示波器的差分信號測量

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(shí)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(xiǎn)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，常常要解決功率分配方面的問題。這種工作可能是設(shè)計(jì)者最可怕的夢魘。CAD 系統(tǒng)經(jīng)常也無助于事，因?yàn)楹茈y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?yàn)檫@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(shí)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(shí)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。“傳感器”一詞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(jì)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