差分探頭的基礎(chǔ)知識.doc

差分探頭的基礎(chǔ)知識探頭從總體上可分為無源探頭和有源探頭兩大類型，而寬帶寬示波器和有源探頭的用戶還需要在單端探頭和差分探頭之間做出選擇。 單端探頭測量的是信號對“地”的參考電壓，而測量兩路信號的相對電壓差（與地平面無關(guān)），一般來說這兩路信號是相位相差180度的正反電壓，則需要使用差分探頭。本質(zhì)上，單端探頭也是一種特殊的差分探頭，因?yàn)闇y量的是信號與地平面的相對電勢差，所以理論上用戶也可以只買差分探頭來覆蓋所有差分信號和單端信號的測量需求，但多方面的因素又制約了這種可能性，與單端探頭相比，差分探頭價(jià)格更貴，使用也較不方面，需要額外的電源。那單端探頭能否從理論上代替差分探頭的功能呢？ 答案是否定的，不僅僅是因?yàn)閮r(jià)格或使用方便性的因素，更重要的是技術(shù)層面，差分信號測試的應(yīng)用特點(diǎn)決定了很多情況下只有差分探頭而非單端探頭才能勝任這一工作。這包括差分信號表現(xiàn)形式、共模抑制能力、安全的浮地電源測量等等。1、差分測量特點(diǎn)計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子工業(yè)的快速發(fā)展推動(dòng)著信號傳輸率不斷提高，也推動(dòng)著越來越多的信號協(xié)議從單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向差分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，何為差分信號？通俗地說，就是芯片驅(qū)動(dòng)端發(fā)送兩個(gè)等值、反相的信號，接收端通過比較這兩個(gè)電壓的差值來判斷邏輯狀態(tài)“0”還是“1”。而承載差分信號的那一對走線就稱為差分走線。差分信號和普通的單端信號走線相比，最明顯的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：3、安全的浮地測量電源系統(tǒng)測試中經(jīng)常要求測量三相供電中的火線與火線，或者火線與零（中）線的相對電壓差，很多用戶直接使用單端探頭測量兩點(diǎn)電壓，導(dǎo)致探頭燒毀的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。這是因?yàn)椋捍蠖鄶?shù)示波器的”信號公共線”終端與保護(hù)性接地系統(tǒng)相連接，通常稱之為“接地”。這樣做的結(jié)果是：所有施加到示波器上，以及由示波器提供的信號都具有一個(gè)公共的連接點(diǎn)。該公用連接點(diǎn)通常是示波器機(jī)殼，通過使交流電源設(shè)備電源線中的第三根導(dǎo)線源線地線，并將探頭地線連到一個(gè)測試點(diǎn)上。單端探頭的地線與供電線直接相連，后果必然是短路。這種情況下，我們需要浮地測量。此外，許多差分測量還要求抑制高共模信號，以便于評估低電平差分信號，多余的接地電流還會(huì)產(chǎn)生煩人的嗡嗡聲和接地環(huán)路。用戶常常借助那些存在潛在危險(xiǎn)的測量技術(shù)來解決這些問題。通過切斷標(biāo)準(zhǔn)三頭AC插座地線的方法或使用一個(gè)交流隔離變壓器，切斷中線與地線的連接。將示波器從保護(hù)地線浮動(dòng)起來，以減小地環(huán)路的影響。這種方法其實(shí)并不可行，因?yàn)樵诮ㄖ锏牟季€中中線也許在某處已經(jīng)與地線相連，是不安全的測量方法，會(huì)帶來l人身傷害，儀器和電路損壞！此外，它違反了工業(yè)健康和安全規(guī)定，且獲得的測量結(jié)果也差。而且，交流供電儀器在地面浮動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大的寄生電容。因此，浮動(dòng)測量將受到振蕩的破壞?？偠灾?，將示波器“浮地”非常糟糕的注意，這將導(dǎo)致： 損壞被測器件； 損壞示波器給人身帶來潛在傷害導(dǎo)致很差的測量精度問題該如何解決：最佳解決辦法就是使用高共模抑制比的差分探頭，因?yàn)閮蓚€(gè)輸入端都不存在接地的問題，兩路輸入信號的差分運(yùn)算在探頭前端放大器完成，傳輸?shù)绞静ㄆ魍ǖ赖男盘柺且巡罘趾蟮碾妷海静ㄆ鳠o需去掉三線插頭的接地端即可實(shí)現(xiàn)安全的浮地測量。比如力科公司的ADP305高壓差分探頭即是安全測量三相市電的火線與火線、火線與中線間壓差的最佳探頭。所謂“浮地”測量，即測量的兩個(gè)點(diǎn)都不處于接地電位，這是一種典型的差分測量。“信號公共線”與地之間的電壓可能會(huì)升高到數(shù)百伏。a.抗干擾能力強(qiáng)，因?yàn)閮筛罘肿呔€之間的耦合很好，當(dāng)外界存在噪聲干擾時(shí)，幾乎是同時(shí)被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被最大程度抵消。b.能有效抑制EMI，同樣的道理，由于兩根信號的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。c.時(shí)序定位精確，由于差分信號的開關(guān)變化是位于兩個(gè)信號的交點(diǎn)，而不像普通單端信號依靠高低兩個(gè)閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時(shí)序上的誤差，同時(shí)也更適合于低幅度信號的電路。目前流行的 LVDS（low voltage differential signaling）就是指這種小振幅差分信號技術(shù)。差分信號的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)要求對應(yīng)的測試設(shè)備也必須是差分拓?fù)?，差分探頭因此成為現(xiàn)代示波器的主流配件。下圖1是典型的有源差分探頭電路結(jié)構(gòu)圖：針對高頻信號測試，有源差分探頭的主要好處是低輸入電容、比單端探頭抑制共模噪聲的能力要高很多，其缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在價(jià)格普遍較高以及需要額外的電源。比如力科公司的WaveLink系列高帶寬差分探頭即是這類探頭的代表。2、差分探頭具有高的共模抑制比什么是共模抑制比，簡單來說，就是差動(dòng)放大電路中對信號共模成分的抑制能力，其定義為放大器對差模信號的電壓放大倍數(shù)Adm與對共模信號的電壓放大倍數(shù)Acm之比，英文全稱是Common Mode Rejection Ratio，一般用簡寫CMRR來表示。我們可以這樣定義：兩個(gè)輸入端分別對地的電壓平均值為共模電壓Vcm，經(jīng)過差動(dòng)放大器后的增益為共模增益Acm；兩個(gè)輸入端之間的相對電壓差為差模電壓Vdm，其經(jīng)過差模放大器之后的增益為Adm。CMRR計(jì)算公式如下：差模信號電壓增益Adm越大，共模增益Acm越小，則CMRR越大。此時(shí)差分放大電路抑制共模信號的能力越強(qiáng)，放大器的性能越好。當(dāng)差動(dòng)放大電路完全對稱時(shí)，共模信號電壓放大倍數(shù)Acm=0，則共模抑制比CCMR，這是理想情況，實(shí)際上電路完全對稱是不存在的，共模抑制比也不可能趨于無窮大。哪些因素會(huì)影響探頭的共模抑制比呢？電路對稱性電路的對稱性決定了被放大后的信號殘存共模干擾的幅度，電路對稱性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信號（干擾）的能力也就越差。信號頻率或者Dv/Dt任何探頭或儀器輸入的不匹配。很顯然，CMRR值越大越好，一般在60dB(1000:1)左右，但隨著頻率增加CMRR會(huì)逐漸減少。因?yàn)樵娇斓男盘栠呇卦饺菀自僬?fù)兩端產(chǎn)生偏差，因而也會(huì)帶來更多的共模電壓，如下圖所示。CMRR為什么很重要，因?yàn)椴罘痔筋^的CMRR指標(biāo)若不好，則共模電壓會(huì)加入差分電壓內(nèi)，造成測量上的誤差，下面為一實(shí)例：該示例說明，200:1的共模抑制比顯然是不夠的，優(yōu)異的差分探頭CMRR指標(biāo)必須遠(yuǎn)高于這個(gè)值才能保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，比如力科公司的ADP305高壓差分探頭CMRR為80dB(10000:1)，而差分放大器DA1855A 的CMRR指標(biāo)更是高達(dá)100dB(100000:1)，能充分滿足高精度差分電壓測試的需要。單端探頭的CMRR指標(biāo)為什么很難做高？單端探頭模型表明了探頭放大器到“大地”地線之間有一個(gè)寄生電阻和寄生電感，這兩個(gè)元件構(gòu)成了由探頭電纜屏蔽層和大地地線組成的傳輸線所產(chǎn)出的特性阻抗。這一特性阻抗是很重要的，因?yàn)楫?dāng)你給單端探頭加一個(gè)共模信號時(shí)，地線電感值就與這一特性阻抗一起組成了一個(gè)分壓器。此分壓器對到達(dá)放大器的地線信號起衰減作用。由于放大器的信號和地線輸入信號受到的衰減各不相同，在放大器的輸入端上就出現(xiàn)了一個(gè)凈信號，從而使放大器有輸出信號。地線電感越大，共模抑制能力越低，所以當(dāng)使用單端探頭時(shí)，保持地線盡量短是很重要的。當(dāng)你給差分探頭加上一個(gè)共模信號時(shí)，放大