示波器探頭基礎(chǔ)系列之三《關(guān)于差分探頭》

作為一名專業(yè)的硬件設(shè)計(jì)及測試工程師，我們每天都在使用各種不同的數(shù)字示波器進(jìn)行相關(guān)電氣信號量的量測。 與這些示波器相配的探頭種類也非常多，包括無源探頭（包括高壓探頭，傳輸線探頭）、有源探頭（包括有源單端探頭、有源差分探頭等），電流探頭、光探頭等。每種探頭各有其優(yōu)缺點(diǎn)，因而各有其適用的場合。其中，有源探頭因具有帶寬高，輸入電容小，地環(huán)路小等優(yōu)點(diǎn)從而被廣泛使用在高速數(shù)字量測領(lǐng)域，但有源探頭的價(jià)位高，動態(tài)范圍小，靜電敏感，校準(zhǔn)麻煩，因此，每個(gè)工程師使用示波器的入門級探頭通常是無源探頭。最常見的500Mhz的無源電壓探頭適用于一般的電路測量和快速診斷，可以滿足大多數(shù)的低速數(shù)字信號、TV、電源和其它的一些典型的示波器應(yīng)用。

1、差分測量特點(diǎn)

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還要做出選擇。承載差分信號的那一對走線就稱為差分走線。本文主要講的是分差探頭。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：

　　1.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。

　　2.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。

　　3.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CommonModeRejectionRatio，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。