差分示波器測量

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。
將參考點連接到電路中驅(qū)動阻抗最低的點上（必要時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、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”這樣的危險做法。低的輸入電容也不會增加?xùn)艠O驅(qū)動電路的負荷而影響逆變器的運行。
在描述功率開關(guān)器件（如MOSFET 和IGBT）的特性時常常要測量動態(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。
在測量次級電路時這種放大器也是有用的。通過激活校準的偏壓補償（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）。若將偏壓補償設(shè)定到輸出電壓，則可以在各種動態(tài)負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，常常要解決功率分配方面的問題。這種工作可能是設(shè)計者最可怕的夢魘。CAD 系統(tǒng)經(jīng)常也無助于事，因為很難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)中的故障點的最好工具。

圖12. 用校準的偏壓補償精確測量輸出穩(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行差分測量。

單端測量常常將功率分配問題隱藏起來，因為這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行探查就可給出該器件所看到的實際信號的狀況。

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)動阻抗時就認為這兩端是平衡的。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?！皞鞲衅鳌币辉~使人想到了用于測量機械現(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)計的。合適的設(shè)備應(yīng)被確認符合由所在國批準的專門的法規(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