分變化速率（dv/dt）的上限。上升時間超出最大共模轉(zhuǎn)換速率指標(biāo)的信號可能會使輸出信號產(chǎn)生極度的失真。此指標(biāo)有時稱為儀器的最大非破壞性極限。
準(zhǔn)差分－ 建立差分放大器的一種方法，做法是將兩個常規(guī)示波器的輸入通道相加（其中的一個通道設(shè)置為反轉(zhuǎn)方式）。為了產(chǎn)生有意義的結(jié)果，兩個通道必須設(shè)置在相同的“電壓/ 分度”檔位。與真正的差分放大器相比，準(zhǔn)差分方式的共模范圍有限，而且CMRR 值較低，尤其是在高頻段。
偏壓補(bǔ)償（比較電壓） － 某些差分放大器提供的一種配置，將精密校準(zhǔn)的電壓源接入放大器的一個輸入端。此法可提供校準(zhǔn)偏移范圍極大的單端放大器。與差分偏移不同，偏壓補(bǔ)償方式只能完成單端(以地為參考)測量。
單端測量－ 以地為參考點(diǎn)測量電壓電位的方法。常規(guī)示波器的輸入端只能進(jìn)行單端測量。