詳細介紹：
探頭的種類很多，其中高壓差分探頭在開關電源應用中十分廣泛，然而很多工程師對差分探頭的理解不是很深刻，市場上差分探頭生產廠家也不少，性能指標各不相同，甚至相差甚遠，造成測出的波形也不盡相同，工程師無法看到正確波形。本文將主要講述什么是差分信號，差分信號的測量，高壓差分探頭的主要指標，優缺點和相關使用技巧，以及高壓差分探頭在開關電源的典型應用。
一、什么是差分信號
在講解差分探頭之前，先來了解差分信號。差分信號是互相參考，而不是參考接地的信號。例如，圖1開關電源中半橋上下開關管(Q1，Q2管)中電壓信號;圖2多相電源系統中電壓信號，以上信號在本質上是“漂浮”在地之上。
圖1開關電源中的開關管上的差分信號圖2 多相電源系統中的差分信號
二、差分信號的測量方法
目前差分信號的常見測量方法如下：
1)使用兩個探頭測量，再利用示波器數學運算功能計算，如圖3
使用兩個探頭測量，再利用示波器數學運算功能計算使用兩個探頭進行兩項單端測量，這是一種常用方法，也是進行差分測量不希望的方法。測量到地的信號(單端)及使用示波器的數學運算函數(通道A信號減去通道B)，就可測量差分信號。在信號時低頻信號，信號幅度足夠大，能夠超過任何擔心的噪聲情況下，可以采取這種方法。
兩個單端測量組合在一起有多個潛在問題。其中一個問題是沿著每個探頭直到每條示波器通道有兩條單獨的長信號通路。這兩條通路之間的任何延時差都會導致兩個信號發生時間偏移。在高速信號上，這個偏移會導致計算的差分信號中發生明顯的幅度和定時誤差。
另一個問題是它們不能提供足夠的共模噪聲抑制。實際電路中，共模噪聲源很多，比如說，附近時鐘線在兩條信號線上導致的噪聲，熒光等外部來源發出的噪聲。隨著頻率的提高，單端測量的CMMR(共模抑制比)的性能會迅速下降。如果保留共模干擾的話，這會導致信號的噪聲比實際的噪聲還要大的多。
2)示波器浮地測量
目前常見的錯誤浮地測量方法就是示波器浮地測量方法，是通過切斷標準三頭AC插座地線的方法或使用一個交流隔離變壓器，切斷中線與地線的連接。將示波器從保護地線浮動起來，如圖4，以減小地環路的影響。這種方法其實并不可行，因為在建筑物的布線中中線也許在某處已經與地線相連，是不安全的測量方法;
此外它違反了工業健康和安全規定，且獲得的測量結果也差。而且示波器在地浮動時會出現一個大的寄生電容，浮動測量將受到振蕩的破壞，測量的波形失真嚴重，后續會有實例演示?？偠灾?，示波器浮地測量容易損壞被測器件;損壞示波器;給人身帶來潛在危害;測量誤差大。
圖4示波器浮地測量示意圖
3)差分測量
浮地測量的佳解決辦法就是使用高共模抑制比的差分探頭，因為兩個輸入端都不存在接地的問題，兩路輸入信號的差分運算在探頭前端放大器完成，傳輸到示波器通道的信號是已差分后的電壓，示波器無需去掉三線插頭的接地端即可實現安全的浮地測量，如圖5。
圖5差分探頭測量示意圖
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絡，差分信號轉單端信號輸出，電源電路，偏置電路，驅動電路組成。
3.2差分探頭分類
常見的差分探頭有兩類：有一類是針對低壓信號的，在高速的數字電路中這種差分信號比較常見，這一類差分探頭的測量電壓常見的幅值是±8V，帶寬一般在1GHz以上;另一類是專門針對高壓測量的，測量電壓高達上KV，在開關電源測量中這種差分信號比較常見，這類差分探頭叫高壓差分探頭，測量電壓一般在KV級別，帶寬在20MHz—100MHz范圍內比較常見。
3.3高壓差分探頭應用
高壓差分探頭主要是針對浮地系統的測量。電源系統測試中經常要求測量三相供電中的火線與火線，或者火線與零(中)線的相對電壓差，很多用戶直接使用單端探頭測量兩點電壓，導致探頭燒毀的現象時有發生。
這是因為：大多數示波器的“信號公共線”終端與保護性接地系統相連接，通常稱之為“接地”。這樣做的結果是：所有施加到示波器上，以及由示波器提供的信號都具有一個公共的連接點。該公用連接點通常是示波器機殼通過使用交流電源設備電源線中的第三根導線地線，將探頭地線連到一個測試點上。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行浮地測量。
3.4差分探頭3大重要指標：
帶寬 (通用)：所有探頭都有帶寬。探頭的帶寬是指探頭響應導致輸出幅度下降到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，要認識到帶寬在許多方面影響著測量精度。在幅度測量中，隨著正弦波頻率接近帶寬極限，正弦波的幅度會變得日益衰減。在帶寬極限上，正弦波的幅度會作為實際幅度的70.7% 進行測量。
因此為實現大的幅度測量精度，必需選擇帶寬比計劃測量的高頻率波形高幾倍的示波器和探頭。這同樣適用于測量波形上升時間和下降時間。波形轉換沿(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生衰減，導致顯示的轉換慢于實際轉換速度。為精準地測量上升時間和下降時間，使用的測量系統必需使用擁有充足的帶寬，可以保持構成波形上升時間和下降時間的高頻率成份。常見情況下，使用測量系統的上升時間時，系統的上升時間一般應該比要測量的上升時間快4-5倍。在開關電源領域，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量中抑制兩個測試點共模信號信號的能力。這是差分探頭的關鍵指標，其公式為：CMRR = |Ad/Ac|。其中：Ad = 差分信號的電壓增益。Ac = 共模信號的電壓增益。在理想情況下，Ad 應該很大，而Ac 則應該等于0，因此 CMRR 無窮大。
在實踐中，10,000:1 的CMRR 已經被看作非常好了。這意味著將抑制5 V 的共模輸入信號，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對于測量全橋或者半橋電路的上管驅動波時，顯得尤為重要，這也是高壓差分探頭測量這類信號時的難點。如圖1中，上管GS驅動電壓很小，但是共模電壓很高，測量該點波形時，對差分探頭的CMRR要求比較高，后續將會有實例演示分析。
畸變：畸變是輸入信號預計響應或理想響應的任何幅度偏差。在實踐中，在快速波形轉換之間通常會立即發生畸變，其表現為所謂的“減幅振蕩”。差分探頭的兩個差分輸入線非常長，常見的有50cm左右，如果差分探頭這個指標設計不好，那么測量的信號容易產生畸變。市場上不同廠家的差分探頭測出的結果可能不同，有的相差甚遠，這個指標就是其中原因之一。下面將會有實例對此指標進行分析!
當然差分探頭還有輸入阻抗，輸入電容，精度，衰減系數等指標，市場上各個廠家差別不大，一般也不會出問題，所以這里就不一一介紹了。
四、高壓差分探頭測試實例分析
4.1差分探頭測試半橋電路中MOS管的DS極間電壓
以下是利用DP6130測試半橋電路上下管DS波形實例：
圖8 差分探頭測試上下管DS極間電壓系統
圖9 測試點特寫
圖10 上下管DS波形
以上實例說明，差分探頭滿足浮地測量的需要和普通示波器通道間隔離的需求。這里需要說明：上下管的DS電壓一般幾百V以上，一般差分探頭測量問題都不大，但是如果測到的波形尖峰很大，用戶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設計的不好，可能會導致尖峰過高現象的發生，后續會有相關實例演示說明;
在本人的實際測試中，遇到過示波器通道間延時不一樣，這也是客戶需要考慮的問題，特別是上下管波形對比時，如果示波器的不同通道的延時相差很大，客戶必須考慮進去，一般相同型號的差分探頭延時相差不大，都是幾個ns的差別。
4.2 差分探頭測試半橋電路中MOS管的GS極間驅動電壓
以下是利用DP6130測試上下管GS波形實例：
圖11 差分探頭測試半橋電路上下管GS極間電壓系統
圖 12 測試點特寫
圖 13 半橋電路上下管 GS 波形
通過以上實例分析，高壓差分探頭也可以測量驅動波形。差分探頭在測量驅動管波形時，特別是上管驅動波形，由于差分電壓(驅動電壓)很小，只有十幾V，但是共模電壓很大，通常達到幾百V，這時CMRR(共模指標)就顯得尤為重要，如果CMRR指標不夠高，測量這類信號時，波形將會嚴重失真。下午將重點討論差分探頭的CMRR問題。
4.3差分探頭CMRR的實例分析
還是以上面的測試平臺為例，將差分探頭的紅黑夾子短接，同時勾住上管的G極，理論上差分探頭的輸出應該為零，而實際上不可能，原因就在于，被測點對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，那么就會有輸出，輸出越大，證明差分探頭的CMRR能力越差。
圖 14 測試共模能力的演示系統(紅黑探夾同時勾住上管 G 或者S 極)
圖 15 共模能力測試點特寫
上管共模輸出波形通過以上圖片可以看出，由于差分探頭的共模能力有限，共模信號的輸出峰峰值有 2.64V，會影響實際的驅動波形測量，圖上的尖峰影響高頻部分，其它部分影響低頻部分?，F在我們來仔細分析驅動波形，請看下圖上管驅動波形圖片分析：
圖 17：上管驅動波形分析(在共模電壓情況下)
以上圖片可以看出，DP6130 測量驅動波形，波形失真還是比較小的，原因在于 CMRR 指標是比較高。DP6130 差分探頭驅動波形時，示波器是每格 5V，而根據共模信號波形可知，共模信號輸出的峰峰值只有 2.64V，所以實測到的驅動波形幾乎看不到波形的失真，基本達到應用要求。市場上各個廠家的 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，同時讓你能夠準確判斷你測試出的驅動波形是否接近實際值。
五、差分探頭使用技巧
5.1 差分探頭輸入線雙絞
不知你是否發現，以上圖片測量時，可以看到差分輸入線是雙絞起來，這是有原因的。大家都知道，差分輸入線很長，就像兩根天線一樣，會吸收各種干擾，實驗證明，雙絞線可以提供探頭的CMRR指標，提高抗干擾能力，特別是測量小信號時非常重要，當然雙絞線的使用會降低探頭的帶寬指標，不過影響不大。
以下圖18將證明雙絞線的作用：
圖 18 差分輸入線未雙絞時，CMRR 指標下降，且容易受到干擾以上圖片是差分輸入線未雙絞時的輸出，可以看到共模信號輸出明顯偏大，為 3.02V，比雙絞時輸出 2.64V 大了不小。所以建議在測量小信號時，差分輸入線雙絞，提高 CMRR 能力。
5.2差分探頭測量時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，會影響探頭的共模能力
由以上實驗證明，在差分探頭測量時，特別是在測量小信號時，盡量避免外界的干擾。
差分探頭總結如下：差分探頭是目前開關電源中常用的工具之一，滿足浮地測量要求和隔離的需要;測量大信號時，只要探頭的畸變能力做的好，一般不會存在問題;測量小信號時，選用CMRR能力做得好的廠家，同時注意測量方法，比如雙絞線方法，能夠提供測量的準確性， DP6000系列探頭基本滿足各種場合下的測量需求。
示波器浮地測量總結如下：示波器浮地測量的優越性在于測量小信號，當然測量方法也非常重要，特別是對地線的長度要求，地線越短越好，否則測量的結果失真也很嚴重;浮地測量的大缺點是示波器帶電，存在嚴重的安全隱患，而且無法滿足雙通道同時測量的實際需求。
以上就是高壓差分探頭的測試案例，希望能給大家有所幫助。如您還有任何疑問，歡迎登陸西安普科電子科技。http://m.nallarasam.com/