分析测量放大器的共模抑制能力

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 摘要:测量放大器具有很强的抑制共模信号的能力,但由于电路的分析过程非常复杂,通常只在电路理想情况下,给出电路的差模增益。本文在电路非理想的情况下,分析了测量放大器抑制共模信号的机理,给出了放大器的差模、共模增益以及共模抑制比表达式。结论对测量放大器的设计和应用具有一定的指导意义。

关键词:测量放大器;非理想电路;共模抑制比

引言

测量放大器具有输入阻抗高、共模抑制比大等特点,因而得到了广泛的应用。但由于电路的分析复杂,通常只给出理想情况下放大器的差模增益,而难以给出其在非理想情况下的共模抑制比表达式。

本文以图1 所示的测量放大器为基础,在电路非理想情况下,对该电路抑制共模信号的原理进行了分析,并给出了共模抑制比的表达式,得出了放大器的共模抑制比约为第一级放大电路的差模电压增益和第二级放大电路的共模抑制比的乘积、抑制共模信号主要由第二级放大电路来完成的结论。该结论对测量放大器的设计和应用都具有一定的指导意义。

电路的共模抑制比

在图1 所示电路中,设运放A1 和A2 的差模、共模电压增益分别为Aud1、Aud2、Auc1、Auc2。如果忽略输入偏置电流,可以列出下列方程:

式中:  分别为运放A1 和A2 的反相输入端电压。

在实际电路中,为了提高电路抑制共模干扰的能力,第一级两个运放A1 和A2 的特性一致性要好第二级差动放大器中的4 个电阻要精密配合(R3=R5,R4=R6),并取R1=R2,且固定不变,通过改变RG 来调整电路的增益。
由式(1)~(4)得放大器第一级电路的差模电压增益AudI 为:

第一级电路的共模电压增益AucI 为:

 

式中:
通常,由式(5)、式(6)得:

由式(7)、式(8) 可见,第一级电路的作用是对差模信号进行放大,对共模信号几乎没有抑制作用。

设A3电路的差模、共模电压增益分别为Aud3、Auc3。
同样忽略输入偏置电流,则有:

式中:

由式(9)得:

时:

故放大器的差模电压增益:

共模电压增益:

共模抑制比为:

由式(14)可知,放大器的共模抑制比约等于
放大器的第一级电路的差模增益AudI与第二级电路的
共模抑制比KCMR3 的乘积。

结论

测量放大器的第一级电路只对差模信号有一定的放大作用,而对共模信号几乎没有抑制作用,对共模信号的抑制作用主要由第二级电路来完成,放大器的共模抑制比约为第一级电路的差模电压增益和第二级电路的共模抑制比的乘积。