示波器的差分信号测量

图11. 隔离外壳产生的不平衡输入电容。由此形成的交流分压器使得探头夹子处的Vref’≠Vref

隔离器的劣势在于它不是真正的差分放大器，也就是说，它的输入是不平衡的（参见图11）。测量（+）输入端和参考（-）输入端对大地的电容差别相当大。这就产生了与前述浮动示波器相同的问题。参考引线的源阻抗在高频段与接地电容形成了一个衰减器。
将参考点连接到电路中驱动阻抗最低的点上（必要时可颠倒示波器的通道以便重新获得正确的极性）即可使这些问题的影响减至最小。如果隔离器的发送器与接收器是分立的，应尽可能将发送器与接地表面相隔离，以便最大限度地减少对地的电容耦合。将隔离器置于纸板箱或木制板条箱内都可以显著改进其性能！

差分测量的应用
功率电子部件
高电压差分放大器是测量线路连接电路的理想的手段，这种电路包括开关电源的原线圈、电动机、电灯镇流器，以及其他类似的系统。这种电路不需要“浮动示波器”这样的危险做法。低的输入电容也不会增加栅极驱动电路的负荷而影响逆变器的运行。
在描述功率开关器件（如MOSFET 和IGBT）的特性时常常要测量动态饱和特性。带有高速输入钳位电路的高性能差分放大器能够精确地测量导通饱和度，即当器件关断时过驱动（满标度的几百倍）之后的几纳秒。这样就可以使用精确测量饱和度特性所需要的高灵敏度。
在测量次级电路时这种放大器也是有用的。通过激活校准的偏压补偿（也叫比较电压），放大器也可用于单端模式以监视波纹谷和线性稳压器的净空度（参见图12）。若将偏压补偿设定到输出电压，则可以在各种动态负荷条件下以高灵敏度直接测量VCE 净空度。

系统功率分配
在开发高精度模拟量、混合信号和高速数字系统时，常常要解决功率分配方面的问题。这种工作可能是设计者最可怕的梦魇。CAD 系统经常也无助于事，因为很难或者根本不可能为引起此类问题的微小的寄生效应建立模型。配备了差分放大器的示波器是追踪和鉴别系统中的故障点的最好工具。

图12. 用校准的偏压补偿精确测量输出稳压器集电极上的电源波纹谷。注意：示波器设定在100 mV/ 分度，地电位在屏幕外61 个分度。

图13. 平衡桥电路中的传感器。在两个分压支路的抽头之间进行差分测量。

单端测量常常将功率分配问题隐藏起来，因为这种测量为被测信号另外提供了接地路径。这不仅使测量发生了变化，而且也常常会影响电路的工作，可能改进也可能降低电路的性能。
将差分探头置于集成电路的电源引线上，可以给出器件电源的真实状况。逻辑器件的引线电感常常使集成电路与局部的旁路电容隔离开来。即便电源看似纯净，接地和电源引脚也可能相对于系统中的其他地线发生漂移。移动探头可以跟踪单个器件的地与系统中其他地之间的动态接地电压梯度。数字系统中的地面反跳效应可能更容易测量。在集成电路的输入引脚及接地引脚之间进行探查就可给出该器件所看到的实际信号的状况。

平衡信号
有些系统使用的信号本质上就是差分信号。当信号两端共有同一的驱动阻抗时就认为这两端是平衡的。平衡系统在专业音频设备、电话和磁记录系统（模拟与数字存储器）中是很普遍的，这里仅给出少数几例。差分信号在高速数字系统中也分布得越来越普遍。如果对这种信号一次测量一端并将结果“相加”，那么这种低效率的尝试充其量是一种容易出错的方法。当只有信号的一端承载探头时能量就经常转移到未被测量的一端。以差分方法测量平衡系统可以得到信号的真实描述。

传感器
差分测量普遍应用于传感器系统。由于信号幅度小，还需要消除接地环路，所以就排除了使用单端测量的可能性。“传感器”一词使人想到了用于测量机械现象的设备，如测量加速度、振动、压力等等。差分测量技术的应用已超出了这一范围，还包括视频和医学成象器、麦克风、化学传感器，等等，不一而足。
电阻值可以发生变化的传感器经常工作在所谓平衡桥的配置中（参见图13）。这种配置是利用三个已知电阻器和传感器构成一对分压器。桥电路电源为这对分压器提供偏压，而在分压器的抽头之间进行差分式的电压测量。这种配置的好处是消除了电源波动的影响。在系统被激励之前，传感器经常生成一个代表其稳态的直流输出电压。为了获得高分辨率，最好是将直流成分去掉。如果需要测量极低的频率成分（2 Hz），在放大器输入端采用交流耦合是无效的。为了适应这种需求，很多高增益差分放大器都有差分偏移功能。这种功能实际上是在一个输入端串接一个浮动的可调电源，这样就允许放大器保持直流耦合。偏移控制的范围相当大，在较高的增益设置中可达到±100 万分度。

生物物理测量
警告: 不要在人体上接入包括差分放大器在内的任何电子仪器，除非这种仪器是专为人而设计的。合适的设备应被确认符合由所在国批准的专门的法规。
测量神经活动所形成的电信号面临着诸多挑战。这种信号的幅度极低，常常小于1 毫伏。共模成分可能比有用信号大几百倍甚至几千倍。源阻抗也相当高。差分信号通常被高幅度的噪声破坏。所幸