干货分享 | 什么是共模信号和差模信号,光隔离探头的高共模抑制比有什么用?

2024-09-28 Micsig(麦科信科技公众号)
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在电子测试和测量的世界里,精确的电信号捕捉是成功的关键。然而,现实情况往往复杂多变,信号在传输过程中不可避免地会受到各种干扰,本文Micsig麦科信将探讨共模信号与差模信号的区别,以及共模抑制比(CMRR)的重要性。本文将解释这些概念,并展示麦科信的SigOFIT光隔离探头如何在氮化镓(GaN)半桥电路的测量中,展现出其无与伦比的共模抑制能力。通过实际案例,麦科信将揭示共模干扰的来源,以及如何通过高CMRR值的探头来有效抑制这些干扰,从而提高信号的信噪比和测量的准确性。


共模信号与差模信号

麦科信(Micsig)的SigOFIT光隔离探头相对差分探头具有诸多优势,其中最重要一个,那就是其无与伦比的共模抑制能力。那么,共模抑制能力强,到底有什么用呢?在电子学中,信号可以分为两种基本模式:共模和差模。这两种模式对于理解信号传输和干扰处理至关重要,特别是在涉及信号完整性和噪声抑制的领域。带着疑问,我们先来看看到底什么是共模信号,什么是差模信号。


什么是共模信号

共模信号是指两个信号线相对于参考点(通常是地)具有的相同幅度和相位的信号成分。简而言之,共模信号是两个信号线相对于公共参考点的共同变化部分。


什么是差模信号

差模信号是指两个信号线之间的电压差,即两线之间的相对变化。它是实际要传输的有效信号成分,代表了信号线之间的信息传递。



关于共模抑制比(CMRR

探头的共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio, CMRR)是电压探头对差模信号放大能力和对共模信号(干扰信号)抑制能力的一个重要参数。在理想情况下,放大电路应该只放大差模信号(即两个输入端之间差异的信号),而对共模信号(即两个输入端相同的信号)完全不敏感。CMRR的数值越大,表明电路对共模信号的抑制能力越强,电路的性能通常越好。


CMRR通常用单位dB来表示,其计算公式如下:


如果探头设备对差模信号的增益为1000(30dB),而对共模信号的增益为1(0dB),那么CMRR将是:


CMRR数值越大,意味着探头对共模信号的放大倍数越小,从而对共模干扰的抑制能力越强。在电子测量和信号处理中,高CMRR有助于提高信号的信噪比,减少干扰对测量结果的影响。


氮化镓(GaN)半桥电路分析

我们以氮化镓(GaN)半桥电路中上管Vgs测量为例,上管Vgs驱动信号就是差模信号,下管的Vds就是共模信号。


在氮化镓(GaN)半桥电路中,特别是当涉及到上管的栅源电压(Vgs)测量时,共模干扰是一个常见的问题。这种干扰可能来源于多种途径,并且会对测量结果产生不利影响。


在氮化镓半桥电路中,开关瞬态电压非常高,尤其是在高速开关操作时。当上管和下管交替导通时,由于开关过程中的快速电压变化,会在栅源间产生高频共模电压;快速开关变化同时会在半桥电路周围产生强烈的电磁场,这会导致附近的导体感应出共模电压。开关瞬间,电磁辐射可能会耦合到栅源回路中,形成共模干扰。


测量设备引入共模干扰

在高速开关应用中,较长的导线可能会像天线一样收集周围的电磁场能量,进而产生共模电压。测量探头的输入电容和输入电阻可能会与电路形成分压网络,导致共模干扰。差分探头就可能会存在这些问题,而麦科信(Micsig)的光隔离探头可采用MMCX或MCX母座连接,引线极短,而且输入电容很小,没有这些问题。


如此多的共模干扰,会严重影响信号的测量结果,因此我们的测试探头要想保证信号的真实性,就必须具有很强的抑制共模干扰的能力,共模抑制比越大就说明抑制共模噪声的能力越强,假设测试氮化镓电路,共模信号电压是500V,dv/dt=250V/ns,要抑制这样的共模干扰,如果CMRR=60dB,探头会输出500mV的共模干扰叠加到差模信号上,对差模信号有明显的影响,如果CMRR=80dB,探头会将50mV的共模干扰叠加到差模信号上,对差模信号的影响还是不可忽略,如果CMRR=100dB,探头只会残留5mV的共模干扰,对差模信号来说完全可以忽略。


麦科信SigOFIT光隔离探头共模抑制比高达180dB,在1GHz频段时,仍然具有超100dB的共模抑制比,可以近乎完美地抑制高频共模噪声所产生的震荡,所呈现的信号没有额外多余成分,是第三代半导体测试的不二之选。


此外,在高速信号传输中,如果信号线的阻抗不匹配,可能会导致信号反射,从而产生共模电压,这种反射现象会加剧共模干扰的问题。而麦科信SigOFIT光隔离探头采用50Ω阻抗,可以最大限度地减少信号反射,提供更好的信号完整性。

光隔离探头MOIP系列参数表


总结

通过上述文章,我们了解了什么是共模,什么是差模,以及共模干扰产生的一些原因。同时,麦科信(Micsig)的SigOFIT光隔离探头拥有超高共模抑制比,可以更好地抑制共模噪声,保证信号的完整性,帮助我们看到信号真实的样子,助力大家完成测量SiC/GaN等功率器件的栅极电压驱动等高压高频等挑战性场景。如果大家有采购或者样机申请需求,可以随时联系世强平台工作人员。


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