示波器顯示信號(hào)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。示波器主要測(cè)量電壓相對(duì)于時(shí)間的關(guān)系。用戶可通過示波器看到信號(hào)隨時(shí)間的變化。當(dāng)被測(cè)電路產(chǎn)生特定形狀信號(hào)時(shí)，用戶能用示波器分析被測(cè)信號(hào)的各種屬性。

數(shù)字萬用表可以精確測(cè)量直流偏置。數(shù)字萬用表用于測(cè)量信號(hào)的電壓、電流、電阻等。

積分式ADC – 數(shù)字萬用表

•使用平均
•減小噪聲和干擾信號(hào)
•用于精確DC的測(cè)試

非積分式 – 示波器

•逐點(diǎn)測(cè)量
•測(cè)量更高頻率
•用于顯示信號(hào)的波形

如何使用示波器測(cè)電流？

示波器測(cè)電流有兩種方法。第一種是直接用電流探頭。是德科技提供多種電流探頭，既可以測(cè)試直流，也可以測(cè)試交流。如果要測(cè)量的精度比較高，可以在電流探頭的孔中多放幾圈流過電流的電線。還有一種是將電流轉(zhuǎn)換為電壓。需要在被測(cè)回路中安置一個(gè)較大的高精度電阻，用差分探頭測(cè)量電阻兩端的電壓，再轉(zhuǎn)換為電流進(jìn)行測(cè)量。那麼，如何使用差分探頭呢？

什么是差分探頭?

差分探頭(Differential Probes)是示波器探頭的一種，差分探頭是利用差分放大原理設(shè)計(jì)出來的示波器探頭。

單端有源探頭差分探頭

差分信號(hào)是什么意思？

了解差分探頭，也要了解什么是差分信號(hào)。差分傳輸是一種信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的一根信號(hào)線一根地線的做法，差分傳輸在這兩根線上都傳輸信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的振幅相同，相位相反。

在這兩根線上的傳輸?shù)男盘?hào)就是差分信號(hào)。差分信號(hào)是互相參考，而不是參考接地的信號(hào)。

差分信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)

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首先，差分信號(hào)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。當(dāng)噪聲出現(xiàn)時(shí)，由于噪聲是等值且同時(shí)作用在兩個(gè)信號(hào)線上，所以噪聲對(duì)兩個(gè)信號(hào)的影響是一樣的。此時(shí)兩個(gè)信號(hào)之間的差值和沒有干擾時(shí)的差值是一樣的，所以差分信號(hào)能保持原信號(hào)的邏輯值，這就是說的它的抗干擾能力。

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其次，差分信號(hào)能有效抑制電磁干擾（EMI）。這是因?yàn)閮筛€靠得很近，信號(hào)幅值相等，所以與地線的耦合電磁場的幅值也相等，但信號(hào)極性相反，這就像兩個(gè)相同大小但方向相反的矢量，他們會(huì)相互抵消，這就是為什么差分信號(hào)能有效抑制電磁干擾。

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再者，差分信號(hào)的時(shí)序定位準(zhǔn)確。接收端以兩根線上的信號(hào)幅值之差發(fā)生正負(fù)跳變的點(diǎn)，作為判斷邏輯0/1跳變的點(diǎn)的。這就是為什么我們說差分信號(hào)的時(shí)序定位準(zhǔn)確。

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差分信號(hào)的缺點(diǎn)

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首先，它需要兩根線，這可能會(huì)使布線變得復(fù)雜。

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其次，差分走線必須是等長、等寬、緊密靠近、且在同一層面的兩根線。

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差分探頭的主要指標(biāo)

探頭帶寬

探頭帶寬是指探頭響應(yīng)導(dǎo)致輸出幅度下降到70.7%(-3 dB)的頻率。在選擇示波器和示波器探頭時(shí)，要認(rèn)識(shí)到帶寬在許多方面影響著測(cè)量精度。在幅度測(cè)量中，隨著正弦波頻率接近帶寬極限，正弦波的幅度會(huì)變得日益衰減。在帶寬極限上，正弦波的幅度會(huì)作為實(shí)際幅度的70.7% 進(jìn)行測(cè)量。因此，為實(shí)現(xiàn)最大的幅度測(cè)量精度，必需選擇帶寬比計(jì)劃測(cè)量的最高頻率波形高幾倍的示波器和探頭。這同樣適用于測(cè)量波形上升時(shí)間和下降時(shí)間。波形轉(zhuǎn)換沿(如脈沖和方形波邊沿)是由高頻成分組成的。帶寬極限使這些高頻成分發(fā)生衰減，導(dǎo)致顯示的轉(zhuǎn)換慢于實(shí)際轉(zhuǎn)換速度。為精確地測(cè)量上升時(shí)間和下降時(shí)間，使用的測(cè)量系統(tǒng)必需使用擁有充足的帶寬，可以保持構(gòu)成波形上升時(shí)間和下降時(shí)間的高頻率成份。最常見的情況下，使用測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)的上升時(shí)間一般應(yīng)該比要測(cè)量的上升時(shí)間快4-5 倍。在開關(guān)電源領(lǐng)域，一般50MHz的帶寬就基本夠用了。

CMRR (共模抑制比)

CMRR共模抑制比是什么意思?

共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio，簡寫CMRR，符號(hào)為Kcmr，單位是分貝db)是指差分探頭在差分測(cè)量中抑制兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)共模信號(hào)信號(hào)的能力。共模抑制比是差分增益(Ad)和共模增益(Ac)的功率比。它意味著在差動(dòng)探頭的輸出中會(huì)出現(xiàn)多少共模信號(hào)。這是差分探頭的關(guān)鍵指標(biāo)。

CMRR共模抑制比公式

其中：Ad = 差分信號(hào)的電壓增益。Ac = 共模信號(hào)的電壓增益。

在理想情況下，Ad 應(yīng)該很大，而Ac 則應(yīng)該等于0，因此CMRR無窮大。在實(shí)踐中，10,000:1 的CMRR已經(jīng)被看作非常好了。這意味著將抑制5V的共模輸入信號(hào)，使其在輸出上顯示為0.5毫伏。由于CMRR隨著頻率提高而下降，因此推薦CMRR的頻率與CMRR值一樣重要。CMRR對(duì)于測(cè)量全橋或者半橋電路的上管驅(qū)動(dòng)波時(shí)，顯得尤為重要，這也是高壓差分探頭測(cè)量這類信號(hào)時(shí)的難點(diǎn)。

60Hz 時(shí) 80 dB CMRR 是什么意思? 這也就是10000:1的Vout/Vin振幅比，這意味著兩個(gè)引線共同的1000V, 60hz正弦波共模噪聲將減少到100 mV (=1000V * 1/10,000)轉(zhuǎn)移到示波器。

畸變

畸變是輸入信號(hào)預(yù)計(jì)響應(yīng)或理想響應(yīng)的任何幅度偏差。在實(shí)踐中，在快速波形轉(zhuǎn)換之間通常會(huì)立即發(fā)生畸變，其表現(xiàn)為所謂的“減幅振蕩”。差分探頭的兩個(gè)差分輸入線非常長，常見的有50cm左右，如果差分探頭這個(gè)指標(biāo)設(shè)計(jì)不好，那么測(cè)量的信號(hào)容易產(chǎn)生畸變。市場上不同廠家的差分探頭測(cè)出的結(jié)果可能不同，有的相差甚遠(yuǎn)，這個(gè)指標(biāo)就是其中原因之一。

什么是高壓差分探頭?

高壓差分探頭是一種用于電力電氣工程、電子通信技術(shù)、航空航天科技的測(cè)量儀器，采用專用電源模塊使高壓探頭具有更高的穩(wěn)定性和較低的噪聲，高精度的高壓探頭內(nèi)部元件采用極低的溫度系數(shù)和電壓系數(shù)，可提供很高的測(cè)試精度，所有有源高壓差分探頭的輸出阻抗為50，可用于所有示波器和電壓表。

高壓差分探頭

高壓差分探頭有什么用？

差分探頭主要用于觀測(cè)差分信號(hào)：差分信號(hào)是相互參考、而不是以地作為參考點(diǎn)的信號(hào)。普通的單端探頭也可以測(cè)量差分信號(hào)，但得到的信號(hào)與實(shí)際信號(hào)相差很大，有可能出現(xiàn)“地彈”現(xiàn)象。

高壓差分探頭差分放大原理

高壓差分探頭差分放大原理是指將一對(duì)信號(hào)同時(shí)輸入放大電路，然后減去得到原始信號(hào)。差分放大器是通過直接耦合由兩個(gè)具有相同參數(shù)特性的晶體管組成的放大器。如果在兩個(gè)輸入端輸入相同大小、相同相位的信號(hào)，則輸出為零，從而克服了零漂移。你可以把任何兩個(gè)浮點(diǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)信號(hào)到地面，為了提供示波器、儀表或計(jì)算機(jī)使用，很多電路，特別是電機(jī)電路，包括直流補(bǔ)償或交流補(bǔ)償，甚至根本沒有接地電路，此時(shí)使用示波器會(huì)引起電擊，或損壞示波器，或引起電線火災(zāi)，此時(shí)使用差分探頭才是更好的選擇。

高壓差分探頭具有自動(dòng)保存功能，可防止用戶停電后重復(fù)工作，具有良好的共模噪聲抑制能力，輸入端輸入阻抗高，電容低，可高速準(zhǔn)確測(cè)量差分電壓信號(hào)。

具有聲光報(bào)警功能，可手動(dòng)關(guān)閉聲音報(bào)警功能，更人性化設(shè)計(jì)；USB電源接口，使用更加方便靈活；探頭配有標(biāo)準(zhǔn)BNC輸出接口，可與任何廠家的示波器配合使用，測(cè)量波形測(cè)量電路。

應(yīng)用指南

探頭放大器和探頭前端的帶寬提升技術(shù)

“Keysight 差分探頭經(jīng)過DSP校正，具有平坦的幅度和相位響應(yīng)，可提供最高的精度。 選擇校正到的帶寬通常約為3dB的未校正帶寬。 通常，將帶寬擴(kuò)展到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該3dB帶寬頻點(diǎn)將增加本底噪聲，如果進(jìn)一步加大帶寬，則可能導(dǎo)致不真實(shí)的鏡像噪聲信號(hào)。”

差分探頭怎么使用？

您是不是沒有充分利用您的差分探頭？

許多人認(rèn)為只有在探測(cè)差分信號(hào)時(shí)才使用差分探頭。您是否知道，在探測(cè)單端信號(hào)時(shí)，也可以使用差分探頭？這將為您節(jié)省大量時(shí)間和金錢，并提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。最大限度地利用差分探頭，獲得盡量很好的信號(hào)保真度。

差分探頭可以進(jìn)行與單端探頭相同的測(cè)量，并且由于差分探頭在兩個(gè)輸入端上有共模抑制，所以差分測(cè)量結(jié)果的噪聲大為減少。這使您可以看到被測(cè)設(shè)備信號(hào)的更好表示，而不會(huì)被探測(cè)所增加的隨機(jī)噪聲誤導(dǎo)。

請(qǐng)看下圖中的藍(lán)色單端測(cè)量信號(hào)和圖中的紅色差分測(cè)量信號(hào)。藍(lán)色的單端測(cè)量結(jié)果與紅色的差分測(cè)量結(jié)果相比，噪聲要多得多，因?yàn)閱味颂筋^缺少共模校正功能。

圖 單端測(cè)量

圖 差分測(cè)量

差分探頭可以執(zhí)行與單端探頭相同類型的測(cè)量，但共模抑制功能使其噪聲明顯降低。

什么是差分測(cè)量?

電源測(cè)試中大多數(shù)電壓測(cè)試是浮地測(cè)試，需要用差分探頭測(cè)試。

很多初級(jí)工程師在用多個(gè)探頭進(jìn)行電源測(cè)量時(shí)，剛開機(jī)電源產(chǎn)品就“炸機(jī)”，甚至示波器也發(fā)生損壞。

這是因?yàn)槭静ㄆ魈筋^之間是共地的，在同時(shí)測(cè)量電源原邊和副邊的時(shí)候，如果用一根探頭接原邊的地，另一根探頭接副邊的地，相當(dāng)于把電源的原邊和副邊的地短路在一起，這樣短路后的大電流就會(huì)燒壞電源產(chǎn)品和探頭，甚至是損壞示波器。所以，在測(cè)試原邊和副邊的電壓時(shí)應(yīng)該一側(cè)選用差分探頭，一側(cè)選用無源或有源單端探頭。

圖2 差分測(cè)量 = 非接地測(cè)量

如果您想測(cè)量兩點(diǎn)之間的電壓差，但兩點(diǎn)都不“接地”怎么辦？ 您將需要一個(gè)沒有“接地”連接的探頭。 這稱為差分探頭。 在這個(gè)電路中，中間的電阻兩邊都不為 0V，所以它是“浮動(dòng)”的，這意味著如果我們使用單端探頭測(cè)量它的電壓，電路就會(huì)接地—儀器會(huì)受到損壞！

你需要一個(gè)能很好測(cè)量非接地信號(hào)的探頭。

差分探頭的主要優(yōu)點(diǎn)是高的共模噪聲抑制，因?yàn)樵肼暠煌瑫r(shí)加到兩根導(dǎo)線上，然后可以被差分放大器的共模抑制濾波掉。

Keysight DP003xA 系列高壓差分有源探頭

Keysight DP003xA 系列高壓差分有源探頭

Keysight Technologies 的 DP003xA 系列高壓差分有源探頭可提供高速功率測(cè)量所需的優(yōu)秀通用差分信號(hào)測(cè)量，例如測(cè)量開關(guān)電源設(shè)備、DC-DC 轉(zhuǎn)換器或 D 類放大器的特性、汽車總線測(cè)量和高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。隨著設(shè)計(jì)變得越來越復(fù)雜，對(duì)浮動(dòng)測(cè)量的需求不斷增長，這些差分探頭可以在電路板上的任意兩點(diǎn)之間進(jìn)行浮動(dòng)測(cè)量，也可以用作單端探頭，其中一個(gè)端子接地。DP003xA 系列差分有源探頭提供帶寬型號(hào)，范圍從 25 MHz 到 200 MHz，輸入動(dòng)態(tài)范圍高達(dá) ± 7000 V。

差分探頭

如何防止差分探頭防止燒壞示波器？

電源測(cè)試中大多數(shù)電壓測(cè)試是浮地測(cè)試，需要用差分探頭測(cè)試。

很多初級(jí)工程師在用多個(gè)探頭進(jìn)行電源測(cè)量時(shí)，剛開機(jī)電源產(chǎn)品就“炸機(jī)”，甚至示波器也發(fā)生損壞。這是因?yàn)槭静ㄆ魈筋^之間是共地的，在同時(shí)測(cè)量電源原邊和副邊的時(shí)候，如果用一根探頭接原邊的地，另一根探頭接副邊的地，相當(dāng)于把電源的原邊和副邊的地短路在一起，這樣短路后的大電流就會(huì)燒壞電源產(chǎn)品和探頭，甚至是損壞示波器。所以，在測(cè)試原邊和副邊的電壓時(shí)應(yīng)該一側(cè)選用差分探頭，一側(cè)選用無源或有源單端探頭。

常見的高壓差分探頭共模耐壓與衰減比有關(guān)，影響測(cè)試結(jié)果。

市面上高壓差分探頭存在的問題是共模耐壓會(huì)隨著衰減比的變化而變化。

圖4 市面上高壓差分探頭共模耐壓和衰減比

這就給上管Vgs的測(cè)試帶來很大的問題，比如某型號(hào)差分探頭在100:1的衰減比下差模耐壓和共模耐壓都是700V，非常適合AC轉(zhuǎn)DC相關(guān)拓?fù)涞?/span>500V-600V耐壓功率器件Vds電壓測(cè)試。

但是，當(dāng)我們需要測(cè)試Vgs電壓的波形時(shí)，為了得到更高的測(cè)試精度，更小的垂直刻度，需要把衰減比調(diào)整到10:1。但在10:1衰減比下，該探頭的共模耐壓會(huì)降低到70V，因此不能用于上管Vgs的測(cè)試，如果需要測(cè)試上管Vgs電壓波形，就只能用100:1，這樣會(huì)使Vgs的測(cè)試結(jié)果誤差非常的大。

大多商用高壓差分探頭帶寬不到 300 MHz，不能滿足測(cè)試需求。

隨著電源工作頻率的不斷提高，工程師已經(jīng)開始采用高頻功率開關(guān)和整流器技術(shù)。從傳統(tǒng)平面或溝槽MOSFET開關(guān)的上升/下降時(shí)間為30ns到60ns發(fā)展到超結(jié)MOSFET、GaN MOSFET、SiC MOSFET和SiC肖特基整流管等功率開關(guān)的開關(guān)時(shí)間不到5ns。為觀察如此快速的信號(hào)變化，通常需要足夠帶寬的測(cè)量系統(tǒng)。

根據(jù)前面對(duì)測(cè)量系統(tǒng)帶寬的介紹，我們知道帶寬要足夠不僅是示波器的帶寬要足夠，探頭的帶寬也要足夠。多年來示波器發(fā)展迅速，當(dāng)前實(shí)時(shí)示波器最大帶寬已達(dá)到110 GHz帶寬，而示波器探頭一直是測(cè)量系統(tǒng)的瓶頸。

所以，一般示波器帶寬不會(huì)選錯(cuò)，基本上來說如果是AC轉(zhuǎn)DC的硅基MOSFET管，100 MHz的帶寬就夠了。如果是IGBT，需要50 MHz到100 MHz帶寬。對(duì)于低壓的MOSFET管（DC轉(zhuǎn)DC）則需要200MHz帶寬。如果是SiC材料的測(cè)試，帶寬一般要200 MHz左右，GaN材料則需要400 MHz的帶寬。

我們前面提到的帶寬的需求，比如 GaN 需要400 MHz帶寬，不是僅僅指示波器的帶寬，而是說整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的帶寬，包括示波器、探頭、以及延長線。從被測(cè)設(shè)備到示波器之間的任何一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)影響測(cè)試系統(tǒng)的帶寬。所以說，如果我們測(cè)試系統(tǒng)需要400MHz的帶寬，那么我們的探頭也至少是 400 MHz 的帶寬。遺憾的是，大多數(shù)商用的電壓差分探頭無法在這么高的頻率下工作。

GaN材料MOSFET管測(cè)試需要高帶寬高壓差分探頭測(cè)試。

圖5 第三代半導(dǎo)體主要應(yīng)用范圍

GaN 材料主要應(yīng)用于偏低壓應(yīng)用例如 800 V 以下的應(yīng)用，像高功率密度 DC/D C電源的 40V-200V增強(qiáng)性高電子遷移率異質(zhì)節(jié)晶體管（HEMT）和600V HEMT混合串聯(lián)開關(guān)。當(dāng)然現(xiàn)在也有800V以上的一些應(yīng)用也是用GaN材料的。在這些應(yīng)用中需要選用高壓差分探頭進(jìn)行測(cè)試。

SiC 材料測(cè)試中高溫測(cè)試需求增多，需要寬溫度范圍的探頭。

SiC材料主要偏向高壓的應(yīng)用。因其具有承受高溫（300℃左右溫度是沒有問題的）的特點(diǎn)主要應(yīng)用場景是在汽車和光伏逆變器等領(lǐng)域。這些器件的應(yīng)用會(huì)對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)有很大的改進(jìn)。

高壓差分探頭和普通探頭區(qū)別

應(yīng)用場景不同

普通探頭通常由金屬探針、連接電纜和示波器接口等部分組成。其內(nèi)阻是指探頭內(nèi)部對(duì)電流流動(dòng)的阻礙程度，主要由探針的電阻、電纜的電阻以及接口處的接觸電阻等組成。普通探頭內(nèi)阻一般在幾兆歐姆到幾十兆歐姆。普通探頭在低頻和接地測(cè)量中更為普遍，適用于大多數(shù)一般性測(cè)量應(yīng)用。

差分探頭通常用于高頻電路和信號(hào)處理，以及需要高精度測(cè)量的場合。例如高壓差分探頭內(nèi)阻可達(dá)數(shù)百兆歐姆以上，因?yàn)槭静ㄆ髯鳛闇y(cè)量儀器，不能給它輸入過大的電壓（一般在示波器的輸入口都會(huì)標(biāo)明該款示波器的最大輸入電壓）。我們都知道，普通探頭的比例為10:1，所以當(dāng)電壓比較大時(shí)，該電壓可能經(jīng)過10倍衰減后仍大于示波器最大輸入電壓，那么這個(gè)時(shí)候，為了保護(hù)示波器，我們就需要使用高壓差分探頭將大電壓進(jìn)行100倍或1000倍衰減，再輸入到示波器上。

測(cè)量方式不同

普通探頭是單通道測(cè)量方式，通過一個(gè)探頭前端和一條引線連接到示波器的輸入通道進(jìn)行測(cè)量，適用于單端信號(hào)的測(cè)量。

差分探頭采用雙通道測(cè)量方式，一個(gè)通道連接到待測(cè)信號(hào)的gao端，另一個(gè)通道連接到低端，通過計(jì)算這兩個(gè)點(diǎn)的電壓差來獲取差分信號(hào)的信息。這種方式能夠有效消除共模噪聲和干擾信號(hào)，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。高壓差分探頭是用于測(cè)量高電壓信號(hào)和差分電壓信號(hào)的，是目前開關(guān)電源中常用的工具之一，滿足浮地測(cè)量要求和隔離的需要。差分探頭比普通的無源探頭價(jià)格高。差分頻率很高，可以達(dá)百GHz以上的。差分一般都是隔離的，把測(cè)量的信號(hào)端與示波器實(shí)現(xiàn)有效隔離。

性能特點(diǎn)不同

普通探頭在低頻和接地測(cè)量中表現(xiàn)更為出色，但可能在復(fù)雜信號(hào)和高頻信號(hào)測(cè)量中存在局限性。

差分探頭具有較高的抗干擾能力和時(shí)序定位精度，能夠有效抑制電磁干擾（EMI），并且具有較高的共模抑制比（CMRR），適合測(cè)量微弱信號(hào)或復(fù)雜信號(hào)。差分探頭兩根差分走線之間的耦合很好，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(hào)的差值，所以外界的共模噪聲可以被很大程度抵消。

為什么差分探頭主要是針對(duì)浮地系統(tǒng)的測(cè)量呢？

差分探頭可將任意間的兩點(diǎn)浮接信號(hào)，轉(zhuǎn)換成對(duì)地的信號(hào)，以供應(yīng)示波器、電表、或計(jì)算機(jī)使用。非常多的電路，尤其是電機(jī)電路，含有直流抵補(bǔ)(DC OFFSET) 或交流抵補(bǔ)(AC OFFEST)甚至沒有對(duì)地回路，此時(shí)冒然使用示波器將造成觸電，或損壞示波器，或造成電線走火，此時(shí)唯有使用差分探頭才是很好的選擇。

電源系統(tǒng)測(cè)試中經(jīng)常要求測(cè)量三相供電中的火線與火線，或者火線與零（中）線的相對(duì)電壓差，很多用戶直接使用單端探頭測(cè)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(hào)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(hào)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)殼通過使用交流電源設(shè)備電源線中的第三根導(dǎo)線地線，將探頭地線連到一個(gè)測(cè)試點(diǎn)上。如果這時(shí)使用單端探頭測(cè)量，那么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，我們需要差分探頭進(jìn)行浮地測(cè)量。

示波器有源差分探頭和單端有源電壓探頭性能比較

過去在使用高帶寬示波器和有源探頭進(jìn)行測(cè)量時(shí)，您可以選擇單端探頭，也可以選擇有源差分探頭。
一般是用單端探頭測(cè)量單端信號(hào) ( 對(duì)地電壓 )，用有源差分探頭測(cè)量差分信號(hào) ( 正電壓－負(fù)電壓 )。雖然也可以只買差分探頭，用差分探頭測(cè)量差分信號(hào)和單端信號(hào)，但出于一些實(shí)際考慮，多數(shù)人并不這樣做。理由是，與單端探頭相比，差分探頭通常價(jià)格更高和更難以使用，而且?guī)捀　?/span>

Keysight In?niiMax 探頭系統(tǒng)既可用于差分檢測(cè)，又可用于單端檢測(cè)，從而很大程度上排除了過去拒絕使用有源差分探頭的理由。新的探頭系統(tǒng)使用可更換的探頭前端，這些前端特別適用于手動(dòng)點(diǎn)測(cè)、插孔連接和焊入連接等測(cè)量方式。

對(duì)于這種新的探測(cè)方式，您需要確定是用有源差分探頭還是單端探頭測(cè)量單端信號(hào)。為作出很好的決定，您需要考慮差分探頭與單端探頭在性能和可用性方面的優(yōu)缺點(diǎn)。

我們將在如下幾方面比較了有源差分探頭和單端探頭的性能和可用性的優(yōu)缺點(diǎn) :

– 帶寬、保真度和可用性
– 共模抑制
– 輸入負(fù)載
– 測(cè)量可重復(fù)性
– 物理尺寸

圖 7. 有源差分探頭和單端探頭的簡化模型

我們用簡化模型 ( 圖 7) 幫助比較，并用 Keysight 1134A 7 GHz 探頭放大器配合焊入式差分探頭前端和焊入式單端探頭前端測(cè)量數(shù)據(jù)。這兩種探頭前端的物理連接尺寸非常接近，因此它們的性能差別主要是因?yàn)椴罘趾蛦味穗娐吩牟季衷斐傻摹D 8 和圖 9 是這些探頭的照片。

為測(cè)量探頭性能，我們使用 Keysight E2655C 偏移校正 / 性能驗(yàn)證夾具、Keysight 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和 Keysight In?niium DCA 采樣示波器。

有源差分探頭和單端探頭的性能帶寬、保真度和可用性比較

如前所述，單端探頭的帶寬通常比有源差分探頭更高。但這一結(jié)果是源自某些基本物理定律，還僅僅是源自不同體系結(jié)構(gòu)的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方法？

為回答這一問題，讓我們考慮圖 7 所示的有源差分探頭和單端探頭連接中寄生參數(shù)的簡化模型。由于單端和差分探頭前端的幾何尺寸大致相同，因此電感和電容參數(shù)的量值也相當(dāng)。如果接地連接使用又寬又平的導(dǎo)體( 就像“刀片”)，單端探頭的接地電感(lg)會(huì)稍低一些，但也低不到哪里去。應(yīng)注意有源差分探頭在其兩個(gè)輸入上都有補(bǔ)償阻尼 (tip resistor)，而單端探頭只在信號(hào)輸入上有補(bǔ)償阻尼，地線上沒有阻尼 ( 在實(shí)際探頭中是 0 Ω 電阻器 )。這些補(bǔ)償阻尼用于消除輸入連接中電感器 (Ls) 和電容器 (Cs) 所造成的諧振。

從對(duì)單端模型的分析，可看到帶寬決定于電感值和電容值，其中對(duì)地電感 (lg) 非常重要。

在較高頻率下，對(duì)地電感會(huì)在器件接地與探頭接地之間產(chǎn)生一個(gè)電壓，從而減小探頭衰減器 / 放大器輸入端上的信號(hào)。您可通過減小對(duì)地電感來增加帶寬。這需要縮短接地線的長度，或增加連接的面積。理想的接地線應(yīng)是非常短、又比較寬的導(dǎo)體平面或圍繞信號(hào)連接的環(huán)形圓柱體 ( 形成同軸的探頭連接 )。在實(shí)際測(cè)量條件下，理想的接地線通常是不存在的，而且會(huì)大大降低單端探頭的可用性。

圖 8. Keysight 1134A 單端焊入式探頭前端 ( 上 ) 和差分焊入式探頭前端 ( 下 )

圖 9. 開蓋的單端 ( 上 ) 和差分 ( 下 ) 焊入式 探頭前端

圖 10. 有源差分探頭和單端探頭的頻率響應(yīng)

此外，給出同軸夾具中的單端探頭的技術(shù)指標(biāo)是沒有用的，因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)試中，您基本上無法采用這種方式來測(cè)量。

如果您分析由差分信號(hào) (vcm=0，vp=vm) 驅(qū)動(dòng)的差分模型，就會(huì)看到由于正負(fù)信號(hào)連接的固有對(duì)稱性，在連接間就會(huì)存在一個(gè)沒有凈信號(hào)的平面。您可將這個(gè)“有效的”地平面視為牢固地接到器件的地平面和探頭放大器的接地端。考慮到有效地平面的存在，即可分析半電路模型，此時(shí)信號(hào)地的環(huán)路面積近似為單端環(huán)路面積的一半，所以電感要低得多。從半電路模型分析可以看到，差分模型的帶寬要遠(yuǎn)高于單端模型。此外，有效地平面是理想的接地連接，而且毫不影響其可用性。

當(dāng)有源差分探頭受單端源驅(qū)動(dòng)時(shí)，您可用疊加法確定總響應(yīng)。當(dāng) vcm = vp = vm 時(shí)，在電路中施加單端信號(hào)。對(duì)于疊加的第一項(xiàng)，把 vcm“關(guān)閉”；對(duì)于疊加的第二項(xiàng)，把 vp 和 vm“關(guān)閉”。第一項(xiàng)是單端信號(hào)差分部分的響應(yīng)，因此該響應(yīng)和前面的討論一致。第二項(xiàng)是單端信號(hào)共模部分的響應(yīng)，因此其響應(yīng)決定于探頭的共模抑制。如果探頭有良好的共模抑制能力，那么對(duì)單端信號(hào)的總響應(yīng)就只是對(duì)單端信號(hào)差模成分的響應(yīng)。如果探頭的共模抑制不好，就會(huì)看到測(cè)量差分信號(hào)和測(cè)量單端信號(hào)的響應(yīng)差異。從圖 10 可以看到，這些響應(yīng)實(shí)際上并無差別。

圖 10 顯示了用有源差分探頭檢測(cè)單端信號(hào) ( 綠色 ) 和用單端探頭檢測(cè)單端信號(hào) ( 藍(lán)色 ) 的頻率響應(yīng)，兩者都使用同樣的 7 GHz 探頭放大器。探頭的帶寬定義為探頭輸出幅度相對(duì)輸入幅度下降到 -3 dB 處的頻率。顯然，有源差分探頭前端的帶寬要比單端探頭前端高得多(7.8 GHz 對(duì) 5.4 GHz)。這兩種探頭因?yàn)樵谶B接中使用了正確的阻尼電阻，所以都有很高的頻率平坦度。

圖 11 顯示了對(duì)于輸入約 100 ps 上升時(shí)間的階躍信號(hào)，有源差分探頭所測(cè)得的時(shí)域響應(yīng)。圖 12 顯示了對(duì)于輸入約 100 ps 上升時(shí)間的階躍信號(hào)，單端探頭所測(cè)得的時(shí)域響應(yīng)。在這兩個(gè)圖中，紅色軌跡是探頭的輸出，綠色軌跡是探頭的輸入。應(yīng)注意這不是探頭的階躍響應(yīng)，而只是測(cè)量它們能在多大程度上跟蹤 100 ps 的階躍信號(hào)。為測(cè)量階躍響應(yīng)，輸入必須是非常wan mei的、有極快上升時(shí)間的階躍信號(hào)，此時(shí)有源差分探頭能顯示出比單端探頭更快的上升時(shí)間。這兩種探頭都能很好地跟蹤 100 ps 的階躍信號(hào)。

圖 11. 有源差分探頭測(cè)量 100 ps 階躍信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)

圖 12. 單端探頭測(cè)量 100 ps 階躍信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)

共模抑制問題

共模抑制是有源差分探頭和單端探頭都存在的問題。對(duì)差分探頭來說。共模抑制使加至 + 和 - 探頭輸入的相同信號(hào)不產(chǎn)生輸出。對(duì)單端探頭來說，共模抑制使加至信號(hào)輸入和接地輸入的相同信號(hào)不產(chǎn)生輸出。

有源差分探頭和單端探頭模型 ( 圖 12) 顯示了從探頭衰減器 / 放大器接地到“大地”的電阻和電感。這是由探頭電纜屏蔽層和大地構(gòu)成的傳輸線 ( 或天線 ) 所造成阻抗的簡化模型。這一“外模式”阻抗是非常重要的，因?yàn)樵趩味颂筋^上施加共模信號(hào)時(shí)，地電感就與該外模式阻抗構(gòu)成分壓器，從而衰減了放大器得到的地信號(hào)。由于放大器的信號(hào)輸入沒有得到與地輸入同樣的衰減，這就在放大器的輸入端造成一個(gè)凈信號(hào)，并由此產(chǎn)生一個(gè)輸出。地電感越高，共模抑制就越低，因此您在使用單端探頭時(shí)，務(wù)必使地線盡可能短。還應(yīng)注意該外模式信號(hào)并不直接影響“內(nèi)模式”信號(hào) ( 即同軸電纜內(nèi)的正常探頭輸出信號(hào) )，但反射的外模式信號(hào)將影響探頭放大器的地，從而間接影響內(nèi)模式信號(hào)。“測(cè)量可重復(fù)性”部分對(duì)此有進(jìn)一步的說明。

當(dāng)共模信號(hào)施加至有源差分探頭時(shí)，在 + 和 - 輸入端至衰減器 /放大器上可看到同樣的信號(hào)。所產(chǎn)生的輸出將由放大器共模抑制決定，而并非由連接電感造成。

圖 13. 差分探頭和單端探頭的共模響應(yīng)

當(dāng)您檢測(cè)含有共模噪聲的單端信號(hào)時(shí)，需要確定是有源差分探頭還是單端探頭有更好的共模抑制能力。這取決于單端探頭的接地連接電感，以及有源差分探頭中放大器的共模抑制能力。對(duì)于本例中的差分和單端探頭前端，圖 13 顯示有源差分探頭的共模抑制要比單端探頭高得多，因此在高共模噪聲環(huán)境中能夠進(jìn)行更好的測(cè)量。這是兩種探頭最常見的情況，除非單端探頭有極低電感的接地連接，但這在現(xiàn)實(shí)中是難以實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)注意這里分析的單端探頭，其共模抑制能力遠(yuǎn)好于其他許多單端探頭，因?yàn)樗牡鼐€很短。

圖 13 中的共模響應(yīng)定義為 :

差分共模響應(yīng) = 20[log(voc/vic)]
這里 vic 是 + 和 - 輸入的公共電壓
Voc 是施加 vic 時(shí)探頭輸出處的電壓

單端共模響應(yīng) = 20[log(voc/vic)]
這里 vic 信號(hào)輸入和地輸入的公共電壓
voc 是施加 vic 時(shí)探頭輸出處的電壓

圖 14. 有源差分探頭和單端探頭的輸入阻抗

有源差分探頭輸入負(fù)載效應(yīng)比較

如果您用有源差分探頭前端和單端探頭前端的電感和電容值分析圖 13 中的電路模型，您將發(fā)現(xiàn)從單端源看過去的各探頭前端輸入阻抗沒有多少差別。分析的另一方面是了解外模式阻抗如何影響差分和單端探頭。在單端探頭放大器模型中，外模式阻抗要比接地連接阻抗高得多 ( 由于存在 lg)，因此它對(duì)輸入阻抗并沒有明顯影響。但由于存在外模式阻抗，進(jìn)入差分探頭的單端信號(hào)將看到較高頻率比較低頻率有略低的容抗值。

圖 14 是有源差分探頭和單端探頭的輸入阻抗 ( 幅值 ) 圖。紅色軌跡是施加差分源時(shí)所看到的差分探頭阻抗。綠色軌跡是施加單端源時(shí)看到的有源差分探頭阻抗，藍(lán)色軌跡是施加單端源時(shí)看到的單端探頭阻抗。圖 14 中標(biāo)注了這三種情況的直流電阻、電容和最小電感值。應(yīng)注意有源差分探頭和單端探頭對(duì)單端信號(hào)的輸入阻抗很類似。
有源差分探頭和單端探頭的性能測(cè)量的可重復(fù)性

測(cè)量的可重復(fù)性是與高頻探頭相關(guān)的問題。在理想情況下，探頭位置、電纜位置和手的位置都不應(yīng)造成探頭測(cè)量結(jié)果的變化。但許多情況下都并非如此。通常的原因是外模式阻抗的改變。這一阻抗實(shí)際上遠(yuǎn)比所示的探頭模型復(fù)雜，因?yàn)樘筋^、手和電纜位置都會(huì)給未經(jīng)屏蔽的傳輸線 ( 或天線 ) 造成極大的影響。

如果您通過改變外模式阻抗分析單端模型，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它可以導(dǎo)致響應(yīng)變化。此外，由于外模式阻抗也是共模響應(yīng)中的一個(gè)因素，因此該阻抗的變化也會(huì)造成共模抑制的變化。接地連接的阻抗越高，響應(yīng)的變化就越大。

通過改變外模式阻抗分析差分模型，可以發(fā)現(xiàn)這一變化只引起很小的響應(yīng)變化。在探頭放大器地上出現(xiàn)的任何信號(hào)都會(huì)受到放大器的共模抑制。因此，由探頭、手和電纜位置引起的響應(yīng)變化可得到很大的衰減。從圖 10 中可以看到，有源差分探頭的響應(yīng)要比單端探頭平滑得多。單端探頭響應(yīng)中有許多由外模式阻抗的變化所造成的“擾動(dòng)和扭曲”。當(dāng)阻抗變化時(shí)，響應(yīng)也隨之變化。探頭電纜上的鐵電磁珠能通過衰減和限制外模式信號(hào)來減小外模式阻抗的變化量，從而緩解這一問題。它能減小探頭、手和電纜位置造成的響應(yīng)變化。

有源差分探頭和單端探頭的性能物理尺寸考慮

通過前面對(duì)有源差分探頭和單端探頭的比較，可以看到不管是檢測(cè)差分信號(hào)，還是檢測(cè)單端信號(hào)，有源差分探頭在各方面的性能都優(yōu)于單端探頭。但有時(shí)仍可考慮使用單端探頭。單端探頭在許多測(cè)量情況下能夠提供可接受的結(jié)果，此外價(jià)格較低，而且由于探頭前端較為簡單，因而體積也較小。從物理上考慮，小探頭能伸入到狹窄的地方進(jìn)行探測(cè)，也能把多個(gè)探頭接到非常密集的被測(cè)點(diǎn)。因此在一個(gè)探測(cè)系統(tǒng)中，探頭很好是既能作差分檢測(cè)，又能作單端檢測(cè)。