从严格意义上讲，所有测量都是差分测量。对把探头连接到信号点、把探头地线连接到电路接地上的标准示波器测量，实际上是测量测试点和接地之间的信号差异。从这个意义上讲，有两条信号线，即接地信号线和测试信号线。

但在实践中，差分测量是指测量的两条信号线都在接地之上。这要求使用某类差分放大器，以便能够以代数方式把两条信号线( 双端信号源 ) 加总到参考接地的一条信号线中( 单端信号 )，然后再输入到示波器中，如图1所示。差分放大器可以是隶属于探测系统的专用放大器，或如果示波器支持波形数学运算，可以在单独的示波器通道上采集每个信号线，然后以代数方式对两条通道求和。不管是两种情况，抑制共模信号都是差分测量质量的重要因素。

了解差模信号和共模信号。理想的差分放大器会放大两个输入之间的“差分”信号 VDM，全面抑制两个输入任何公共的电压 VCM。其得到一个输出电压，公式

如下：

  Vo - Av (V+in - V-in)

其中：

  Av = 放大器的增益

  Vo = 参考接地输出信号

感兴趣的电压或差分信号称为差分电压或差模信号，其表示为：VDM

其中：

  VDM = 上面公式中的 V+in项 - V-in 项

注意共模电压 VCM 并不是上述公式的一部分，这是因为理想的差分放大器会抑制所有共模成分，而不管其幅度或频率是多少。

图2提供了使用差分放大器测量反相器电路中上方MOSFET 设备的门驱动装置的实例。在 MOSFET 开关时，源电压从正供电轨道摆到负供电轨道。变压器允许门信号参考信号源。差分放大器允许示波器以足够的分辨率测量真正的 VGS 信号 ( 几伏摆幅 )，如 2V/ 格，同时抑制接地信号源的几百伏转换。

在实际环境中，差分放大器并不允抑制所有共模信号。少量的共模电压会在输出中表现为错误信号，而不能从希望的差分信号中把这种共模错误信号分开。

差分放大器能够最大限度地缩小不希望的共模信号的能力，称为共模抑制比，或简写为 CMRR。CMRR 的真正定义是“差模增益除以参考输入的共模增益”：

  CMRR = ADM/ACM

在评估时，可以在没有输入信号的情况下评估 CMRR性能。然后，CMRR 会变成明显的 VDM，可以在共模输入导致的输出上看到这个 VDM。这可以用比率表示，如 10,000:1，也可以用 dB 表示：

  dB = 20 log (ADM/ACM)

例如，10,000:1 的 CMRR 等于 80dB。为查看其重要意义，假设需要在音频功放器的输出阻尼电阻器中测量电压，如图3所示。在全负荷下，通过阻尼器的电压 (VDM) 应达到 35mV，输出摆幅 (VCM) 为 80Vp-p。使用的差分放大器在 1kHz 时的 CMRR 指标为 10,000:1。在使用 1kHz 正弦波把放大器驱动到全功率时，千分之十的共模信号将在差分放大器的输出上错误地显示为 VDM，其将是 80V/10,000或 8mV。8mV 的残余共模信号在实际 35mV 信号中代表着高达 22% 的误差 !

必需指出，CMRR 指标并不是一个绝对值。它没有指明误差的极性或相位度数。因此，不能简单地从显示的波形中减去误差。此外，CMRR 一般在 DC 最高 ( 最好 )，随着 VCM 频率提高，CMRR 会下降。某些差分放大器会作为频率的函数绘制 CMRR 指标；其它差分放大器则只在一些关键频率上提供 CMRR 规范。不管是哪种情况，在比较差分放大器或探头时，都要保证CMRR 比较处在相同的频率上。

还要注意，CMRR 指标假设共模成分是正弦曲线，而实际情况通常并不是这样。例如，图2中的反相器的共模信号是一个 30kHz 方波。由于方波包含着频率远远高于 30kHz 的能量，因此 CMRR 可能会要差于30kHz 点上指定的值。

在共模成分不是正弦曲线时，经验测试是确定 CMRR误差成分最快捷的方式 ( 参见图4)。暂时把输入引线连接到信号源上。示波器现在只显示共模误差。现在可以确定误差信号幅度是否明显。记住，并没有指定 VCM 和 VDM 之间的相位差。因此，从差分测量结果中减去显示的共模误差并不能准确地抵消误差项。

图4所示的测试可以很好地确定实际测量环境中的共模抑制误差程度。但是，有一种效应这种测试解决不了。在两个输入都连接到同一点时，放大器看到的驱动阻抗没有差异。这种情况产生了最好的 CMRR性能，但在差分放大器的两个输入从明显不同的信号源阻抗驱动时，CMRR 将会劣化。

最大限度地降低差分测量误差

把差分放大器或探头连接到信号源上一般是最大的误差来源。为保持输入匹配，两条通路应尽可能完全相同。对两个输入，任何线缆的长度都应该相同。如果对每条信号线使用单独的探头，那么它们应该采用相同的型号和电缆长度。在使用大的共模电压测量低频信号时，要避免使用衰减探头。在高增益上，之所以不能使用衰减探头，因为不可能精确地平衡其衰减。在高压或高频应用需要衰减时，应使用为差分应用专门设计的专用无源探头。这些探头拥有相应的功能，可以精确地调整 DC 衰减和 AC 补偿。为实现最佳性能，应把一套探头专用于每个特定的放大器，并使用探头自带的程序校准该放大器。

单独的输入线缆会成为变压器线圈。穿过环路的任何AC 磁场会对放大器输入表现为差分，完整地加总到输出中！为最大限度地降低这种影响，常用方法是把+ 和 - 输入电缆绞合在一个线对中。这降低了线路频率和其它噪声捡拾。通过把输入导线绞合在一起，如图5所示，任何感应的电压一般都会位于 VCM 通路中，并通过差分放大器进行抑制。

通过把两条输入导线编码到一个铁素体芯上，可以改进容易受到过高共模信号影响的高频测量。这衰减了两个输入共用的高频信号。由于差分信号以两个方向穿过磁芯，因此其不受任何影响。

大多数差分放大器的输入连接器是外壳接地的 BNC连接器。在使用探头或同轴电缆输入连接时，一直有一个怎样处理接地的问题。由于测量应用不同，因此并没有一成不变的硬性规定。

在测量低频率的低电平信号时，最好只在放大器一端连接接地，而在输入端都不要连接。这为感应到屏蔽中的任何电流提供了一条回路，但不会产生可能扰乱测量或被测器件的接地环路。在较高的频率上，探头输入电容及导线电感构成了可能会振铃的串联“谐振”电路。在单端测量中，通过使用最短的地线，可以最大限度地降低这种效应。这降低了电感，可以有效地提高谐振频率，其可望超过放大器的带宽。差分测量在两只探头尖端之间进行，测量中没有接地的概念。但是，如果振铃是由于共模成分快速上升产生的，那么使用短地线可以降低谐振电路中的电感，进而降低振铃成分。在某些情况下，通过连接地线，也可以降低快速差分信号导致的振铃，当共模信号源在高频上拥有非常低的到地阻抗时，可以采用这种方法，即使用电容器避开振铃。否则，连接地线可能会使情况变得更糟！如果发生这种情况，应试着在输入端把探头一起接地，这可以降低通过屏蔽的有效电感。

当然，把探头接地连接到电路上可能会产生接地环路。在测量频率更高的信号时，这通常不会导致问题。在测量高频率时，最好尝试有地线时及没有地线时进行测量；然后使用提供最佳结果的设置。

在把探头地线连接到电路上时，记住要把它连接到接地上！在使用差分放大器时，很容易会忘了接地连接在哪里，因为差分放大器可以探测电路中的任何地方，而没有损坏风险。

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