在《放大器共模抑制比(CMRR)参数评估与电路共模抑制能力实例分析》文中,介绍使用共模抑制比的倒数,将共模信号折算到输入端评估所引起的误差,有工程师认为这种方式在输入共模信号为交流信号时的结果“不准确”。其实在共模信号为交流信号时,这种评估方法仍然实用,问题在于放大器的共模抑制比参数并非恒定不变,它随共模信号频率变化变化。本篇介绍共模抑制比随共模交流信号变化的原因,评估示例,并通过仿真增强理解。

如图2．49(a),P 沟道型放大器差分输入级电路。在于理想状态下,△RD、△gm 恒为零,所以Vout1、Vout2针对于输入共模信号Vin,cm的响应相同,使Vout1,Vout2之间差分输出为零。真实放大器的源极或漏极电阻,正向跨导均存在失配情况。因此在共模信号输入时,电路会在Vout1,Vout2产生一个差模电压△Vout。在电路工作过程中,△Vout将叠加到输出端影响输出信号的质量,如图2．49(b)。所以,每款放大器的数据手册中,共模抑制比都作为重要参数提供,以便工程师评估使用。

图2．49P沟道型放大器的差分输入级

图2．49中Rss作为放大器输入级的拖尾电路结构,用于降低输入级电路不对称度的影响。Rss阻值越大电路性能越好,但是电阻阻值不是无穷大,以及有小电流经它到地,所以使用恒流源电路代替Rss,如图2．50。由此提高拖尾电阻的阻值进而改善电路的不对称性能。但是拖尾恒流源存在寄生电容C1,随频率变化而变化,会引起恒流源电流的变化,降低差分输入端的共模抑制能力。

2．50 具有拖尾恒流源差分输入级的P沟道型放大器

在数据手册的电器参数表中会提供放大器直流共模抑制比,如图2．43,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 OP07直流共模抑制比

而详细共模抑制比参数与频率关系会在数据手册的典型性能参数图标中提供,如图2．51,ADA4077、OP07数据手册中共模抑制比随频率变化的关系,在10KHz频率处ADA4077的共模抑制保持在100dB,OP07的共模抑制比仅有73dB。

图2．51 ADA4077、OP07 共模抑制比随频率变化的关系

如图2．52,在同相放大电路中,输入信号幅值为1V,频率为10KHz,将会在10KHz将产生的一个误差电压Ver_CMRR,如果使用ADA4077,Ver_CMRR幅值为10μV,如果电路使用OP07,Ver_CMRR幅值为224μV,考虑电路的噪声增益,在输出端信号幅值分别为20μV,448μV。

图2．52 OP07与ADA4077同相放大电路

针对放大器共模抑制比参数与频率关系的仿真如图1(a),使用LT1012为辅助放大器,ADA4177为待测DUT,将ADA4177配置为直流开环工作状态,交流增益为100倍。使用幅度为 1 V 峰值,频率为1KHz的交流正弦电压调制DUT 的正负电源,该交流信号可视为输入共模信号。

ADA4177的输出交流电压的幅值为Vout,折合到 DUT 输入端信号幅值为Vout/100 ,CMRR 为式1。

如图1(b)电路的瞬态分析结果Vout峰值为11．78mV ,带入式1,计算1KHz时CMRR为78．58dB。

图1 ADA4177在1KHz共模抑制比仿真

如图2(a)将电源调试信号调整为,幅度为 1 V 峰值,频率为10KHz的交流正弦信号。再次进行瞬态分析,结果如图2(b),Vout峰值为115．51mV,带入式1,计算10KHz时CMRR为58．75。

图2 ADA4177在10KHz共模抑制比仿真

通过上述仿真计算ADA4177在1KHz,10KHz处的共模抑制比参数,与图3 ADA4177的共模抑制比与频率关系图基本符合。

图3  ADA4177 共模抑制比与频率关系