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
品慧电子讯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。
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。
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