隔离解决差分探头测量误差的常见来源

　　典型的测量系统包括示波器和示波器探头，后者用于连接被测设备 (DUT) 和示波器。探头选择至关重要，因为探头性能可能是测量系统的限制因素。理想的探头应能提供来自 DUT 的真实差分信号，而不会改变信号。

　　然而，由于共模抑制比、频率降额、频率响应和探头的长输入引线的限制，传统差分探头通常无法很好地表示实际信号。在测试具有快速开关速率和甚至标称共模电压的功率器件时，这些限制更加明显。本文将研究这些测量误差源，并研究 Tektronix IsoVu 测量系统等隔离解决方案如何克服这些限制。

　　测量误差来源：差分探头连接到地

　　人们普遍误以为差分探头是浮动的，但事实上，传统差分探头基于连接到地面的差分放大器。这种接地连接限制了共模电压范围，导致共模电压频率降低，产生接地环路，并限制了共模抑制。理想的差分探头应与地面电隔离，从而消除这些影响。泰克 IsoVu 测量系统打破了传统架构，通过光纤连接实现完全电隔离。

　　测量误差来源：共模抑制比较差

　　共模抑制比 (CMRR) 指定差分探头在差分测量中抑制两个测试点共有的任何信号的能力。在理想情况下，探头的 CMRR 将是无限的。然而，传统差分探头从根本上受到限制，因为不可能完美匹配两个输入。

　　实际上，至少 80 dB (10,000:1) 的 CMRR 将产生可用的测量结果。大多数差分探头可以在直流和低频下轻松获得 80 dB 或更高的 CMRR，因为可以精确调整组件。随着测量频率的增加，差分探头的 CMRR 会降低，因为失配变得越来越难以控制。在 100 MHz 时，大多数测量系统的 CMRR 能力为 20 dB 或更低。

　　考虑图 1 所示的简化半桥拓扑。由于元件的开启/关闭时间和共模电压的结合，在高侧晶体管处进行精确测量可能会有问题。如该图所示，栅极和源极处的共模电压为 40 V，栅极源极电压为 5 V。进行此测量时，您应该注意的规格不是元件的开关频率，而是其边缘速率，通常要快得多。

　　图 1. 半桥电路示例。

　　例如，带宽为 100 kHz 的开关的边缘速率可能为 5 ns 或更低。由于寄生效应和谐振，这些信号通常包含数百兆赫的频率分量。大多数能够满足图 1 中电路所需带宽和共模电压要求的测量系统只能为 5 ns 转换提供约 20 dB 或 10:1 的 CMRR。由于共模误差，10:1 的 CMRR 值将允许 4 V 的击穿。显然，具有 4 V 共模误差的测量系统无法准确测量 5 V 差分信号。

　　鉴于电源设计可能具有超过数百甚至数千伏的共模电压，并且需要看到小的差分信号，这种共模误差可能更加严重。在 1,000 V 共模电压下，由 20 dB 的 CMRR 引起的误差将为 100 V。

　　探头的 CMRR 规格通常在数据手册中标明。通常，数据手册会夸耀其规格远超可用值 80 dB (10,000:1)。进一步检查数据手册后，标题以外的数字就不那么令人印象深刻了。例如，长期以来一直被认为是功率测量领域最佳的 LeCroy DA1855AA 放大器的 CMRR 值为 100,000:1。此 CMRR 值适用于 DC，但即使在 70 Hz 下，指定的 CMRR 值也会下降一半至 50,000:1。在放大器的全带宽下，CMRR 仅为 20 dB 或 10:1。

　　在将产品的 CMRR 值与您的测量要求进行比较时，务必记住将关键测量的边缘速率与测量系统相应的 CMRR 值相匹配。通过检查产品用户手册中通常提供的 CMRR 与频率图，可以轻松确定此对应值。图 2 中给出了此类降额曲线的一个示例，其中比较了 LeCroy DA1855A 与 Tektronix IsoVu 测量系统。

　　图 2. 探头 CMRR 随频率下降。

　　由于具有完全的电流隔离，IsoVu 在整个工作范围内保持较高的 CMRR，在 100 MHz 时，IsoVu 的 CMRR 值为 1,000,000:1 (120 dB)。回想一下图 1 中电路的 5 ns 边缘速率，使用 10:1 CMRR 的测量系统的共模误差为 4 V。相比之下，IsoVu 的 1 百万比 1 CMRR 的共模误差为 40 µV。IsoVu 的高带宽 CMRR 使得在存在共模干扰的情况下测量小差分电压成为可能。

　　测量误差来源：频率降低

　　差分探头的数据表将包括输入电压额定值，有些产品指定数千伏的共模电压范围。但是，您应该知道，列出的规格通常仅适用于直流和低频。与 CMRR 的情况一样，电压额定值也会随频率降低，这严重限制了较高频率下的共模电压能力。

　　图 3 中显示的 Keysight N2790A 200 MHz 高压差分探头图就是这种电压降额的一个例子。尽管探头的额定电压在直流和低频下为 1 kVRMS，但探头的功能在 2 MHz 时开始下降，并且该探头在全带宽下只能承受几伏特。相比之下，泰克 IsoVu 解决方案具有完整的电流隔离，可以承受峰值>2,000 V 的共模电压在整个频率范围内，光探头的额定电压不会降低。但是，通过光纤连接实现完全电流隔离，光探头在共模电压额定值方面的唯一限制是基于安全认证标准。如图 3 所示，IsoVu 系统的额定电压降低曲线是一条平线，这意味着产品的额定电压不会随着频率而降低。

　　图 3. 电压随频率下降。

　　测量误差来源：长输入引线

　　传统的高压差分探头(如图 4 所示)具有较长的输入引线。虽然较长的输入引线便于接入测试点，但它们容易拾取来自周围电路的辐射发射和噪声。辐射发射耦合到引线上的任何不匹配都会导致测量误差。即使可以完美匹配差分放大器，在不受控制的环境中将任何东西连接到放大器输入端也会降低性能。

　　图 4. 传统差分探头

　　在典型应用中，一对探头连接到差分放大器输入端。这些探头的引线长度、方向、磁化率和负载存在差异，因此无法进行重复测量。解决引线长度问题的常用方法是扭转引线或缩短引线。虽然这可能带来微小的改进，但并不能解决固有问题。

　　理想的差分探头不受引线长度、方向、磁化率和负载差异的影响。IsoVu 的独特架构通过提供具有屏蔽输入结构的真正浮动输入，消除了对匹配输入引线的需求。

　　结论

　　准确的差分测量依赖于测量系统的性能、共模电压和共模抑制能力的组合。尽管有这些要求，但功率测试、EMI 测试、ESD 测试和远程测量能力的测试和测量进步充其量只是微不足道，并没有跟上不断变化的测试要求。使用具有电流隔离的探头代表了技术的飞跃，它结合了高带宽、高共模电压和高共模抑制，可实现具有挑战性的差分测量。

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