隔離解決差分探頭測量誤差的常見來源

　　典型的測量系統(tǒng)包括示波器和示波器探頭，后者用于連接被測設(shè)備 (DUT) 和示波器。探頭選擇至關(guān)重要，因為探頭性能可能是測量系統(tǒng)的限制因素。理想的探頭應(yīng)能提供來自 DUT 的真實差分信號，而不會改變信號。

　　然而，由于共模抑制比、頻率降額、頻率響應(yīng)和探頭的長輸入引線的限制，傳統(tǒng)差分探頭通常無法很好地表示實際信號。在測試具有快速開關(guān)速率和甚至標稱共模電壓的功率器件時，這些限制更加明顯。本文將研究這些測量誤差源，并研究 Tektronix IsoVu 測量系統(tǒng)等隔離解決方案如何克服這些限制。

　　測量誤差來源：差分探頭連接到地

　　人們普遍誤以為差分探頭是浮動的，但事實上，傳統(tǒng)差分探頭基于連接到地面的差分放大器。這種接地連接限制了共模電壓范圍，導(dǎo)致共模電壓頻率降低，產(chǎn)生接地環(huán)路，并限制了共模抑制。理想的差分探頭應(yīng)與地面電隔離，從而消除這些影響。泰克 IsoVu 測量系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)架構(gòu)，通過光纖連接實現(xiàn)完全電隔離。

　　測量誤差來源：共模抑制比較差

　　共模抑制比 (CMRR) 指定差分探頭在差分測量中抑制兩個測試點共有的任何信號的能力。在理想情況下，探頭的 CMRR 將是無限的。然而，傳統(tǒng)差分探頭從根本上受到限制，因為不可能完美匹配兩個輸入。

　　實際上，至少 80 dB (10,000:1) 的 CMRR 將產(chǎn)生可用的測量結(jié)果。大多數(shù)差分探頭可以在直流和低頻下輕松獲得 80 dB 或更高的 CMRR，因為可以精確調(diào)整組件。隨著測量頻率的增加，差分探頭的 CMRR 會降低，因為失配變得越來越難以控制。在 100 MHz 時，大多數(shù)測量系統(tǒng)的 CMRR 能力為 20 dB 或更低。

　　考慮圖 1 所示的簡化半橋拓撲。由于元件的開啟/關(guān)閉時間和共模電壓的結(jié)合，在高側(cè)晶體管處進行精確測量可能會有問題。如該圖所示，柵極和源極處的共模電壓為 40 V，柵極源極電壓為 5 V。進行此測量時，您應(yīng)該注意的規(guī)格不是元件的開關(guān)頻率，而是其邊緣速率，通常要快得多。

　　圖 1. 半橋電路示例。

　　例如，帶寬為 100 kHz 的開關(guān)的邊緣速率可能為 5 ns 或更低。由于寄生效應(yīng)和諧振，這些信號通常包含數(shù)百兆赫的頻率分量。大多數(shù)能夠滿足圖 1 中電路所需帶寬和共模電壓要求的測量系統(tǒng)只能為 5 ns 轉(zhuǎn)換提供約 20 dB 或 10:1 的 CMRR。由于共模誤差，10:1 的 CMRR 值將允許 4 V 的擊穿。顯然，具有 4 V 共模誤差的測量系統(tǒng)無法準確測量 5 V 差分信號。

　　鑒于電源設(shè)計可能具有超過數(shù)百甚至數(shù)千伏的共模電壓，并且需要看到小的差分信號，這種共模誤差可能更加嚴重。在 1,000 V 共模電壓下，由 20 dB 的 CMRR 引起的誤差將為 100 V。

　　探頭的 CMRR 規(guī)格通常在數(shù)據(jù)手冊中標明。通常，數(shù)據(jù)手冊會夸耀其規(guī)格遠超可用值 80 dB (10,000:1)。進一步檢查數(shù)據(jù)手冊后，標題以外的數(shù)字就不那么令人印象深刻了。例如，長期以來一直被認為是功率測量領(lǐng)域最佳的 LeCroy DA1855AA 放大器的 CMRR 值為 100,000:1。此 CMRR 值適用于 DC，但即使在 70 Hz 下，指定的 CMRR 值也會下降一半至 50,000:1。在放大器的全帶寬下，CMRR 僅為 20 dB 或 10:1。

　　在將產(chǎn)品的 CMRR 值與您的測量要求進行比較時，務(wù)必記住將關(guān)鍵測量的邊緣速率與測量系統(tǒng)相應(yīng)的 CMRR 值相匹配。通過檢查產(chǎn)品用戶手冊中通常提供的 CMRR 與頻率圖，可以輕松確定此對應(yīng)值。圖 2 中給出了此類降額曲線的一個示例，其中比較了 LeCroy DA1855A 與 Tektronix IsoVu 測量系統(tǒng)。

　　圖 2. 探頭 CMRR 隨頻率下降。

　　由于具有完全的電流隔離，IsoVu 在整個工作范圍內(nèi)保持較高的 CMRR，在 100 MHz 時，IsoVu 的 CMRR 值為 1,000,000:1 (120 dB)。回想一下圖 1 中電路的 5 ns 邊緣速率，使用 10:1 CMRR 的測量系統(tǒng)的共模誤差為 4 V。相比之下，IsoVu 的 1 百萬比 1 CMRR 的共模誤差為 40 μV。IsoVu 的高帶寬 CMRR 使得在存在共模干擾的情況下測量小差分電壓成為可能。

　　測量誤差來源：頻率降低

　　差分探頭的數(shù)據(jù)表將包括輸入電壓額定值，有些產(chǎn)品指定數(shù)千伏的共模電壓范圍。但是，您應(yīng)該知道，列出的規(guī)格通常僅適用于直流和低頻。與 CMRR 的情況一樣，電壓額定值也會隨頻率降低，這嚴重限制了較高頻率下的共模電壓能力。

　　圖 3 中顯示的 Keysight N2790A 200 MHz 高壓差分探頭圖就是這種電壓降額的一個例子。盡管探頭的額定電壓在直流和低頻下為 1 kVRMS，但探頭的功能在 2 MHz 時開始下降，并且該探頭在全帶寬下只能承受幾伏特。相比之下，泰克 IsoVu 解決方案具有完整的電流隔離，可以承受峰值>2,000 V 的共模電壓在整個頻率范圍內(nèi)，光探頭的額定電壓不會降低。但是，通過光纖連接實現(xiàn)完全電流隔離，光探頭在共模電壓額定值方面的唯一限制是基于安全認證標準。如圖 3 所示，IsoVu 系統(tǒng)的額定電壓降低曲線是一條平線，這意味著產(chǎn)品的額定電壓不會隨著頻率而降低。

　　圖 3. 電壓隨頻率下降。

　　測量誤差來源：長輸入引線

　　傳統(tǒng)的高壓差分探頭(如圖 4 所示)具有較長的輸入引線。雖然較長的輸入引線便于接入測試點，但它們?nèi)菀资叭碜灾車娐返妮椛浒l(fā)射和噪聲。輻射發(fā)射耦合到引線上的任何不匹配都會導(dǎo)致測量誤差。即使可以完美匹配差分放大器，在不受控制的環(huán)境中將任何東西連接到放大器輸入端也會降低性能。

　　圖 4. 傳統(tǒng)差分探頭

　　在典型應(yīng)用中，一對探頭連接到差分放大器輸入端。這些探頭的引線長度、方向、磁化率和負載存在差異，因此無法進行重復(fù)測量。解決引線長度問題的常用方法是扭轉(zhuǎn)引線或縮短引線。雖然這可能帶來微小的改進，但并不能解決固有問題。

　　理想的差分探頭不受引線長度、方向、磁化率和負載差異的影響。IsoVu 的獨特架構(gòu)通過提供具有屏蔽輸入結(jié)構(gòu)的真正浮動輸入，消除了對匹配輸入引線的需求。

　　結(jié)論

　　準確的差分測量依賴于測量系統(tǒng)的性能、共模電壓和共模抑制能力的組合。盡管有這些要求，但功率測試、EMI 測試、ESD 測試和遠程測量能力的測試和測量進步充其量只是微不足道，并沒有跟上不斷變化的測試要求。使用具有電流隔離的探頭代表了技術(shù)的飛躍，它結(jié)合了高帶寬、高共模電壓和高共模抑制，可實現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性的差分測量。

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