提高運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）

目前我們在使用運放的過程中都是把運放當成理想運放來使用，但實際運放不可能是理想的，尤其在采樣電路電路這種比較敏感且要求比較高的場合，關注運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生的噪聲，即共態噪聲，是與信號一同拾取并放大的，所以我們需要重點關注共模抑制比這個參數。

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是產生特定輸出所需輸入的共模電壓與產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Aud越大，共模信號電壓放大倍數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，放大器的性能越好。當差動放大電路完全對稱時，共模信號電壓放大倍數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 運放IC自身的CMRR引起的誤差

為了區別差動放大電路與運算放大器IC自身的CMRR，這里，差動放大電路的CMRR表示為kcmr，運算放大器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為運放自身的CMRR；A為運放的開環增益，β為反饋系數，

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，由運算放大器IC構成的差動放大電路的CMRR(kcmr)，與運算放大器IC自身的CMRR(kcmra)相等。另外，kcmra的頻率特性一般在運放的規格書不會給出，這種特性類似于開環增益的頻率特性，頻率越高，kcmra越低。在實際選用時，需要根據規格書中給出的CMRR的頻率特性來選用滿足要求的運算放大器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 優化CMRR特性電路結構圖

由于是差動放大電路對于共模輸入VICM，因此變為V0=0V，下述關系式成立：

所以，要求兩個差分輸入端的阻抗盡量達到匹配才能使得運放的共模抑制比實現最大化，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，來優化電路結構。

CX：除去差模信號的高頻干擾；

CY：除去共態噪聲；

RS：濾波器用串聯電阻；

RY：確定輸入端的直流電位。

2 PCB布線原則

我們在進行采樣電路PCB走線設計時，需要嚴格按照差分走線規則，依據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”的基本原則進行排布。差分信號和普通的單端信號走線相比，最明顯的優勢體現在以下三個方面：

差分信號的第一個好處是，因為在控制基準電壓，所以能夠很容易地識別小信號。在一個地做基準，單端信號方案的系統里，測量信號的精確值依賴系統內“地”的一致性。信號源和信號接收器距離越遠，他們局部“地”的電壓值之間有差異的可能性就越大，從差分信號恢復的信號值在很大程度上與“地”的精確值無關。

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體上出現的任何同樣干擾。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，能夠從容精確地處理雙極信號。為了處理單端，單電源系統的雙極信號，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極信號。然后，必須把虛地正確地分布到整個系統里。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定性。

以上內容闡述了提升運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算放大器在實際使用過程中對共模干擾的抑制能力。

3 結束語

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

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