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差分探頭的具體概念以及工作原理是什么？

2020.05.19

差分探頭介紹

　　一.什么是差分探頭
　　差分探頭，DifferentialProbes，是探頭的一種，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，是現(xiàn)代示波器的主流配件之一。常見的差分探頭有兩類，一類針對低壓信號，這種差分信號在高速數(shù)字電路中比較常見，這一類差分探頭的測量電壓一般幅值為±8V，帶寬一般在1GHz以上。另一類高壓差分探頭是專門針對高壓測量的，測量電壓達(dá)到上千伏，在電源測量中這種差分信號較為常見。高壓差分探頭測量電壓一般在KV級別，帶寬一般在20MHz—100MHz范圍內(nèi)。
　　二.為什么我們需要差分探頭
　　差分探頭主要用于觀測差分信號。差分信號是相互參考、而不是以地作為參考點(diǎn)的信號。普通的單端探頭也可以測量差分信號，但得到的信號與實(shí)際信號相差很大，有可能出現(xiàn)“地彈”現(xiàn)象。此外，電源系統(tǒng)測試中經(jīng)常要求測量兩火或火零之間的相對壓差，很多用戶直接使用單端探頭測量導(dǎo)致探頭儀器被燒毀。這是因?yàn)檫_(dá)到或疏示波器的信號公共線與保護(hù)性地線相連接地。這樣做的結(jié)果是所有加到示波器上，以及由示波器提供的信號都具有一個公共連接點(diǎn)。該公共連接點(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測試點(diǎn)上，如果這時使用單端探頭測量，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)行浮地測量。
　　三.差分探頭的優(yōu)點(diǎn)
　　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，幾乎是同時被耦合到兩條線上，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.時序定位精確，由于差分信號的開關(guān)變化是位于兩個信號的交點(diǎn)，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時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)。
　　四.差分探頭的工作原理

　　差分探頭主要由衰減網(wǎng)絡(luò)，差分信號轉(zhuǎn)單端信號輸出，電源電路，偏置電路，驅(qū)動電路組成，其常見原理框圖如下：

　　差分探頭常見原理框圖
　　五.差分探頭的三大重要指標(biāo)
　　1.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%（-3dB）的頻率。在幅度測量中，隨著正弦波頻率接近帶寬極限，正弦波的幅度會衰減的越來越厲害。為實(shí)現(xiàn)最大的幅度測量精度，必須選擇帶寬比被測波形頻率高幾倍的示波器和探頭。這種情況同樣適用于測量波形的上升和下降時間。波形轉(zhuǎn)換沿是由高頻成分組成，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)地測量上升時間和下降時間，探頭和測試設(shè)備也必須擁有充足的帶寬以保持構(gòu)成波形上升和下降時間的高頻成分。
　　2.CMRR（共模抑制比）：共模抑制比是指差分探頭在差分測量中抑制兩個測試點(diǎn)共模信號干擾的能力。其公式為CMRR=|Ad/Ac|。其中Ad為差分信號的電壓增益，Ac為共模信號的電壓增益。在理想情況下，Ad應(yīng)該很大而Ac應(yīng)該等于0，因此CMRR無窮大。在實(shí)際情況中，10000:1的CMRR已經(jīng)是非常好的了。由于CMRR隨著頻率提高而下降，因此注意CMRR的頻率限制與CMRR值一樣重要。
　　3.畸變：畸變是輸入信號預(yù)計(jì)響應(yīng)或理想響應(yīng)的任何幅度偏差。在實(shí)踐中快速波形轉(zhuǎn)換之間通常會發(fā)生畸變，其表現(xiàn)為減幅振蕩。差分探頭的差分輸入線很長，如果差分探頭的這個指標(biāo)不好，那么測量的信號就容易產(chǎn)生畸變。除此三大指標(biāo)外，還有輸入阻抗，輸入電容，衰減系數(shù)等指標(biāo)，市面上的各廠家產(chǎn)品差別不大，這里就不一一敘述了。
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