差分測量

從嚴(yán)格意義上講，所有測量都是差分測量。對把探頭連接到信號點(diǎn)、把探頭地線連接到電路接地上的標(biāo)準(zhǔn)示波器測量，實(shí)際上是測量測試點(diǎn)和接地之間的信號差異。從這個(gè)意義上講，有兩條信號線，即接地信號線和測試信號線。

但在實(shí)踐中，差分測量是指測量的兩條信號線都在接地之上。這要求使用某類差分放大器，以便能夠以代數(shù)方式把兩條信號線 ( 雙端信號源 ) 加總到參考接地的一條信號線中 ( 單端信號 )，然后再輸入到示波器中，如圖 1所示。差分放大器可以是隸屬于探測系統(tǒng)的專用放大器，或如果示波器支持波形數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以在單獨(dú)的示波器通道上采集每個(gè)信號線，然后以代數(shù)方式對兩條通道求和。不管是兩種情況，抑制共模信號都是差分測量質(zhì)量的重要因素。

圖 1. 一個(gè)差分放大器有兩條信號線，這兩條信號線以差分方式連接參考接地的一個(gè)信號。

了解差模信號和共模信號。理想的差分放大器會放大兩個(gè)輸入之間的“差分”信號 VDM，全面抑制兩個(gè)輸入任何公共的電壓 VCM。其得到一個(gè)輸出電壓，公式如下：

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

其中：

Av = 放大器的增益

Vo = 參考接地輸出信號

感興趣的電壓或差分信號稱為差分電壓或差模信號，其表示為：

VDM

其中：

VDM = 上面公式中的 V+in 項(xiàng) - V-in 項(xiàng)

注意：共模電壓 VCM 并不是上述公式的一部分，這是因?yàn)槔硐氲牟罘址糯笃鲿种扑泄材３煞?，而不管其幅度或頻率是多少。

圖 2. 用來測量反相器電橋中上方晶體管的門到源電壓的差分放大器。注意，在測量期間源電位變化了 350V。

圖 2 提供了使用差分放大器測量反相器電路中上方MOSFET 設(shè)備的門驅(qū)動(dòng)裝置的實(shí)例。在 MOSFET 開關(guān)時(shí)，源電壓從正供電軌道擺到負(fù)供電軌道。變壓器允許門信號參考信號源。差分放大器允許示波器以足夠的分辨率測量真正的 VGS 信號 ( 幾伏擺幅 )，如 2V/ 格，同時(shí)抑制接地信號源的幾百伏轉(zhuǎn)換。

在實(shí)際環(huán)境中，差分放大器并不允抑制所有共模信號。少量的共模電壓會在輸出中表現(xiàn)為錯(cuò)誤信號，而不能從希望的差分信號中把這種共模錯(cuò)誤信號分開。

差分放大器能夠最大限度地縮小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“差模增益除以參考輸入的共模增益”：

CMRR = ADM/ACM

在評估時(shí)，可以在沒有輸入信號的情況下評估 CMRR性能。然后，CMRR 會變成明顯的 VDM，可以在共模輸入導(dǎo)致的輸出上看到這個(gè) VDM。這可以用比率表示，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。為查看其重要意義，假設(shè)需要在音頻功放器的輸出阻尼電阻器中測量電壓，如圖 3 所示。在全負(fù)荷下，通過阻尼器的電壓 (VDM) 應(yīng)達(dá)到 35 mV，輸出擺幅 (VCM) 為 80Vp-p。使用的差分放大器在 1 kHz 時(shí)的 CMRR 指標(biāo)為 10,000:1。在使用 1 kHz 正弦波把放大器驅(qū)動(dòng)到全功率時(shí)，千分之十的共模信號將在差分放大器的輸出上錯(cuò)誤地顯示為 VDM，其將是 80 V/10,000 或 8 mV。8 mV 的殘余共模信號在實(shí)際 35 mV 信號中代表著高達(dá) 22% 的誤差。

圖 3. CMRR 為 10,000:1 的差分放大器的共模誤差。

必需指出，CMRR 指標(biāo)并不是一個(gè)絕對值。它沒有指明誤差的極性或相位度數(shù)。因此，不能簡單地從顯示的波形中減去誤差。此外，CMRR 一般在 DC 最高 ( 最好 )，隨著 VCM 頻率提高，CMRR 會下降。某些差分放大器會作為頻率的函數(shù)繪制 CMRR 指標(biāo)；其它差分放大器則只在一些關(guān)鍵頻率上提供 CMRR 規(guī)范。不管是哪種情況，在比較差分放大器或探頭時(shí)，都要保證CMRR 比較處在相同的頻率上。

還要注意，CMRR 指標(biāo)假設(shè)共模成分是正弦曲線，而實(shí)際情況通常并不是這樣。例如，圖 2 中的反相器的共模信號是一個(gè) 30 kHz 方波。由于方波包含著頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 30 kHz 的能量，因此 CMRR 可能會要差于30 kHz 點(diǎn)上指定的值。

在共模成分不是正弦曲線時(shí)，經(jīng)驗(yàn)測試是確定 CMRR誤差成分最快捷的方式( 參見圖 4)。暫時(shí)把輸入引線連接到信號源上。示波器現(xiàn)在只顯示共模誤差?，F(xiàn)在可以確定誤差信號幅度是否明顯。記住，并沒有指定 VCM 和 VDM 之間的相位差。因此，從差分測量結(jié)果中減去顯示的共模誤差并不能準(zhǔn)確地抵消誤差項(xiàng)。

圖4. 充分進(jìn)行共模抑制的經(jīng)驗(yàn)性測試。兩個(gè)輸入都從同一點(diǎn)驅(qū)動(dòng)。殘余共模信號顯示在輸出上。這一測試不能抓住差分信號源阻抗的影響。

圖4 所示的測試可以很好地確定實(shí)際測量環(huán)境中的共模抑制誤差程度。但是，有一種效應(yīng)這種測試解決不了。在兩個(gè)輸入都連接到同一點(diǎn)時(shí)，放大器看到的驅(qū)動(dòng)阻抗沒有差異。這種情況產(chǎn)生了最好的 CMRR性能，但在差分放大器的兩個(gè)輸入從明顯不同的信號源阻抗驅(qū)動(dòng)時(shí)，CMRR 將會劣化。

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審核編輯 黃宇