原標(biāo)題：放大器共模抑制比參數(shù)定義及影響電路共模抑制的因素分析

一、共模抑制比（CMRR）的定義

1. 基本概念

• 共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio, CMRR） 是衡量放大器抑制共模信號（即兩個輸入端同時出現(xiàn)的相同信號）能力的參數(shù)。

• 定義：CMRR是放大器差模增益（Ad）與共模增益（Acm）的比值，通常用分貝（dB）表示：

CMRR=20log10(∣Acm∣Ad)

• 物理意義：CMRR越高，放大器對共模信號的抑制能力越強，輸出信號中由共模干擾引起的誤差越小。

2. 共模信號與差模信號

• 差模信號：兩個輸入端的信號差異（Vid=V+?V?），是放大器需要放大的有效信號。

• 共模信號：兩個輸入端的信號相同（Vicm=2V++V?），通常是干擾或噪聲（如電源噪聲、環(huán)境干擾）。

二、CMRR對電路的影響

1. 信號完整性

• 高CMRR：輸出信號中由共模干擾引起的誤差較小，信號更純凈。

• 低CMRR：共模干擾可能被放大并疊加到輸出信號中，導(dǎo)致信號失真或噪聲增加。

2. 典型應(yīng)用場景

• 傳感器信號放大：如生物電信號（ECG、EEG）中，人體共模電壓（如50Hz工頻干擾）需被有效抑制。

• 精密測量：如應(yīng)變片、壓力傳感器等微弱信號檢測中，CMRR直接影響測量精度。

• 差分放大：在差分信號傳輸中，CMRR決定了對共模噪聲的抑制能力。

三、影響CMRR的關(guān)鍵因素

1. 放大器內(nèi)部因素

• 內(nèi)部電路（如電流鏡、負載電阻）的非對稱性會降低CMRR。

• 高性能運放（如儀表放大器）通過激光 trimming 或精密匹配技術(shù)提升CMRR（通常>100dB）。

• 在差分放大器中，反饋電阻和輸入電阻的匹配精度（如1%誤差可能使CMRR降至40dB）。

• 差分放大器的輸入級（如差分對晶體管）的匹配程度直接影響CMRR。

• 對稱性差會導(dǎo)致共模信號轉(zhuǎn)化為差模信號，降低CMRR。

• 對稱性：

• 電阻匹配：

• 運放設(shè)計：

2. 外部電路因素

• 電源紋波可能通過運放的電源引腳耦合到輸入端。

• 建議：使用低噪聲LDO或電源濾波電容。

• 接地不良或屏蔽不足會導(dǎo)致共模干擾耦合到輸入端。

• 建議：使用屏蔽電纜，并將屏蔽層單點接地。

• 輸入信號線靠近干擾源（如電源線）會引入共模噪聲。

• 建議：差分信號線應(yīng)等長、等寬、靠近，并遠離噪聲源。

• PCB布局：

• 接地與屏蔽：

• 電源噪聲：

3. 環(huán)境因素

• PCB彎曲或振動可能導(dǎo)致電阻值變化，影響CMRR。

• 建議：避免在關(guān)鍵電阻上施加機械應(yīng)力。

• 電阻、晶體管的參數(shù)隨溫度變化，導(dǎo)致CMRR下降。

• 建議：選擇溫度系數(shù)低的電阻（如金屬膜電阻）或進行溫度補償。

• 溫度變化：

• 機械應(yīng)力：

四、提升CMRR的方法

1. 選擇高CMRR的器件

• 儀表放大器：如INA128（CMRR>110dB）、AD620（CMRR>93dB）。

• 精密運放：如OPA2188（CMRR>130dB）、AD8421（CMRR>140dB）。

2. 優(yōu)化電路設(shè)計

• 差分信號傳輸：使用雙絞線或同軸電纜傳輸差分信號。

• 共模反饋（CMFB）：在運放內(nèi)部或外部引入共模反饋電路，動態(tài)調(diào)整共模輸出電壓。

• 電阻匹配：使用精密電阻網(wǎng)絡(luò)（如0.01%誤差）或激光 trimming 電阻。

3. 系統(tǒng)級優(yōu)化

• 屏蔽與接地：確保輸入信號屏蔽層單點接地，避免地環(huán)路。

• 電源濾波：在電源引腳附近加高頻濾波電容（如0.1μF陶瓷電容+10μF鉭電容）。

• 溫度控制：在精密測量中，將電路置于恒溫環(huán)境中。

五、CMRR的測試方法

1. 共模信號注入法

• 在放大器的兩個輸入端同時施加相同的共模信號（如正弦波），測量輸出信號中的共模分量。

• 公式：

2. 差分信號與共模信號分離法

• 使用信號發(fā)生器生成差模信號和共模信號的疊加，通過頻譜分析儀分離輸出信號中的差模和共模分量。

六、總結(jié)

1. CMRR的核心作用：

• CMRR是衡量放大器抑制共模干擾能力的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響信號的純凈度和測量精度。

2. 設(shè)計建議：

• 優(yōu)先選擇高CMRR的器件（如儀表放大器）。

• 優(yōu)化PCB布局和接地設(shè)計，減少共模干擾耦合。

• 使用精密電阻和溫度補償技術(shù)，提升電路穩(wěn)定性。

3. 典型應(yīng)用中的CMRR要求：

• 生物電信號采集：CMRR>100dB（抑制50Hz工頻干擾）。

• 精密測量：CMRR>120dB（抑制微弱共模噪聲）。

通過合理設(shè)計電路和選擇器件，可以顯著提升放大器的CMRR，從而在復(fù)雜環(huán)境中實現(xiàn)高精度的信號放大和處理。