使用运算放大器等差分放大器的目的是什么? (共模抑制比:CMRR)

差分放大器主要用于抑制噪声。

图1:运算放大器电路符号
图1:运算放大器电路符号

噪声包含典型噪声(差分噪声)和共模噪声。差分放大器放大两个输入端(同相输入端VIN (+) 和反相输入端VIN(-))之间的差异,因此很容易衰减将相同噪声施加到差分输入端子的共模噪声。.

产生共模噪声的主要原因有两个:
1、由于电磁感应等原因,电线和电缆中会产生噪声,从而导致信号源接地端与电路接地端之间产生电位差(即噪声)。
2、从其他电路流入电路接地端的电流会导致接地电位升高(噪声)。

VOUT =AV×[{VIN(+)+Vnoise} - {VIN(-)+Vnoise}]
=AV×{VIN(+) - VIN(-)}

上述1和2中,作为电路基准值的接地电位都会因噪声而波动。典型滤波器很难消除共模噪声。差分放大器可用来抑制共模噪声。
运算放大器可将这种差分放大器配置为主电路。下图1的符号表示差分放大器(运算放大器)。它有两个输入:VIN(+)和VIN(-)。输出电压等于两个输入端之间的电压差乘以放大器的增益(AV):

VOUT=AV× {VIN(+)-VIN(-)}

这样,叠加在运算放大器输入级上的共模噪声就被消除了。然而,如果噪声叠加在运算放大器的接地端(GND)或电源上,这种噪声会叠加在输出上。

图2:共模噪声叠加在放大器输入端
图2:共模噪声叠加在放大器输入端

假设共模噪声(Vnoise)叠加在差分输入端,如图2(b)所示,则:

VIN(+)‘=VIN(+)+Vnoise

VIN(-)‘=VIN(-)+Vnoise

因此,输出表示如下。这表明差分放大器消除了共模噪声:

VOUT=AV×[ { VIN(+)+Vnoise }-{ VIN(-)+Vnoise } ]=AV×{ VIN(+)-VIN(-) }

图3:CMRR测试电路
图3:CMRR测试电路

共模抑制比被视为运算放大器的电气特性之一。(参见数据表中的表-1电气特性示例)
CMRR是共模增益与差分增益之比。
理论上,运算放大器根本不会放大共模信号。然而,实际上,由于内部元件变化等影响,输出端存在共模信号的轻微影响。因此,CMRR是消除共模噪声的标准化措施。
该参数是输入电压由于输入补偿电压而导致的微小偏差。.
(请参考:什么是运算放大器的输入补偿电压?)

什么是运算放大器的输入补偿电压?

数据表中补偿电压定义,输入电压=VDD/2。不过,该电压不是固定值,而是随着输入电压的大小而变化。

因此,图3所示电路由以下公式定义。
CMRR=20×log( | ( VIN1-VIN2) / ( VOUT1-VOUT2 ) |×( RF+RS ) / RS
               当VIN = 0.0V时,VIN = VIN1,VOUT=VOUT1
               当VIN=2.5V时,VIN =VIN2,VOUT=VOUT2 

表1:数据表电气特性表示例(TC75S55FU)
表1:数据表电气特性表示例(TC75S55FU)

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