探頭的種類(lèi)很多，其中高壓差分探頭在開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中十分廣泛，然而很多工程師對(duì)差分探頭的理解不是很深刻，市場(chǎng)上差分探頭生產(chǎn)廠家也不少，性能指標(biāo)各不相同，甚至相差甚遠(yuǎn)，造成測(cè)出的波形也不盡相同，工程師無(wú)法看到正確波形。本文將主要講述什么是差分信號(hào)，差分信號(hào)的測(cè)量，高壓差分探頭的主要指標(biāo)，優(yōu)缺點(diǎn)和相關(guān)使用技巧，以及高壓差分探頭在開(kāi)關(guān)電源的典型應(yīng)用。

一、什么是差分信號(hào)

在講解差分探頭之前，先來(lái)了解差分信號(hào)。差分信號(hào)是互相參考，而不是參考接地的信號(hào)。例如，圖1開(kāi)關(guān)電源中半橋上下開(kāi)關(guān)管(Q1，Q2管)中電壓信號(hào)；圖2多相電源系統(tǒng)中電壓信號(hào)，以上信號(hào)在本質(zhì)上是“漂浮”在地之上。

圖1開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)管上的差分信號(hào)圖2 多相電源系統(tǒng)中的差分信號(hào)

二、差分信號(hào)的測(cè)量方法

目前差分信號(hào)的常見(jiàn)測(cè)量方法如下：

1）使用兩個(gè)探頭測(cè)量，再利用示波器數(shù)學(xué)運(yùn)算功能計(jì)算，如圖3

使用兩個(gè)探頭測(cè)量，再利用示波器數(shù)學(xué)運(yùn)算功能計(jì)算使用兩個(gè)探頭進(jìn)行兩項(xiàng)單端測(cè)量，這是一種常用方法，也是進(jìn)行差分測(cè)量不希望的方法。測(cè)量到地的信號(hào)（單端）及使用示波器的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)（通道A信號(hào)減去通道B），就可測(cè)量差分信號(hào)。在信號(hào)時(shí)低頻信號(hào)，信號(hào)幅度足夠大，能夠超過(guò)任何擔(dān)心的噪聲情況下，可以采取這種方法。

兩個(gè)單端測(cè)量組合在一起有多個(gè)潛在問(wèn)題。其中一個(gè)問(wèn)題是沿著每個(gè)探頭直到每條示波器通道有兩條單獨(dú)的長(zhǎng)信號(hào)通路。這兩條通路之間的任何延時(shí)差都會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)信號(hào)發(fā)生時(shí)間偏移。在高速信號(hào)上，這個(gè)偏移會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的差分信號(hào)中發(fā)生明顯的幅度和定時(shí)誤差。

另一個(gè)問(wèn)題是它們不能提供足夠的共模噪聲抑制。實(shí)際電路中，共模噪聲源很多，比如說(shuō)，附近時(shí)鐘線在兩條信號(hào)線上導(dǎo)致的噪聲，熒光等外部來(lái)源發(fā)出的噪聲。隨著頻率的提高，單端測(cè)量的CMMR（共模抑制比）的性能會(huì)迅速下降。如果保留共模干擾的話，這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的噪聲比實(shí)際的噪聲還要大的多。

2)示波器浮地測(cè)量

目前常見(jiàn)的錯(cuò)誤浮地測(cè)量方法就是示波器浮地測(cè)量方法，是通過(guò)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(lái)，如圖4，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(cè)量方法；

此外它違反了工業(yè)健康和安全規(guī)定，且獲得的測(cè)量結(jié)果也差。而且示波器在地浮動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大的寄生電容，浮動(dòng)測(cè)量將受到振蕩的破壞，測(cè)量的波形失真嚴(yán)重，后續(xù)會(huì)有實(shí)例演示。總而言之，示波器浮地測(cè)量容易損壞被測(cè)器件；損壞示波器；給人身帶來(lái)潛在危害；測(cè)量誤差大。

         圖4示波器浮地測(cè)量示意圖

3）差分測(cè)量

浮地測(cè)量的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(wèn)題，兩路輸入信號(hào)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?hào)是已差分后的電壓，示波器無(wú)需去掉三線插頭的接地端即可實(shí)現(xiàn)安全的浮地測(cè)量，如圖5。

圖5差分探頭測(cè)量示意圖

三、差分探頭

3.1差分探頭原理框圖

差分探頭主要是由衰減網(wǎng)絡(luò)，差分信號(hào)轉(zhuǎn)單端信號(hào)輸出，電源電路，偏置電路，驅(qū)動(dòng)電路組成。

3.2差分探頭分類(lèi)

常見(jiàn)的差分探頭有兩類(lèi)：有一類(lèi)是針對(duì)低壓信號(hào)的，在高速的數(shù)字電路中這種差分信號(hào)比較常見(jiàn)，這一類(lèi)差分探頭的測(cè)量電壓常見(jiàn)的幅值是±8V，帶寬一般在1GHz以上；另一類(lèi)是專(zhuān)門(mén)針對(duì)高壓測(cè)量的，測(cè)量電壓高達(dá)上KV，在開(kāi)關(guān)電源測(cè)量中這種差分信號(hào)比較常見(jiàn)，這類(lèi)差分探頭叫高壓差分探頭，測(cè)量電壓一般在KV級(jí)別，帶寬在20MHz—100MHz范圍內(nèi)比較常見(jiàn)。

3.3高壓差分探頭應(yīng)用

高壓差分探頭主要是針對(duì)浮地系統(tǒng)的測(cè)量。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(hù)直接使用單端探頭測(cè)量?jī)牲c(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(chēng)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(guò)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。

3.4差分探頭3大重要指標(biāo)：

帶寬 (通用)：所有探頭都有帶寬。探頭的帶寬是指探頭響應(yīng)導(dǎo)致輸出幅度下降到70.7% (-3 dB)的頻率，如圖6所示。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)大的幅度測(cè)量精度，必需選擇帶寬比計(jì)劃測(cè)量的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。為精準(zhǔn)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。常見(jiàn)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(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域，一般50MHz的帶寬就基本夠用了。

圖7 帶寬是正弦波的幅度下降70.7% (-3 dB) 的響應(yīng)曲線中的頻率

CMRR (共模抑制比)：共模抑制比(CMRR)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。這是差分探頭的關(guān)鍵指標(biāo)，其公式為：CMRR = |Ad/Ac|。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(wú)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5 V 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，因此指定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(lèi)信號(hào)時(shí)的難點(diǎn)。如圖1中，上管GS驅(qū)動(dòng)電壓很小，但是共模電壓很高，測(cè)量該點(diǎn)波形時(shí)，對(duì)差分探頭的CMRR要求比較高，后續(xù)將會(huì)有實(shí)例演示分析。

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(zhǎng)，常見(jiàn)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(chǎng)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。下面將會(huì)有實(shí)例對(duì)此指標(biāo)進(jìn)行分析！

當(dāng)然差分探頭還有輸入阻抗，輸入電容，精度，衰減系數(shù)等指標(biāo)，市場(chǎng)上各個(gè)廠家差別不大，一般也不會(huì)出問(wèn)題，所以這里就不一一介紹了。

四、高壓差分探頭測(cè)試實(shí)例分析

4.1差分探頭測(cè)試半橋電路中MOS管的DS極間電壓

以下是利用DP6130測(cè)試半橋電路上下管DS波形實(shí)例：

圖8 差分探頭測(cè)試上下管DS極間電壓系統(tǒng)

圖9 測(cè)試點(diǎn)特寫(xiě)

圖10 上下管DS波形

以上實(shí)例說(shuō)明，差分探頭滿足浮地測(cè)量的需要和普通示波器通道間隔離的需求。這里需要說(shuō)明：上下管的DS電壓一般幾百V以上，一般差分探頭測(cè)量問(wèn)題都不大，但是如果測(cè)到的波形尖峰很大，用戶(hù)需要考慮是否是差分探頭本身造成的，如果差分探頭的畸變指標(biāo)設(shè)計(jì)的不好，可能會(huì)導(dǎo)致尖峰過(guò)高現(xiàn)象的發(fā)生，后續(xù)會(huì)有相關(guān)實(shí)例演示說(shuō)明；

在本人的實(shí)際測(cè)試中，遇到過(guò)示波器通道間延時(shí)不一樣，這也是客戶(hù)需要考慮的問(wèn)題，特別是上下管波形對(duì)比時(shí)，如果示波器的不同通道的延時(shí)相差很大，客戶(hù)必須考慮進(jìn)去，一般相同型號(hào)的差分探頭延時(shí)相差不大，都是幾個(gè)ns的差別。

4.2 差分探頭測(cè)試半橋電路中MOS管的GS極間驅(qū)動(dòng)電壓

以下是利用DP6130測(cè)試上下管GS波形實(shí)例：

圖11 差分探頭測(cè)試半橋電路上下管GS極間電壓系統(tǒng)

圖 12 測(cè)試點(diǎn)特寫(xiě)

圖 13 半橋電路上下管 GS 波形

通過(guò)以上實(shí)例分析，高壓差分探頭也可以測(cè)量驅(qū)動(dòng)波形。差分探頭在測(cè)量驅(qū)動(dòng)管波形時(shí)，特別是上管驅(qū)動(dòng)波形，由于差分電壓（驅(qū)動(dòng)電壓）很小，只有十幾V，但是共模電壓很大，通常達(dá)到幾百V，這時(shí)CMRR（共模指標(biāo)）就顯得尤為重要，如果CMRR指標(biāo)不夠高，測(cè)量這類(lèi)信號(hào)時(shí)，波形將會(huì)嚴(yán)重失真。下午將重點(diǎn)討論差分探頭的CMRR問(wèn)題。

4.3差分探頭CMRR的實(shí)例分析

還是以上面的測(cè)試平臺(tái)為例，將差分探頭的紅黑夾子短接，同時(shí)勾住上管的G極，理論上差分探頭的輸出應(yīng)該為零，而實(shí)際上不可能，原因就在于，被測(cè)點(diǎn)對(duì)地有很高的共模電壓，接近480V，而差分探頭的共模抑制能力有限，那么就會(huì)有輸出，輸出越大，證明差分探頭的CMRR能力越差。

圖 14 測(cè)試共模能力的演示系統(tǒng)（紅黑探夾同時(shí)勾住上管 G 或者S 極）

圖 15 共模能力測(cè)試點(diǎn)特寫(xiě)

    上管共模輸出波形通過(guò)以上圖片可以看出，由于差分探頭的共模能力有限，共模信號(hào)的輸出峰峰值有 2.64V，會(huì)影響實(shí)際的驅(qū)動(dòng)波形測(cè)量，圖上的尖峰影響高頻部分，其它部分影響低頻部分?，F(xiàn)在我們來(lái)仔細(xì)分析驅(qū)動(dòng)波形，請(qǐng)看下圖上管驅(qū)動(dòng)波形圖片分析：

圖 17：上管驅(qū)動(dòng)波形分析（在共模電壓情況下）

以上圖片可以看出，DP6130 測(cè)量驅(qū)動(dòng)波形，波形失真還是比較小的，原因在于 CMRR 指標(biāo)是比較高。DP6130 差分探頭驅(qū)動(dòng)波形時(shí)，示波器是每格 5V，而根據(jù)共模信號(hào)波形可知，共模信號(hào)輸出的峰峰值只有 2.64V，所以實(shí)測(cè)到的驅(qū)動(dòng)波形幾乎看不到波形的失真，基本達(dá)到應(yīng)用要求。市場(chǎng)上各個(gè)廠家的 CMRR 能力不盡相同，大家可以用該種方法判斷你探頭的共模抑制比能力，同時(shí)讓你能夠準(zhǔn)確判斷你測(cè)試出的驅(qū)動(dòng)波形是否接近實(shí)際值。

五、差分探頭使用技巧

5.1 差分探頭輸入線雙絞

不知你是否發(fā)現(xiàn)，以上圖片測(cè)量時(shí)，可以看到差分輸入線是雙絞起來(lái)，這是有原因的。大家都知道，差分輸入線很長(zhǎng)，就像兩根天線一樣，會(huì)吸收各種干擾，實(shí)驗(yàn)證明，雙絞線可以提供探頭的CMRR指標(biāo)，提高抗干擾能力，特別是測(cè)量小信號(hào)時(shí)非常重要，當(dāng)然雙絞線的使用會(huì)降低探頭的帶寬指標(biāo)，不過(guò)影響不大。

以下圖18將證明雙絞線的作用：

圖 18 差分輸入線未雙絞時(shí)，CMRR 指標(biāo)下降，且容易受到干擾以上圖片是差分輸入線未雙絞時(shí)的輸出，可以看到共模信號(hào)輸出明顯偏大，為 3.02V，比雙絞時(shí)輸出 2.64V 大了不小。所以建議在測(cè)量小信號(hào)時(shí)，差分輸入線雙絞，提高 CMRR 能力。

5.2差分探頭測(cè)量時(shí)避免手等接觸差分輸入線

下圖19是用手接觸差分輸入線的影響

圖19手抓差分輸入線時(shí)，會(huì)影響探頭的共模能力

由以上實(shí)驗(yàn)證明，在差分探頭測(cè)量時(shí)，特別是在測(cè)量小信號(hào)時(shí)，盡量避免外界的干擾。

差分探頭總結(jié)如下：差分探頭是目前開(kāi)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；測(cè)量大信號(hào)時(shí)，只要探頭的畸變能力做的好，一般不會(huì)存在問(wèn)題；測(cè)量小信號(hào)時(shí)，選用CMRR能力做得好的廠家，同時(shí)注意測(cè)量方法，比如雙絞線方法，能夠提供測(cè)量的準(zhǔn)確性， DP6000系列探頭基本滿足各種場(chǎng)合下的測(cè)量需求。

示波器浮地測(cè)量總結(jié)如下：示波器浮地測(cè)量的優(yōu)越性在于測(cè)量小信號(hào)，當(dāng)然測(cè)量方法也非常重要，特別是對(duì)地線的長(zhǎng)度要求，地線越短越好，否則測(cè)量的結(jié)果失真也很?chē)?yán)重；浮地測(cè)量的大缺點(diǎn)是示波器帶電，存在嚴(yán)重的安全隱患，而且無(wú)法滿足雙通道同時(shí)測(cè)量的實(shí)際需求。