许多硬件工程师会将放大器的共模抑制比视为最难掌握的直流参数,首先因为定义所涉及的因子容易产生混淆;其次,掌握了共模抑制比的定义,按其字面理解难以在设计中直接使用;最后,掌握了放大器的共模抑制比参数的评估方法,不代表可以在应用电路对共模信号实现有效抑制。本篇解析放大器共模抑制比参数定义与其影响的评估方法,以及结合一个实际案例讨论影响电路共模抑制的因素。
在讨论共模抑制比之前,先认识两个专有名词,差模增益Ad、共模增益Ac。
如图2．42(a),差模增益定义为加载于两个输入端之间的信号所获得的增益,如式2-24。
其中,Vd为差模输入信号,它可以等效为图2．42(b)。
如图2．42(c),共模增益定义为同时加载于两个输入端信号所获得的增益,如式2-25。
图2．42差模输入与共模输入信号增益示意图
放大器的差模增益是电路所需要的增益,而共模增益将放大直流噪声。共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio,CMRR),定义为差模增益与共模增益的比值,如式2-26。
通常Ad值很大,而Ac值趋近于零,所以CMRR很大,数据手册中通常使用dB为单位,计算方式如式2-27。
从应用的角度,共模抑制比可看作输入共模电压变化引起输入直流误差,如式2-28。
式中,Vcm为输入共模电压,Ver_CMRR为共模电压所引起的输入直流误差。
老一代精密放大器的共模抑制比通常在70dB至120dB左右,新一代精密放大器的共模抑制比性能大幅提升。如图2．43所示,OP07在25℃环境中,供电电压为±15V,共模电压为±13V时,共模抑制比最小值为100dB,典型值为120dB;而ADA4077在同等工作环境和工作电压下,共模电压为-13．8V至13．8V时,共模抑制比最小值为132dB,典型值为150dB。
图2．43 ADA4077与OP07共模抑制比性能
如图2．44,在相同电路中对比OP07、ADA4077共模抑制比的性能,假定电阻完全匹配(R1=R3,R2=R4),共模电压为10V。
图2．44 0P07与ADA4077差分放大电路图
使用OP07共模抑制比的典型值120dB代入式2-28,共模电压在输入端将产生的输入直流误差为10μV。
而使用ADA4077共模抑制比的典型值150dB代入式2-28,共模电压在输入端将产生的输入值误差为0．316μV。
由此可见,在该差分电路中,使用ADA4077替换OP07,由放大器共模抑制比限制所产生的直流误差明显改善。
上述分析通常适合在选型阶段评估放大器共模抑制比是否符合要求,在实际设计中,放大器共模抑制比参数不等于电路共模抑制比,而电路的共模抑制是更为关注的设计要点。
2017年10月中旬,笔者接到一位异地项目负责人的特急求助电话,其研发的设备在核心客户试用中出现异常,将影响核心客户产品的生产品质,已经收到限期整改通知。电路如图2．45,工程师使用2片ADA4522-2组建差动电路,第一级电路U8A、U8B实现差动电路的输入缓冲器功能,第二级电路U5A实现差动信号放大电路,其中,R6、R7阻值为30KΩ,误差为1%,R5、R74阻值为3KΩ,误差为1%,电路预期的增益设计为10倍。
图2．45 ADA4522-2组建差分电路
核心客户在25℃恒温环境下使用设备,测试点TP76、TP77对地的共模电压为7V,在TP76、TP77之间输入26．5mV差模信号时,电路输出(U5A 1脚)为259mV,接近电路预期设计,但是当TP76、TP77输入差模信号为1mV时,电路输出(U5A 1脚)只有5mV,误差过大。
笔者即时给出电路分级测量定位故障的方法,而项目负责人当时不能完全理解逐级测试原理。坚持认为电路只有放大器和电阻,并且电阻的误差为1%,电路在处理1mV的差分信号误差达到50%,笃定是ADA4522芯片出现问题,没有使用推荐测试方法。所以次日凌晨笔者邮件回复电路分析过程。
如图2．46,ADA4522-2 是零偏型放大器,在25℃环境中,供电电源为30V时,失调电压最大值为5μV,相比于1mV的电压影响可以忽略,输入偏置电流最大值为150pA, 输入失调电流最大值为300pA,与输入侧电阻作用所产生的失调电压也可以忽略。
图2．46 ADA4522失调电压与偏置电流规格
其次,根据图2．45推导电路的传递函数,如图2．47。如步骤三,关于项目负责人认为电路增益为R7与R74比值,建立条件为R5与R74,R6与R7完全一致。
图2．47第二级差动电路传函推导
那么这四个匹配电阻使用1%误差的器件,所导致电路的误差还会是1%吗?
最后,通过Excel生成简化之前的电路传递函数,模拟测试点输入TP79输入7V,TP80输入7．001V,R5、R74保持为理想电阻,分组调整R6、R7的误差,计算差分电路标准传递函数的输出值(Vo1),与计算差分电路化简之后传递函数的输出值(Vo2),如图2．48。
图2．48计算差动电路匹配电阻误差产生的影响
结论如下:
(1)R6、R7 使用理想电阻,Vo1与Vo2相同。
(2)R6、R7 调整为1%误差电阻时,Vo1为0．136V ,Vo2为0．0099V二者差异巨大。
(3)R6、R7调整为0．1%误差电阻时,Vo1为0．0227V ,Vo2为0．00999V二者仍存在明显差异。
(4)R6、R7调整为0．01%误差电阻时(LT5400A为例),Vo1为0．01127V ,Vo2为0．009999V,二者误差为11%。
(5)R6、R7 调整为0．0025%误差的精密电阻时(LT5400B为例),Vo1为0．01031797V,Vo2为0．00999975V,二者误差为3%。
后续,项目负责人在原机型中,使用LT5400精密电阻替代原误差为1%的电阻R5、R74、R6、R7,整改设备顺利完成核心客户的测试验收。
导致该故障的根本原因是由于差动电路的匹配电阻失配,使得整个电路对共模信号的抑制比远低于预期。电路共模抑制比的影响因素一部分来源于放大器内部(共模抑制比参数),另一部分来源于应用电路,例如差动电路的匹配电阻、信号源内阻。尤其是后者往往不被工程师所重视。
