要了解“共模抑制比”,应该先搞清楚什么是“共模”信号,以及它与“差模”信号有什么不同。
把放大器的输入信号分为差模信号与共模信号,这只是针对有两个输入端的差分放大器以及输入级均由各种形式的差分电路所组成的运算放大器而言的。如图1所示差分放大电路(也可以理解成是运算放大器的输入级电路),当两个大小相等,极性相反的直流信号如V\(_{i}\)+=10mV、Vi-=-10mV,或是一对幅值相等而相位相反的交流信号如V\(_{i}\)+=10mVSinωt、Vi-=10mV Sin(ωt+π)被加到它的两个输入端时,我们就把这种成对出现、但对差分电路两边晶体管作用相反(使一边晶体管注入电流I\(_{b}\)增大,而另一边Ib减小)的信号称为差模输入信号或差动输入信号,这是需要加以放大的有用信号。而对在运算放大器或差分电路两输入端上出现的,不仅大小相等,而且极性或相位也完全相同的信号称为共模输入信号,如图2所示。在运放或差分电路中共模信号是应该加以抑制的无用信号。


在运放应用电路中有时需要加以放大的差模信号是和无用的共模信号叠加在一起的,例如,以一级双端输出的差分电路作为运放的前置级时就是这样(图3)。当差分前置级两输入端均接地(有用信号为零)时,差分放大级的两个输出端电位在差分电路完全对称的情况下应有V\(_{C1}\)=VC2>0,例如V\(_{C1}\)=VC2=5V。这时加到运放两输入端的有用差模信号V\(_{ID}\)=VIN+-V\(_{IN}\)-=VC1-V\(_{C2}\)=5V-5V=0,而无用的共模信号VIC=V\(_{IN}\)+=VIN-=V\(_{C1}\)=VC2=5V。当差分放大前置级输入如图4所示极性的信号时,因I\(_{C1}\)增大使VC1减小;而I\(_{C2}\)减小使VC2增大,故有V\(_{C1}\)<VC2。例如V\(_{C1}\)=VIN-=4.95V,V\(_{C2}\)=VIN+=5.05V,这时在运放输入端上既有共模信号V\(_{IC}\)=\(\frac{1}{2}\)(VIN++V\(_{IN}\)-)=1;2(5.05V+4.95V)=\(\frac{10}{2}\)V=5V,又有差模信号VID=V\(_{IN+}\)-VIN-=5.05V-4.95V=0.1V,差模信号也可表示为V\(_{ID}\)=±0.05V。运算放大器对差模信号的放大倍数即为其差模开环增益AVD,我们希望A\(_{VD}\)越大越好。而对共模信号的放大作用则应尽可能小,即希望共模增益AVC趋于零。只有符合上述要求的运算放大器才能认为是较理想的器件,才能在放大有用信号的同时抑制无用的共模信号,因此有必要对运放抑制共模信号的能力加以描述及评定,这就是我们所要讲述的“共模抑制比”指标,它通常被定义为:集成运放的差模电压增益A\(_{VD}\)与共模电压增益AVC之比,用符号K\(_{CMR}\)表示。即KCMR=A\(_{VD}\)VC。有时也用分贝数表示,即K\(_{CMR}\)=20lgAVD/A\(_{VC}\)。如果AVD/A\(_{VC}\)=10\(^{4}\),则KCMR=20lg104=80dB。可见,运算放大器的差模增益A\(_{VD}\)越高,共模增益AVC越低,其共模抑制比K\(_{CMR}\)就能具有较高的数值。


此外,共模信号也可以理解为输入端上的一种共模干扰信号。例如,对于通常的运放电路,当温度变化时,因器件内部输入级差分晶体管参数的变化,也会使输入级的工作点发生变化。如环境温度升高时,运放输入级差分晶体管的工作点电流将同时升高,这对输出的影响与在运放输入端加入正向共模信号时是相同的,故温度对运放输入级的影响也可以看成是一种共模干扰。所以,器件的共模抑制比K\(_{CMR}\)越大,它对温度影响的抑制能力也就越强。可见,不论运放是否工作在有、无共模信号的情况,KCMR指标总是越大越好。
集成运放的共模抑制比通常是很高的。国产集成运放的共模抑制比指标如下:通用Ⅰ型运放CF702电路,其K\(_{CMR}\)>70~80dB;通用Ⅱ型运放CF709电路,其KCMR>65~80dB;通用Ⅲ型运放CF741的KCMR>70~80dB,SG101(即CF101)的K\(_{CMR}\)>90dB;低功耗运放CF253,其KCMR>70~80dB;低漂移运放F0304E325的K\(_{CMR}\)>80~100dB;XFC10的KCMR>70~110dB;单电源远放F124、8FC7的K\(_{CMR}\)>70dB;高阻抗运放F3140B的KCMR>86dB;CMOS运放5G14573的K\(_{CMR}\)>76dB。


设计应用电路时,对图5所示的反相输入线性放大器,因同相端IN\(_{+}\)通过电阻接地,而反相端IN-在线性工作状态时为虚地,故不会引入共模信号,因而选用器件时可不必考虑K\(_{CMR}\)指标。而对图6所示的同相输入电路,则会引入幅值与输入信号相同的共模输入电压,若器件的KCMR指标偏低则会造成一定的共模输出误差。因此对同相放大或其他能引入较大共模信号的高精度应用场合。应选用K\(_{CMR}\)指标较高的器件。(张国华)