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為什么輸出端共模信號的影響大于CMRR規(guī)格值?

發(fā)布時(shí)間:2021-06-04 來源:Gustavo Castro 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】與差分輸入電路打交道時(shí),共模抑制比(CMRR)是基本概念,但常常被誤解。使用儀表放大器時(shí),關(guān)于電路中共模信號的影響,遇到不正確的期望并不罕見。
 
問題:
 
為什么輸出端共模信號的影響大于CMRR規(guī)格值?
 
答案:
 
與差分輸入電路打交道時(shí),共模抑制比(CMRR)是基本概念,但常常被誤解。使用儀表放大器時(shí),關(guān)于電路中共模信號的影響,遇到不正確的期望并不罕見。
 
例如,儀表放大器的一項(xiàng)常用CMRR測試是將同一信號施加于兩個(gè)輸入端,然后測量輸出。圖1所示為 AD8422B的測試電路示例(配置為10 V/V的增益)。第二放大器 AD8428以增益2000工作,將被測器件產(chǎn)生的小誤差放大,從而更容易利用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備(如示波器)測量。1
 
為什么輸出端共模信號的影響大于CMRR規(guī)格值?
圖1.CMRR測試電路
 
在這種設(shè)置下,對于輸入端的2 V共模變化,可以觀察到輸出改變40 mV,相當(dāng)于AD8422B輸出端改變20 µV。這一點(diǎn)也不差,但有人可能會(huì)爭辯說:10 µV/V對應(yīng)于100 dB的抑制,但數(shù)據(jù)手冊保證至少114 dB的CMRR!難道是器件有缺陷?CMRR去了哪里?
 
如果您讀過非常見問題解答"鉆石圖",您應(yīng)當(dāng)記得必須驗(yàn)證的第一個(gè)條件是確認(rèn)測試是在放大器的共模范圍以內(nèi)進(jìn)行。利用新的 Diamond Plot tool on analog.com,不需要一分鐘便可完成驗(yàn)證!如果一切都很好,下一步便是檢查CMRR定義。
 
CMRR就是差分增益與共模增益之比。根據(jù)如下公式,其單位可以是V/V或dB:
 
為什么輸出端共模信號的影響大于CMRR規(guī)格值?
 
之前測量的10 µV/V相當(dāng)于–100 dB的共模增益,而不是CMRR。由于放大器增益設(shè)置為10 V/V(或20 dB),因此總CMRR為20 dB – (–100 dB) = 120 dB,大于器件的114 dB規(guī)格值。如果增益提高到100 V/V,CMRR會(huì)再提高20 dB,達(dá)到140 dB!不過,使用新增益并將相同的2 V信號施加于輸入端時(shí),AD8422輸出仍會(huì)改變10 µV。您可能要問,如何能說這更好呢?難道是我們在弄虛作假?
 
并非如此,CMRR的定義對每個(gè)人都是一樣的。保持這樣很重要,我們不會(huì)改變它。雖然不需要的共模信號會(huì)污染輸出,但它保持不變,與增益無關(guān)。不過,如果差分增益很大,此"污染"也會(huì)變小。換言之,若將共模誤差除以增益,再與輸入信號進(jìn)行比較,它將變得非常小。因此,輸出端的10 µV/V誤差相當(dāng)于10倍增益時(shí)的1 µV/V,100倍增益時(shí)的100 nV/V。當(dāng)測量小信號時(shí),這顯然是好事情,道理不言而喻。
 
注意:并非所有儀表放大器的CMRR都隨增益提高而提高,某些儀表放大器的CMRR在較大增益時(shí)會(huì)逐漸降低。換言之,假設(shè)一個(gè)儀表放大器的CMRR為120 dB,當(dāng)增益提高20 dB時(shí),CMRR可能僅提高到130 dB。我們把這種效應(yīng)稱為"CMRR壓縮"。然而,我們看到AD8422的CMRR提高到160 dB,沒有壓縮。朋友們,這樣的CMRR性能是非常稀有的。
 
為什么輸出端共模信號的影響大于CMRR規(guī)格值?
圖2.AD8422 CMRR與頻率的關(guān)系。
 
尾注
 
1請注意,噪聲和高增益(20,000)使該測量具有挑戰(zhàn)性。因此,需要對信號源進(jìn)行濾波,使其噪聲貢獻(xiàn)最小化。AD8428的濾波器引腳之間使用一個(gè)電容來降低測量帶寬。此外,必須采用適當(dāng)?shù)钠帘魏筒季€來避免拾取外部噪聲。
 
 
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