放年夜器共模按捺比参数评估与电路共模按捺能力实例阐发 -

许多硬件工程师会将放大器的共模抑制比视为最难掌握的直流参数，首先因为定义所涉及的因子容易产生混淆；其次，掌握了共模抑制比的定义，按其字面理解难以在设计中直接使用；最后，掌握了放大器的共模抑制比参数的评估方法，不代表可以在应用电路对共模信号实现有效抑制。本篇解析放大器共模抑制比参数定义与其影响的评估方法，以及结合一个实际案例讨论影响电路共模抑制的因素

在讨论共模抑制比之前，先认识两个专有名词，差模增益Ad、共模增益Ac。

如图2.42（a），差模增益定义为加载于两个输入端之间的信号所获得的增益,如式2-24。

其中，Vd为差模输入信号，它可以等效为图2.42（b）。

如图2.42(c)，共模增益定义为同时加载于两个输入端信号所获得的增益，如式2-25。

图2.42差模输入与共模输入信号增益示意图

放大器的差模增益是电路所需要的增益，而共模增益将放大直流噪声。共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio，CMRR），定义为差模增益与共模增益的比值，如式2-26。

通常Ad值很大，而Ac值趋近于零，所以CMRR很大，数据手册中通常使用dB为单位，计算方式如式2-27。

从应用的角度，共模抑制比可看作输入共模电压变化引起输入直流误差，如式2-28。

式中，Vcm为输入共模电压，Ver_CMRR为共模电压所引起的输入直流误差。

老一代精密放大器的共模抑制比通常在70dB至120dB左右，新一代精密放大器的共模抑制比性能大幅提升。如图2.43所示,OP07在25℃环境中，供电电压为±15V，共模电压为±13V时，共模抑制比最小值为100dB，典型值为120dB;而ADA4077在同等工作环境和工作电压下，共模电压为-13.8V至13.8V时，共模抑制比最小值为132dB，典型值为150dB。

图2.43 ADA4077与OP07共模抑制比性能

如图2.44，在相同电路中对比OP07、ADA4077共模抑制比的性能，假定电阻完全匹配（R1=R3,R2=R4）,共模电压为10V。

图2.44 0P07与ADA4077差分放大电路图

使用OP07共模抑制比的典型值120dB代入式2-28，共模电压在输入端将产生的输入直流误差为10μV。

而使用ADA4077共模抑制比的典型值150dB代入式2-28,共模电压在输入端将产生的输入值误差为0.316μV。

由此可见，在该差分电路中，使用ADA4077替换OP07，由放大器共模抑制比限制所产生的直流误差明显改善。

上述分析通常适合在选型阶段评估放大器共模抑制比是否符合要求，在实际设计中，放大器共模抑制比参数不等于电路共模抑制比，而电路的共模抑制是更为关注的设计要点。

2017年10月中旬，笔者接到一位异地项目负责人的特急求助电话，其研发的设备在核心客户试用中出现异常，将影响核心客户产品的生产品质，已经收到限期整改通知。电路如图2.45，工程师使用2片ADA4522-2组建差动电路，第一级电路U8A、U8B实现差动电路的输入缓冲器功能，第二级电路U5A实现差动信号放大电路，其中，R6、R7阻值为30KΩ，误差为1%,R5、R74阻值为3KΩ，误差为1%，电路预期的增益设计为10倍。

图2.45 ADA4522-2组建差分电路

核心客户在25℃恒温环境下使用设备，测试点TP76、TP77对地的共模电压为7V，在TP76、TP77之间输入26.5mV差模信号时，电路输出（U5A 1脚）为259mV,接近电路预期设计，但是当TP76、TP77输入差模信号为1mV时，电路输出（U5A 1脚）只有5mV,误差过大。

笔者即时给出电路分级测量定位故障的方法，而项目负责人当时不能完全理解逐级测试原理。坚持认为电路只有放大器和电阻，并且电阻的误差为1%，电路在处理1mV的差分信号误差达到50%，笃定是ADA4522芯片出现问题，没有使用推荐测试方法。所以次日凌晨笔者邮件回复电路分析过程。

如图2.46，ADA4522-2 是零偏型放大器，在25℃环境中，供电电源为30V时，失调电压最大值为5μV,相比于1mV的电压影响可以忽略，输入偏置电流最大值为150pA, 输入失调电流最大值为300pA，与输入侧电阻作用所产生的失调电压也可以忽略。

图2.46 ADA4522失调电压与偏置电流规格

其次，根据图2.45推导电路的传递函数，如图2.47。如步骤三，关于项目负责人认为电路增益为R7与R74比值，建立条件为R5与R74，R6与R7完全一致。

图2.47第二级差动电路传函推导

那么这四个匹配电阻使用1%误差的器件，所导致电路的误差还会是1%吗？

最后，通过Excel生成简化之前的电路传递函数，模拟测试点输入TP79输入7V，TP80输入7.001V，R5、R74保持为理想电阻，分组调整R6、R7的误差，计算差分电路标准传递函数的输出值（Vo1）,与计算差分电路化简之后传递函数的输出值（Vo2），如图2.48。

图2.48计算差动电路匹配电阻误差产生的影响

结论如下：

（1）R6、R7 使用理想电阻，Vo1与Vo2相同。

（2）R6、R7 调整为1%误差电阻时，Vo1为0.136V ,Vo2为0.0099V二者差异巨大。

（3）R6、R7调整为0.1%误差电阻时，Vo1为0.0227V ,Vo2为0.00999V二者仍存在明显差异。

（4）R6、R7调整为0.01%误差电阻时（LT5400A为例），Vo1为0.01127V ,Vo2为0.009999V，二者误差为11%。

（5）R6、R7 调整为0.0025%误差的精密电阻时（LT5400B为例），Vo1为0.01031797V,Vo2为0.00999975V，二者误差为3%。

后续，项目负责人在原机型中，使用LT5400精密电阻替代原误差为1%的电阻R5、R74、R6、R7，整改设备顺利完成核心客户的测试验收。

导致该故障的根本原因是由于差动电路的匹配电阻失配，使得整个电路对共模信号的抑制比远低于预期。电路共模抑制比的影响因素一部分来源于放大器内部（共模抑制比参数），另一部分来源于应用电路，例如差动电路的匹配电阻、信号源内阻。尤其是后者往往不被工程师所重视。

作者：郑荟民

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