1200字徹底掌握運(yùn)算放大器電路的關(guān)鍵參數(shù)選型計算：共模抑制比 CMRR

Part 01

前言

運(yùn)放的共模抑制比 (CMRR) 是一個重要參數(shù)，它表示運(yùn)放抑制共模信號對運(yùn)放輸出影響的能力。理想的運(yùn)算放大器應(yīng)具有無限大的CMRR，也就是說當(dāng)運(yùn)放的兩個輸入具有相同的電壓時，則放大器的輸出應(yīng)該為零，但是事實上，由于運(yùn)放的差分輸入級中晶體管參數(shù)的不匹配，導(dǎo)致當(dāng)運(yùn)放的兩個輸入具有相同的電壓時，在運(yùn)放的差分輸入級中也會產(chǎn)生偏移電壓，經(jīng)過電路放大以后，會在運(yùn)放輸出端產(chǎn)生較大的輸出偏移電壓。

Part 02

共模抑制比的定義

關(guān)于共模抑制比的定義，我們經(jīng)常會看到兩種不同的定義方式，第一種是下面的定義，其中Ad是運(yùn)放的差模輸入電壓增益，Ac是運(yùn)放的共模輸入電壓增益。運(yùn)算放大器對+輸入端和-輸入端的電壓差進(jìn)行放大，但實際運(yùn)算放大器中由于共模輸入電壓的變化，運(yùn)放輸入級電路的直流工作點會發(fā)生發(fā)生變化，因此差模電壓增益和共模電壓增益會發(fā)生變化。理想運(yùn)放的共模增益為0，差模增益為無窮大，但是實際的運(yùn)放差模增益是有限的，共模增益由于上面的原因也不為0，為了表征運(yùn)放共模增益的大小，所以就有了CMRR的概念，它表示的就是運(yùn)放對共模信號抑制能力的大小，Ac越小，Ad越大，CMRR也就越大。

從上面第一種對于CMRR的定義，我們可以理解CMRR存在的意義是什么，從實用性的角度來說下面這種定義方式將可以讓我們方便的定量計算CMRR對于輸出偏移電壓的計算：

這個公式是如何推理得到的呢？

1.運(yùn)放的輸出電壓Vout可以通過以下公式計算：

2.基于CMRR=Ad/Ac，帶入上面的式子就能得到：

3.整合一下上面的式子可以得到：

這樣就能得到輸入共模電壓在運(yùn)放輸入端以及輸出端產(chǎn)生的偏移電壓：

輸入端：偏移電壓=Vcm/CMRR

輸出端：偏移電壓=Ad*Vcm/CMRR

通過上面的推導(dǎo)可以看出較高的CMRR會顯著降低共模信號對輸出的干擾。

比如運(yùn)放的共模輸入電壓為20V，CMRR為100dB，運(yùn)放電路放大倍數(shù)為100，那么在運(yùn)放輸入端的偏移電壓為：

100dB=20*log(Ac) ->Ac=10^5

輸入端偏移電壓=20V/10^5=0.2mV

輸出端偏移電壓=0.2mV*100=20mV

所以雖然共模電壓在運(yùn)放輸入端引起的偏移電壓不大，但是經(jīng)過徑路放大之后可就不小了。

Part 03

如何得到運(yùn)放電路的共模抑制比

1.規(guī)格書查閱，比如下圖中運(yùn)放的共模抑制比最小為80dB。

2.需要注意的是運(yùn)放的共模抑制比會受到輸入信號頻率的影響，比如下面是運(yùn)放規(guī)格書中給出的CMRR-頻率曲線，頻率越高，CMRR越小。

簡單說一下運(yùn)放的CMRR為什么會受到輸入信號頻率的影響，下圖是運(yùn)放輸入級的拓?fù)潆娐罚绻隳芟肫?a href="http://srfitnesspt.com/analog/" target="_blank">模擬電路課本里的知識，Re電阻的作用就是降低輸入級兩個晶體管不對稱（參數(shù)有差異）的影響，所以Re越大越好，但是畢竟是電阻做不到非常大，所以一般是用恒流源來替代Re，因為恒流源來替代（恒流源的高輸出阻抗使得恒流源能夠在負(fù)載變化時維持穩(wěn)定的輸出電流），但是恒流源的缺點就是運(yùn)放中的拖尾恒流源存在寄生電容，進(jìn)而導(dǎo)致頻率會影響恒流源等效阻抗的大小。

Part 04

留個問題

是不是在規(guī)格書中看到的運(yùn)放的共模抑制比就是運(yùn)放電路的實際共模抑制比呢？共模抑制比還受到哪些不可忽視的關(guān)鍵因素的影響呢？知道答案的可以在留言區(qū)回復(fù)哈，下一篇文章我們會詳細(xì)說明。