什么是共模信號(hào)和差模信號(hào)，光隔離探頭的高共模抑制比有什么用?

在電子測(cè)試和測(cè)量的世界里，精確的電信號(hào)捕捉是成功的關(guān)鍵。然而，現(xiàn)實(shí)情況往往復(fù)雜多變，信號(hào)在傳輸過(guò)程中不可避免地會(huì)受到各種干擾，本文將探討共模信號(hào)與差模信號(hào)的區(qū)別，以及共模抑制比(CMRR)的重要性。我們將解釋這些概念，并展示麥科信的SigOFIT光隔離探頭如何在氮化鎵(GaN)半橋電路的測(cè)量中，展現(xiàn)出其無(wú)與倫比的共模抑制能力。通過(guò)實(shí)際案例，我們將揭示共模干擾的來(lái)源，以及如何通過(guò)高CMRR值的探頭來(lái)有效抑制這些干擾，從而提高信號(hào)的信噪比和測(cè)量的準(zhǔn)確性。

共模信號(hào)與差模信號(hào)

麥科信(Micsig)的SigOFIT光隔離探頭相對(duì)差分探頭具有諸多優(yōu)勢(shì)，其中最重要一個(gè)，那就是其無(wú)與倫比的共模抑制能力。那么，共模抑制能力強(qiáng)，到底有什么用呢?在電子學(xué)中，信號(hào)可以分為兩種基本模式：共模和差模。這兩種模式對(duì)于理解信號(hào)傳輸和干擾處理至關(guān)重要，特別是在涉及信號(hào)完整性和噪聲抑制的領(lǐng)域。帶著疑問(wèn)，我們先來(lái)看看到底什么是共模信號(hào)，什么是差模信號(hào)。

什么是共模信號(hào)

共模信號(hào)是指兩個(gè)信號(hào)線相對(duì)于參考點(diǎn)(通常是地)具有的相同幅度和相位的信號(hào)成分。簡(jiǎn)而言之，共模信號(hào)是兩個(gè)信號(hào)線相對(duì)于公共參考點(diǎn)的共同變化部分。

什么是差模信號(hào)

差模信號(hào)是指兩個(gè)信號(hào)線之間的電壓差，即兩線之間的相對(duì)變化。它是實(shí)際要傳輸?shù)挠行盘?hào)成分，代表了信號(hào)線之間的信息傳遞。

關(guān)于共模抑制比(CMRR)

探頭的共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio, CMRR)是電壓探頭對(duì)差模信號(hào)放大能力和對(duì)共模信號(hào)(干擾信號(hào))抑制能力的一個(gè)重要參數(shù)。在理想情況下，放大電路應(yīng)該只放大差模信號(hào)(即兩個(gè)輸入端之間差異的信號(hào))，而對(duì)共模信號(hào)(即兩個(gè)輸入端相同的信號(hào))完全不敏感。CMRR的數(shù)值越大，表明電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力越強(qiáng)，電路的性能通常越好。

CMRR通常用單位 dB 來(lái)表示，其計(jì)算公式如下：

如果探頭設(shè)備對(duì)差模信號(hào)的增益為1000(30dB)，而對(duì)共模信號(hào)的增益為1(0dB)，那么CMRR將是：

CMRR數(shù)值越大，意味著探頭對(duì)共模信號(hào)的放大倍數(shù)越小，從而對(duì)共模干擾的抑制能力越強(qiáng)。在電子測(cè)量和信號(hào)處理中，高CMRR有助于提高信號(hào)的信噪比，減少干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

氮化鎵(GaN)半橋電路分析

我們以氮化鎵(GaN)半橋電路中上管Vgs測(cè)量為例，上管Vgs驅(qū)動(dòng)信號(hào)就是差模信號(hào)，下管的Vds就是共模信號(hào)。

在氮化鎵(GaN)半橋電路中，特別是當(dāng)涉及到上管的柵源電壓(Vgs)測(cè)量時(shí)，共模干擾是一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題。這種干擾可能來(lái)源于多種途徑，并且會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

在氮化鎵半橋電路中，開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電壓非常高，尤其是在高速開(kāi)關(guān)操作時(shí)。當(dāng)上管和下管交替導(dǎo)通時(shí)，由于開(kāi)關(guān)過(guò)程中的快速電壓變化，會(huì)在柵源間產(chǎn)生高頻共模電壓;快速開(kāi)關(guān)變化同時(shí)會(huì)在半橋電路周?chē)a(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)，這會(huì)導(dǎo)致附近的導(dǎo)體感應(yīng)出共模電壓。開(kāi)關(guān)瞬間，電磁輻射可能會(huì)耦合到柵源回路中，形成共模干擾。

測(cè)量設(shè)備引入共模干擾

在高速開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，較長(zhǎng)的導(dǎo)線可能會(huì)像天線一樣收集周?chē)碾姶艌?chǎng)能量，進(jìn)而產(chǎn)生共模電壓。測(cè)量探頭的輸入電容和輸入電阻可能會(huì)與電路形成分壓網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致共模干擾。差分探頭就可能會(huì)存在這些問(wèn)題，而麥科信(Micsig)的光隔離探頭可采用MMCX或MCX母座連接，引線極短，而且輸入電容很小，沒(méi)有這些問(wèn)題。

如此多的共模干擾，會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)的測(cè)量結(jié)果，因此我們的測(cè)試探頭要想保證信號(hào)的真實(shí)性，就必須具有很強(qiáng)的抑制共模干擾的能力，共模抑制比越大就說(shuō)明抑制共模噪聲的能力越強(qiáng)，假設(shè)測(cè)試氮化鎵電路，共模信號(hào)電壓是500V，dv/dt=250V/ns，要抑制這樣的共模干擾，如果CMRR=60dB，探頭會(huì)輸出500mV的共模干擾疊加到差模信號(hào)上，對(duì)差模信號(hào)有明顯的影響，如果CMRR=80dB，探頭會(huì)將50mV的共模干擾疊加到差模信號(hào)上，對(duì)差模信號(hào)的影響還是不可忽略，如果CMRR=100dB，探頭只會(huì)殘留5mV的共模干擾，對(duì)差模信號(hào)來(lái)說(shuō)完全可以忽略。

麥科信SigOFIT光隔離探頭共模抑制比高達(dá)180dB，在1GHz頻段時(shí)，仍然具有超100dB的共模抑制比，可以近乎完美地抑制高頻共模噪聲所產(chǎn)生的震蕩，所呈現(xiàn)的信號(hào)沒(méi)有額外多余成分，是第三代半導(dǎo)體測(cè)試的不二之選。

此外，在高速信號(hào)傳輸中，如果信號(hào)線的阻抗不匹配，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射，從而產(chǎn)生共模電壓，這種反射現(xiàn)象會(huì)加劇共模干擾的問(wèn)題。而麥科信SigOFIT光隔離探頭采用50Ω阻抗，可以最大限度地減少信號(hào)反射，提供更好的信號(hào)完整性。

總結(jié)

通過(guò)上述文章，我們了解了什么是共模，什么是差模，以及共模干擾產(chǎn)生的一些原因。同時(shí)，麥科信(Micsig)的SigOFIT光隔離探頭擁有超高共模抑制比，可以更好地抑制共模噪聲，保證信號(hào)的完整性，幫助我們看到信號(hào)真實(shí)的樣子，助力大家完成測(cè)量SiC/GaN等功率器件的柵極電壓驅(qū)動(dòng)等高壓高頻等挑戰(zhàn)性場(chǎng)景。如果大家有采購(gòu)或者樣機(jī)申請(qǐng)需求，可以隨時(shí)聯(lián)系我們。

審核編輯 黃宇