在电子测量领域，示波器探头是不可或缺的工具，而高压差分探头在开关电源等应用中尤为重要。然而，市场上差分探头生产厂家众多，性能指标参差不齐，这导致测量出的波形各不相同，使得工程师难以看到正确的波形。下面将详细介绍高压差分探头的相关知识，包括其定义、与普通探头的区别，以及如何防止差分探头烧坏示波器。
使用任何示波器探头时，都需要连接到电路上的两个点来测量它们之间的电压差。对于单端探头，其中一个点必须是 “地”，该点主要通过示波器连接到大地。但单端探头存在一个问题，当承载信号的导线拾取电背景噪声时，可能会遇到噪声或接地反弹问题。
图 1 单端探头 = 参考地探头
示波器探头单端测量是指输入信号与地之间的电压差，差值被输入到示波器的输入。单端输入可能会受到噪声或地面反弹问题的影响，因为携带信号的导线会拾取电子背景噪声。而差分探头则通过独特的设计避免了这些问题。
差分探头是利用差分放大原理设计出来的示波器探头。要了解差分探头，首先需要了解差分信号。差分传输是一种信号传输技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法，差分传输在两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相同，相位相反，这两根线上传输的信号就是差分信号。差分信号互相参考，而不是参考接地的信号。
差分信号具有诸多优点。其一，它具有很强的抗干扰能力。当噪声出现时，由于噪声等值且同时作用在两个信号线上，对两个信号的影响相同，所以两个信号之间的差值和没有干扰时的差值一样，能保持原信号的逻辑值。其二，能有效抑制电磁干扰（EMI）。因为两根线靠得很近，信号幅值相等，与地线的耦合电磁场的幅值也相等，但信号极性相反，如同两个相同大小但方向相反的矢量，会相互抵消。其三，差分信号的时序定位准确，接收端以两根线上的信号幅值之差发生正负跳变的点，作为判断逻辑 0/1 跳变的点。
不过，差分信号也存在缺点。它需要两根线，这可能会使布线变得复杂，而且差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的两根线。
- 探头带宽：探头带宽是指探头响应导致输出幅度下降到 70.7%(-3 dB) 的频率。在选择示波器和示波器探头时，带宽在许多方面影响着测量精度。在幅度测量中，随着正弦波频率接近带宽极限，正弦波的幅度会日益衰减。为实现的幅度测量精度，必需选择带宽比计划测量的频率波形高几倍的示波器和探头。这同样适用于测量波形上升时间和下降时间，波形转换沿是由高频成分组成的，带宽极限会使这些高频成分发生衰减，导致显示的转换慢于实际转换速度。在开关电源领域，一般 50MHz 的带宽就基本够用了。
- CMRR (共模抑制比)：共模抑制比是指差分探头在差分测量中抑制两个测试点共模信号信号的能力，是差分增益 (Ad) 和共模增益 (Ac) 的功率比。在理想情况下，Ad 应该很大，而 Ac 则应该等于 0，因此 CMRR 无穷大。在实践中，10,000:1 的 CMRR 已经被看作非常好了。由于 CMRR 随着频率提高而下降，因此指定 CMRR 的频率与 CMRR 值一样重要。CMRR 对于测量全桥或者半桥电路的上管驱动波时，显得尤为重要，这也是高压差分探头测量这类信号时的难点。
- 畸变：畸变是输入信号预计响应或理想响应的任何幅度偏差。差分探头的两个差分输入线通常较长，常见的有 50cm 左右，如果差分探头这个指标设计不好，测量的信号容易产生畸变。市场上不同厂家的差分探头测出的结果可能不同，有的相差甚远，这个指标就是其中原因之一。
高压差分探头是一种用于电力电气工程、电子通信技术、航空航天科技的测量仪器。采用专用电源模块使高压探头具有更高的稳定性和较低的噪声，高精度的高压探头内部元件采用极低的温度系数和电压系数，可提供很高的测试精度。所有有源高压差分探头的输出阻抗为 50，可用于所有示波器和电压表。
高压差分探头主要用于观测差分信号。普通的单端探头也可以测量差分信号，但得到的信号与实际信号相差很大，有可能出现 “地弹” 现象。其差分放大原理是指将一对信号同时输入放大电路，然后减去得到原始信号。差分放大器是通过直接耦合由两个具有相同参数特性的晶体管组成的放大器。如果在两个输入端输入相同大小、相同相位的信号，则输出为零，从而克服了零漂移。高压差分探头还具有自动保存功能，可防止用户停电后重复工作；具有良好的共模噪声抑制能力，输入端输入阻抗高，电容低，可高速准确测量差分电压信号；具有声光报警功能，可手动关闭声音报警功能，更人性化设计；USB 电源接口，使用更加方便灵活；探头配有标准 BNC 输出接口，可与任何厂家的示波器配合使用，测量波形测量电路。
许多人认为只有在探测差分信号时才使用差分探头，其实在探测单端信号时，也可以使用差分探头，这将为您节省大量时间和金钱，并提高测量的准确性。差分探头可以进行与单端探头相同的测量，并且由于差分探头在两个输入端上有共模抑制，所以差分测量结果的噪声大为减少。
在电源测试中，大多数电压测试是浮地测试，需要用差分探头测试。很多初级工程师在用多个探头进行电源测量时，刚开机电源产品就 “炸机”，甚至示波器也发生损坏。这是因为示波器探头之间是共地的，在同时测量电源原边和副边的时候，如果用一根探头接原边的地，另一根探头接副边的地，相当于把电源的原边和副边的地短路在一起，这样短路后的大电流就会烧坏电源产品和探头，甚至是损坏示波器。所以，在测试原边和副边的电压时应该一侧选用差分探头，一侧选用无源或有源单端探头。
常见的高压差分探头共模耐压与衰减比有关，会影响测试结果。市面上高压差分探头存在的问题是共模耐压会随着衰减比的变化而变化。例如某型号差分探头在 100:1 的衰减比下差模耐压和共模耐压都是 700V，适合 AC 转 DC 相关拓扑的 500V - 600V 耐压功率器件 Vds 电压测试，但当需要测试 Vgs 电压的波形时，为了得到更高的测试精度，更小的垂直刻度，需要把衰减比调整到 10:1，此时该探头的共模耐压会降低到 70V，不能用于上管 Vgs 的测试，如果需要测试上管 Vgs 电压波形，就只能用 100:1，这样会使 Vgs 的测试结果误差非常的大。
此外，大多商用高压差分探头带宽不到 300 MHz，不能满足测试需求。随着电源工作频率的不断提高，工程师已经开始采用高频功率开关和整流器技术。为观察如此快速的信号变化，通常需要足够带宽的测量系统。根据前面的介绍，带宽要足够不仅是示波器的带宽要足够，探头的带宽也要足够。但遗憾的是，大多数商用的电压差分探头无法在这么高的频率下工作。
- 应用场景不同：普通探头通常在低频和接地测量中更为普遍，适用于大多数一般性测量应用，其内阻一般在几兆欧姆到几十兆欧姆。而差分探头通常用于高频电路和信号处理，以及需要高精度测量的场合，高压差分探头的内阻可达数百兆欧姆以上。当电压较大时，普通探头经过 10 倍衰减后仍可能超过示波器的输入电压，此时需要使用高压差分探头将大电压进行 100 倍或 1000 倍衰减后再输入到示波器。
- 测量方式不同：普通探头采用单通道测量方式，通过一个探头前端和一条引线连接到示波器的输入通道进行测量，适用于单端信号的测量。差分探头采用双通道测量方式，一个通道连接到待测信号的高端，另一个通道连接到低端，通过计算这两个点的电压差来获取差分信号的信息。这种方式能够有效消除共模噪声和干扰信号，提高测量的准确性和可靠性。
- 性能特点不同：普通探头在低频和接地测量中表现更为出色，但在复杂信号和高频信号测量中可能存在局限性。差分探头具有较高的抗干扰能力和时序定位精度，能够有效抑制电磁干扰（EMI），并且具有较高的共模抑制比（CMRR），适合测量微弱信号或复杂信号。当外界存在噪声干扰时，差分探头两根差分走线之间的耦合很好，噪声几乎会同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，因此外界的共模噪声可以被很大程度地抵消。
差分探头主要针对浮地系统的测量。它可将任意两点的浮接信号转换成对地的信号，以供应示波器、电表或计算机使用。许多电路，尤其是电机电路，含有直流偏置或交流偏置，甚至完全没有对地回路。此时，如果贸然使用示波器直接测量，可能会导致触电、损坏示波器或引发火灾，在这种情况下，使用差分探头是选择。
