为什么同相比例放大器对共模抑制比的要求会比较高?今天针对共模抑制比展开以下仿真思考。
网上的结论:没有虚地,那同相输入端和反相输入端那里的电压就不是gnd了,而是Ui,那就对共模抑制比有要求;要是反相放大器,同相输入端接地然后反相输入端也虚地,此时同相输入端和反相输入端电位都是 gnd那自然抗共模能力也就强一些。
到底共模抑制比会怎么影响同相比例放大器?那么就跟着仿真走一走吧。
共模抑制比的定义节选自《你好,放大器》:
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可以肯定的是同相比例放大器和反相比例放大器对于共模抑制比这个参数的要求是不一样的。
为了验证反相比例放大器对CMRR这参数的要求,搭建了如下电路。还是采用了理想运放,为防止偏置电流和失调电压对运放产生额外的影响,所以将这几项均设为0,且为了突出共模抑制比的影响,将共模抑制比调到20db(对共模信号抑制10倍,比较低)运放的放大倍数设为10倍(-R1/R2),输入信号幅值为1khz,幅值为1V的正弦波。
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可以看到输出结果如预想一般,输出为1khz,幅值为10V(放大了10倍)的正弦波,可以看出反向比例放大器对CMRR变小并不是很care。因为反向比例放大器的同相输入端是接到GND的(或者接到基准电压Vref,不过实质是一样的,运算放大器对频率低的共模分量具有极高的共模抑制比),所以说反向比例放大器的反相输入端也是具有“虚地”这个性质的,所以说共模电压基本为0V,也就可以保证反向比例放大器对共模抑制比这个参数要求不是那么苛刻。如下图所示:
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仿真分析-同相比例放大器

那么同样的放大倍数,运放的CMRR参数设为相同(20db)的同相比例放大器又如何呢?同相比例放大器公式为1+R9/R10,所以配置也是10倍放大

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可以看到,信号并没有放大10倍,而是放大倍数减小了?!因为对于同相比例放大器来说,同相输入端和反相输入端的电压都等于输入信号的电压,而这个也正是共模电压。如果运放的共模抑制比小的话,抑制不住这个共模分量,那么这个共模分量会直接影响运放的输出。
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为了验证是否是共模抑制比产生的影响,所以将共模抑制比改为100db,继续仿真,可以看到输出信号的放大倍数变为了设定的10倍,也就是幅值为10V的正弦波,所以可以肯定就是共模抑制比太小导致了同相比例放大器的输出异常,这一点也说明同相比例放大器对于CMRR这个参数的要求更高
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然后我也搜索了一下ADI的参考文档(MT-042运算放大器共模抑制比(CMRR)),感觉里面可能有些地方是不对的,也和大家一起探讨一下

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首先是上图的CMRR对于同相比例放大器的输出影响,这个根据仿真,是可以看到输出不会变大,而是变小,所以这个公式可能是不正确的。
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其次是上图这个计算CMRR的公式,感觉也是对不上的,这个公式感觉也是有问题的,怎么算都对不上。然后我翻阅了一下《你好,放大器》,里面测试的图和ADI技术文档里是一样的,但是计算公式不同(仿真验证你好放大器里的公式是对的)
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然后我也翻阅了一下芯海关于运放的仿真文档,里面对于CMRR的仿真是这样的,这个也基本和《你好,放大器》里的公式是一样的,包括测试方法也是一致的:
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对于这种测试方法,我也进行了验证(电阻公差为0%,完全理想的电阻,不用担心电阻带来的共模抑制比误差)。仿真了一下OPA233的共模抑制比(测试条件和数据手册一样VSS=5V,CL和RL=0),下图是仿真结果和数据手册的对比,可以看到仿真结果和数据手册是几乎一致的
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我们也可以根据上图看出,其实随着频率的增高,运算放大器的共模抑制比是随之下降的。那么在输入信号频率频率比较高的时候,对于同相比例放大器来说,可能共模抑制比就会成为影响输出精度的参数之一(共模抑制比低),如下图截自TI论坛:
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