示波器的差分信号测量

不可能打破接地环路，因为“浮动”电路实际上通过杂散电容耦合到大地（参见图4）。

图4. 使用接地的示波器探测“浮动的”电池供电手机。手机电路和钢制工作台构架之间的电容对高频率构成了虚拟接地环路。即使测量系统没有引入接地环路，被测设备内部仍可能存在“地线不成其为地线”的综合症（参见图5）。大的静态电流和高频电流作用在设备接地通路中的电阻性元件和电感性元件上便产生了电压梯度。在这种情况下，电路中某一点的“地”电位将不同于另一点的“地”电位。

图5. 接地布线系统中的微小寄生电感和电阻导致VG ≠ V’G。

例如，系统中高增益放大器的输入端的地与电源的“地”电位相差几毫伏。为了精确地测量放大器所看到的输入信号，探头必须参考放大器输入端的地。这些效应多年来一直是灵敏模拟系统的设计人员所面临的挑战。在快速数字系统中也有同样的效应。接地布线系统中的微小电感可能会在其两端产生电位，导致“地面反跳”。检修受到接地电压梯度影响的系统是非常困难的，因为设计人员不能真正查看各个器件所“看到”的信号。把示波器探头地线连接到器件的“接地”点上，会导致不确定性，这些不确定性使新通路的影响添加到接地梯度中。在连接探头地线时，如果电路中的问题变好(或变差)，则表明确实发生了变化。我们真正需要的是一种能够用示波器测量可疑器件输入端上的实际信号的方法。
通过使用适当的差分放大器、探头或隔离器，可以执行精确的两点示波器测量，而不会引入接地环路或使测量失败、扰乱被测器件或使用户面临电击危险。
市场上为示波器提供了多种差分放大器和隔离系统，每一种都针对特定的一类测量进行了优化。为了选择合适的解决方案，必需理解各种术语。

差分测量基础
差分测量概述
理想的差分放大器放大两个输入端之间的“差”信号，而且会彻底抑制两个输入端共用的任何电压（参见图6）。其转换公式是：
VO = AV( V+in - V-in)
其中VO 参考大地电位。
受关注的电压，或差信号，称之为差分电压或差模信号，表示为VDM(VDM 就是上述转换公式中的V+in - V-in)。
两个输入端共用的电压称为共模电压，用VCM表示。差分放大器忽略VCM的特性称为共模抑制或CMR。理想的差分放大器会抑制所有的共模成分，不管其幅度和频率是多少。

图6. 差分放大器

在图7中，差分放大器用于测量逆变器电路中上部的MOSFET（场效应管）栅极驱动信号。随着MOSFET 的通和断，源极电压从正的电源汇流条摆到负的电源汇流条。变压器可以使栅极信号以源极为参考点。差分放大器允许示波器以足够的分辨率（如2 V/ 分度）测量实际VG S 信号(摆幅为几伏)，同时抑制几百伏的源极到地的跃迁。

共模抑制比(CMRR)
差分放大器的实际实现方案并不能抑制所有的共模信号。少量共模信号将作为误差信号出现在输出中，无法从预期的差分信号中辨别出来。衡量差分放大器消除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“差模增益除以相对于输入的共模增益”：
CMRR =ADM / ACM

图7. 用来测量逆变器桥电路中上部晶体管的栅极- 源极电压的差分放大器。注意在测量过程中，源极电位变化了350V。

图8. CMRR为10,000:1的差分放大器的共模误差。

图9. 对共模抑制进行试验测试。由同一点驱动两个输入端。残留的共模出现在输出端。此项测试没有发现不同的源极阻抗的影响。

这是在实际测量环境中确定共模抑制误差范围的一种便利的测试方法。但有一种效应是这个测试没有捕获到的。两个输入端接到同一点上，在放大器看来驱动阻抗没有差别。这种情况会产生最佳的CMRR。当差分放大器的两个输入端是由差别明显的源极阻抗驱动时，CMRR 值会降低。这种效应的详情将在以后讨论（参见第13 页输入阻抗对CMRR 的影响）。

其他指标参数
差模范围相当于放大器或单端示波器输入端的输入范围指标。超出此范围的输入电压将使放大器受到过渡驱动，导致输出被削波或非线性失真。

共模范围是放大器能够抑制共模信号的电压窗口。共模范围通常大于或等于差模范围。共模范围有可能随着放大器增益的不同设置而改变，这取决于放大器的拓扑。超出放大器的共模范围可以在输出端导致各种结果。在有些情况下，输出波形未被削波，可以生成与真实的输入信号非常近似的输出波形，但有一些附加的偏移。这时显示的波形与期望的波形非常接近，足以让用户毫不迟疑地接受。在进行差分测量前先检验共模信号是否处于可接受的共模范围之内，总不失为一个 好方法。
最大共模转换速率适用于某些差分放大器和大多数隔离器。这项指标常令人困惑但却非常重要。一部分困惑缘自仪器制造商之间缺少标准的定义。而且不同的放大器和隔离器在超出最大共模转换速率时的表现也不尽相同。最大共模转换速率实质上是对CMRR 指标的补充。本指标的单位一般为kV/μs。
有些类型的差分放大器也像其他放大器一样，在超出小信号的带宽指标之前就超出了大信号转换速率的限制。当差分放大器一端或两端被驱动到转换速率的极限时，共模抑制就会急剧降低。与CMRR 不同的是，最大转换速率并不意味着输出端共模馈通量的增加。一旦超过了最大共模转换速率，一切均无从谈起－ 输出就像被钳位在一个电源汇流条上。
但是对于隔离器来说，这种影响表现得为更加渐进－ 就像差分放大器中的CMR一样。随着共模转换速率的增加（与频率相对），有更多的共模成分“馈通”到输出端。这个指标从直觉上表示的是在输出端出现已知的馈通量时的最大共模转换速率。需要注意的是，某些隔离器的共模转换速率实际上就是最大非破坏性极限。这一点非常重要。当转换速率比最大指标低得多时，进行有意义的测量的能力将会受损。在使用隔离器时，最好能在重要的测量之前先测试共模馈通。这很容易做到，只需在探头触点和参考线上都用同一共模信号驱动并观察输出信号。