TI Amplifier 放大器专家设计经验之 CMRR

1万 · 2017-7-11 17:43

TI 的应用文档: 放大器的共模抑制（CMRR）介绍.

1万 · 2017-7-11 17:47

我经常会想到共模抑制（CMRR），甚至在工作之余也会！我是一个狂热的高校橄榄球迷。当我周六在家看比赛时，我经常被我妻子或女儿的说话声打断，要求我做各种其他事情，如家务。我想尽办法来拒绝这种噪音，只专注于重要的信号...比赛。信号通过量及中断我看比赛的程度类似于放大器CMRR。

在真正谈论CMRR之前，必须先谈论共模电压。对于非反相配置的放大器，输入信号是共模信号。反相配置始终具有与输入信号无关的固定共模电压。放大器共模电压范围取决于设计，且用户需要确保其处于指定的工作范围内。

图1：显示反相和同相运放配置的共模电压

那么什么是CMRR？技术定义是差分增益与共模增益的比率，但这不能告诉我们过多的实际应用。共模输入电压影响输入差分对的偏置点。由于输入电路中固有的不匹配，改变偏置点会改变输入失调电压（VOS），从而改变输出电压。换句话说，当您更改共模电压时，您将看到输入失调电压的变化。CMRR告诉您这种变化会有多大。

通过改变共模电压和测量偏移电压的变化来测量CMRR。图2所示为从改变共模电压看到的附加输入偏移电压的简单表示。还存在与改变电源电压和诸如温度和电磁干扰的其它外部因素相关的偏移误差。

图2：CMRR引起的偏移误差

CMRR以分贝表示，但出于实际目的，其被转换为微伏/伏特。下列等式显示了如何计算在应用程序中观察到的错误量。共模和输入失调电压的变化相对于数据表中指定的标称值，通常为中间电源。

CMRR也随频率降低，因此您看到的误差将取决于共模信号的频率。图3所示为3个典型放大器（OPA171，UA741和OPA188）的CMRR与频率曲线的示例。

图3：三个运放的 CMRR VS 频率

这对您的应用程序意味着什么？这取决于您如何使用放大器。有关快速示例，请参见下图4。如您所见，放大器的CMRR取决于相关频率，并将导致偏移电压变化，这可能对您尝试参考的信号有很大影响。

图4：CMRR错误示例

1万 · 2017-7-11 17:49

若您是运算放大器，您可能从未想过接纳仪表放大器（INA）。这是因为在关键应用中，如电流感应和传感器信号调理，INA的功能更强大、性能更佳。INA也无需太多的外部援助，他们不会开环运行。但是，与运算放大器相比，它们并非具有多功能，通常更昂贵，所以不要放弃希望。

INA的一个关键功能是在存在大的共模电压和直流电位的情况下调节小差分信号。INA的设计旨在抑制共模电压（VCM），只能增益或调节差分电压（VDIFF）。通过共模电压传递给输出的误差由共模抑制比（CMRR）规范确定。图1定义了INA的共模电压，并显示了改变共模电压可能导致的参考输入误差电压。

图1：INA的共模电压的表示

INA是输入上具有高阻抗缓冲器的差分或减法器放大器的本质派生产品。因此当我们谈论INA的时候，最好从差分放大器开始。如图2所示，差分放大器应仅放大差模信号，并抑制共模信号。对于带有完美平衡电阻的理想放大器，这果真如此。实际应用不仅要考虑放大器的共模抑制，还要考虑与电阻不匹配的误差。

图2：差分放大器

电阻匹配非常重要。在上图中，R2与R1的匹配是差分放大器的CMRR的主要因素。下表所示为不同公差电阻的差分放大器的潜在最坏情况CMRR。激光微调单片差分放大器和INA，如INA149和INA826，实现了大于0.01%的匹配度。若您像我一样热衷于数据，并且想要考虑电阻值和公差，以查看对CMRR的影响，请参阅此链接中的电子表格。