王征宇，章少云

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035；2.日松微電子有限公司，江蘇 無錫 214072）

1 引言

計算機、通信、消費類電子工業(yè)的快速發(fā)展推動著越來越多的信號協(xié)議由單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向差分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而差分信號的結(jié)構(gòu)特點要求對應(yīng)的測試測量單元也必須是差分拓?fù)洌纱诵纬闪硕喾N多樣的測試手段。本文簡述了工程技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ罘中盘栠M(jìn)行測量的幾種主要測試方法，并著重介紹了其中一種較為簡單實用的測試方法及其應(yīng)用。

2 差分信號

2.1 差分信號的描述

從嚴(yán)格意義上講，所有電壓信號都是差分的，因為一個電壓只能相對于另一個電壓而言。在某些系統(tǒng)里，系統(tǒng)“地”被用作電壓基準(zhǔn)點。當(dāng)“地”作為電壓測量基準(zhǔn)時，這種信號規(guī)劃被稱為單端的，使用該術(shù)語是因信號采用單個導(dǎo)體上的電壓來表示，當(dāng)信號分別作用在兩個導(dǎo)體上，將兩個導(dǎo)體之間的電壓差異以一個數(shù)值來表示時，這種信號則被稱為差分信號。

2.2 差分信號的優(yōu)點

差分信號和普通的單端信號走線相比，最明顯的優(yōu)勢體現(xiàn)在四個方面：易識別小信號、抗電磁干擾、信號處理精確、時序定位精確。

2.2.1 易識別小信號

因為可以控制“基準(zhǔn)”電壓，所以很容易識別小信號。在一個“地”做基準(zhǔn)、單端信號方案的系統(tǒng)里，測量信號的精確值依賴系統(tǒng)內(nèi)“地”的一致性。信號源和信號接收器距離越遠(yuǎn)，它們局部“地”的電壓值之間有差異的可能性就越大。從差分信號恢復(fù)的信號值在很大程度上與“地”的精確值無關(guān)，而在某一范圍內(nèi)。

2.2.2 抗電磁干擾

它對外部電磁干擾（EMI）是高度免疫的。一個干擾源幾乎相同程度地影響差分信號對的每一端。既然電壓差異決定信號值，這樣將忽視在兩個導(dǎo)體上出現(xiàn)的任何同樣干擾。除了對干擾不大靈敏外，差分信號比單端信號生成的 EMI 還要少。由于兩根信號的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合得越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。

2.2.3 信號處理精確

在一個單電源系統(tǒng)，能夠從容精確地處理“雙極”信號。為了處理單端、單電源系統(tǒng)的雙極信號，必須在“地”和電源干線之間某任意電壓處（通常是中點）建立一個“虛地”。用高于“虛地”的電壓來表示正極信號，低于“虛地”的電壓來表示負(fù)極信號。接下來，必須把“虛地”正確地分布到整個系統(tǒng)里。而對于差分信號，不需要這樣一個“虛地”，這就使處理和傳播雙極信號有一個高逼真度，而無須依賴虛地的穩(wěn)定性。

2.2.4 時序定位精確

由于差分信號的開關(guān)變化是位于兩個信號的交點，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝、溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。

3 差分信號的測量方法

由于差分信號本身所具有的特殊性，對它的測量也相應(yīng)異于普通的單端信號。目前工程技術(shù)領(lǐng)域中主流測試方法有如下幾種：

3.1 差分探頭

通常測量時使用的是有源差分探頭，探頭的前端有一個高帶寬、需要供電的放大器，這樣可以提供比較高的輸入阻抗以及更高的帶寬。與單端探頭相比，差分探頭具有更高的共模抑制比，當(dāng)存在很大的共模噪音時，無疑用差分探頭來測量將更為精確；此外，由于差分探頭的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?shù)绞静ㄆ魍ǖ赖男盘柺且巡罘趾蟮碾妷海静ㄆ鳠o需去掉三線插頭的接地端即可實現(xiàn)安全的浮地測量，這樣就避免了切斷標(biāo)準(zhǔn)三頭AC插座地線或使用一個交流隔離變壓器進(jìn)行浮地測量時，有可能產(chǎn)生的儀器和被測器件損壞，甚至人身傷害。Tektronix、Agilent等公司都有適用于測量各種類型差分信號的差分探頭。但相對而言，差分探頭價格較貴，使用不大方便，不便于在狹窄的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行探測或用多個探頭連接非常近的多個測試點，而且?guī)捯草^窄。

3.2 隔離輸入示波器

與常規(guī)示波器相比，隔離輸入示波器具有二或四通道隔離浮動或差分安全測試能力，使用電池電源或是通過交流電源適配器連接到交流電源，使示波器的輸入始終是浮動的?！案印眳⒖冀拥氐氖静ㄆ魇峭ㄟ^使接地系統(tǒng)無效或使用隔離變壓器，將“信號公共線”從地面斷開，使示波器保護(hù)性接地系統(tǒng)無效的一種技術(shù)。在當(dāng)今使用的寬帶示波器系統(tǒng)中，最常用的隔離方法是雙路方法，將輸入信號分為兩個信號：低頻和高頻。該方法需要每個輸入通道都具有昂貴的光耦合器和寬帶線性變壓器。另外還有一種創(chuàng)新的IsolatedChannel技術(shù)，取消了雙路方法，而對每個從直流到示波器帶寬的輸入通道僅使用一個寬帶信號通路。這項技術(shù)使隔離通道輸入體系結(jié)構(gòu)向“正”輸入和“負(fù)基準(zhǔn)”導(dǎo)線（包括外部觸發(fā)輸入）提供了真實且完整的通道間隔離，把寄生效應(yīng)的影響降到最低。Tektronix的TPS2000系列多功能數(shù)字隔離示波器就是這樣一款采用IsolatedChannel技術(shù)、具有四個獨立隔離通道并使用電池供電的數(shù)字隔離示波器。

3.3 帶差分信號測量單元的測試系統(tǒng)

為滿足多種測試需求，某些測試系統(tǒng)也同樣配備了差分信號測量單元，具備差分信號測量能力。如Agilent 93000 Pin Scale系統(tǒng)上的每個PIN腳都提供了單端和差分I/O測試功能，適于被測器件的自動、大批量生產(chǎn)測試。

3.4 其他簡單的測量方法

3.4.1 “準(zhǔn)差分方式”

很多示波器都能夠用內(nèi)置的功能進(jìn)行最簡單的差分測量。這種方式叫做“chanel A－chanel B”（通道A減通道B）方式或者“準(zhǔn)差分”方式。雖然性能上受到限制，這項技術(shù)還是適合一些測量需求的。為了進(jìn)行差分測量，要使用兩個垂直通道，一個用于正輸入，一個用于負(fù)輸入。用于負(fù)輸入的通道被設(shè)置成反轉(zhuǎn)方式，顯示方式則設(shè)置為“ADD Channel A + Channel B”（通道A加通道B）。為了正常工作，兩個輸入必須設(shè)定在相同的標(biāo)度系數(shù)，兩個輸入探頭也必須是同型號的，在顯示器上出現(xiàn)的就是兩個輸入端的差電壓。

3.4.2 差分輸入轉(zhuǎn)單端

常用的方法是采用由集成運放外加反饋網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的減法運算電路來實現(xiàn)差分輸入轉(zhuǎn)單端輸出，從而便于進(jìn)行差分信號的相關(guān)分析。

4 用差分放大電路測量差分信號的應(yīng)用實例

在實際工作中，由于硬件資源有限，測試系統(tǒng)不具備差分信號測量能力，而又需要對以差分信號形式作為輸出的器件進(jìn)行自動化測試時，采用差分放大電路通過將差分信號轉(zhuǎn)為單端信號，再用自動測試系統(tǒng)對其進(jìn)行信號的采集、分析、測試，在一定意義上可以基本滿足此類器件的測試需要。

以四運放集成電路LM324為例說明應(yīng)用此類電路測量差分信號的方法。LM324內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。引腳排列見圖2。主要參數(shù)見表1。

使用LM324進(jìn)行差分信號的測量時，可按實際需要適當(dāng)選取反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻值，以取得適用于測量分析的單端信號。此處采用的反饋網(wǎng)絡(luò)放大比例為1:1，即Vo=Vs2-Vs1。電路圖見圖3。

圖1 內(nèi)部獨立的運放示意圖

圖2 LM324功能引腳圖

表1 主要參數(shù)

圖3 用LM324將差分信號轉(zhuǎn)為單端信號的應(yīng)用實例

圖4和圖5分別為轉(zhuǎn)換前的差分信號和轉(zhuǎn)換后的單端信號。

這樣就能夠在LM324的OUT1腳得到接近差分輸入信號（Vs2-Vs1）的較為近似的單端信號了，然后可以方便地用自動測試系統(tǒng)采集該信號，通過對抓取到的信號進(jìn)行失真度、信噪比等參數(shù)的測試，可基本做到對原差分信號的等效評估。此方法雖然因受限于運放本身的參數(shù)性能，無法對待測差分信號進(jìn)行十分精確的測量，但在測試資源有限的條件下更為經(jīng)濟(jì)、便捷，且簡單、實用。

圖4 轉(zhuǎn)換前的差分輸入信號

圖5 轉(zhuǎn)換后的單端輸出信號

5 結(jié)束語

差分信號在工程技術(shù)領(lǐng)域的使用極其廣泛，對其進(jìn)行測量的手段也多種多樣。本文介紹了測量差分信號的幾種主要方法，并著重介紹了其中一種較為簡單實用的測試方法及其應(yīng)用實例，便于在測試資源有限的條件下實現(xiàn)更為經(jīng)濟(jì)實用的測量。

[1]Neamen,D A.電子電路分析與設(shè)計——模擬電子技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社，2009.118-167.

[2]蔡國發(fā)，章杰，等.差分對信號完整性分析[J].電子測量技術(shù)，2012，（01）：33-36.