提高運(yùn)算放大器共模抑制能力的分析

畢磊（珠海格力電氣股份有限公司 廣東珠海 519070）

目前我們在使用運(yùn)放的過程中都是把運(yùn)放當(dāng)成理想運(yùn)放來使用，但實際運(yùn)放不可能是理想的，尤其在采樣電路電路這種比較敏感且要求比較高的場合，關(guān)注運(yùn)放的共模干擾抑制能力尤為重要。如果一個采樣電路沒有充分考慮運(yùn)放的共模抑制能力，那么將會帶來致命的后果，下面將針對影響運(yùn)放共模抑制比的三個因素以及采樣電路PCB Layout的注意事項展開討論。

1 影響共模抑制比的三個因素

對于放大器來說，信號源的地與放大器的地之間產(chǎn)生的噪聲，即共態(tài)噪聲，是與信號一同拾取并放大的，所以我們需要重點關(guān)注共模抑制比這個參數(shù)。

共模抑制比CMRR是指差分放大器對同時加到兩個輸入端上的共模信號的抑制能力。更確切地說，CMRR是產(chǎn)生特定輸出所需輸入的共模電壓與產(chǎn)生同樣輸出所需輸入的差分電壓的比值。

差模信號電壓放大倍數(shù)Aud越大，共模信號電壓放大倍數(shù)Aud越小，則kcmr越大。此時差分放大電路抑制共模信號的能力越強(qiáng)，放大器的性能越好。當(dāng)差動放大電路完全對稱時，共模信號電壓放大倍數(shù)Aud=0，則共模抑制比這是理想情況，實際上電路完全對稱是不存在的，共模抑制比也不可能趨于無窮大。電路對稱性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信號（干擾）的能力也就越差。

為了獲取更高的CMRR，需要知道影響放大電路CMRR的因素，主要有以下三點：

1.1 運(yùn)放IC自身的CMRR引起的誤差

為了區(qū)別差動放大電路與運(yùn)算放大器IC自身的CMRR，這里，差動放大電路的CMRR表示為kcmr，運(yùn)算放大器IC自身的共模信號抑制比表示為kcmra。若在圖1中運(yùn)算放大器IC的輸入端加上共模信號Vin2a，則輸入換算誤差電壓Vicm為：

圖1 輸入換算誤差電壓示意圖

圖2 輸入端電阻精度對CMRR的影響

圖3 差模輸入阻抗示意圖

式中，kcmra為運(yùn)放自身的CMRR；A為運(yùn)放的開環(huán)增益，β為反饋系數(shù)，

這樣，可以求出作為差動放大電路CMRR的kcmr為：

沒有其他誤差時，由運(yùn)算放大器IC構(gòu)成的差動放大電路的CMRR(kcmr)，與運(yùn)算放大器IC自身的CMRR(kcmra)相等。另外，kcmra的頻率特性一般在運(yùn)放的規(guī)格書不會給出，這種特性類似于開環(huán)增益的頻率特性，頻率越高，kcmra越低。在實際選用時，需要根據(jù)規(guī)格書中給出的CMRR的頻率特性來選用滿足要求的運(yùn)算放大器IC。

1.2 使用電阻引起的誤差

圖2使用誤差為±ε電阻的差動放大電路，求出這個放大電路的CMRR，首先，根據(jù)圖2所列出的計算式有：

因此：

由公式（11）可知，GD較大而ε較小時CMRR變大。例如，使用誤差為±1%（ε=0.01）的電阻，若構(gòu)成GD為100倍（40dB）的差動放大電路，則CMRR最小值kcmr(min)為：

所以我們在配置輸入端電阻時，需要充分考慮電阻的精度。當(dāng)然，電阻精度越高，CMRR誤差將會越小。

1.3 信號源阻抗引起的誤差

在圖3中，差動放大電路的差模輸入阻抗對于反相輸入端為R1，對于同相輸入端為R3+R4，兩者有較大不同。然而，由圖4可知，共模輸入阻抗對于反相輸入端為R1+R2，同相輸入端為R3+R4，兩者相等，即R1+R2=R3+R4，共模信號輸入時輸出電壓為0V。

差動放大電路的CMRR非常重要，因此，反相與同相輸入端的共模輸入阻抗有必要緊密聯(lián)系在一起。為此，不僅要考慮差動放大電路中使用的電阻，還必須考慮信號源的輸出阻抗。

如圖5所示，若信號源有不能忽略的不平衡阻抗，則差動放大電路的CMRR降低較大，差模增益也相應(yīng)降低。

圖4 共模輸入阻抗示意圖

圖5 等效不平衡阻抗對CMRR的影響

圖6 優(yōu)化CMRR特性電路結(jié)構(gòu)圖

由于是差動放大電路對于共模輸入VICM，因此變?yōu)閂0=0V，下述關(guān)系式成立：

所以，要求兩個差分輸入端的阻抗盡量達(dá)到匹配才能使得運(yùn)放的共模抑制比實現(xiàn)最大化，這也說明了為什么我們要求差分輸入端的PCB走線要并行排布且保證長度盡量一致的原因。

另外，為了改善差分放大電路在高頻時CMRR的特性，可以按照圖6中的接法，來優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)。

CX：除去差模信號的高頻干擾；

CY：除去共態(tài)噪聲；

RS：濾波器用串聯(lián)電阻；

RY：確定輸入端的直流電位。

2 PCB布線原則

我們在進(jìn)行采樣電路PCB走線設(shè)計時，需要嚴(yán)格按照差分走線規(guī)則，依據(jù)上面提到的輸入信號阻抗影響共模抑制比的理論可知，差分走線需要按照“等長、等距”的基本原則進(jìn)行排布。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)在以下三個方面：

差分信號的第一個好處是，因為在控制基準(zhǔn)電壓，所以能夠很容易地識別小信號。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)，他們局部“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)。

差分信號的第二個主要好處是，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。

差分信號提供的第三個好處是，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。然后，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，這就使得處理和傳播雙極信號有一個高真度，而無須依賴虛地的穩(wěn)定性。

以上內(nèi)容闡述了提升運(yùn)算放大器共模抑制比的幾個方法，通過以上方法可以有效提升運(yùn)算放大器在實際使用過程中對共模干擾的抑制能力。

3 結(jié)束語

本文提出了提高運(yùn)算放大器抑制共模干擾能力的原理及方法，經(jīng)過實際硬件電路設(shè)計可知，此分析合理、有效。

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