运算放大器中的共模抑制与电源抑制详解

运算放大器中的共模抑制与电源抑制详解

运算放大器（运放）是电子工程中一种常见的基本组件，广泛应用于信号处理、放大和滤波等电路中。在实际应用中，运放的性能会受到多种因素的影响，其中共模抑制（CMRR）和电源抑制（PSRR）是两个非常重要的指标。本文将详细介绍这两个概念及其在运放中的具体应用。

共模抑制

共模抑制（Common-Mode Rejection Ratio，CMRR）是衡量运放对共模信号抑制能力的重要指标。共模信号是指在运放的两个输入端同时出现的相同信号，这种信号不会被理想运放放大，但在实际应用中，由于器件的非理想特性，共模信号仍会导致输出误差。

共模抑制的误差分析

共模抑制、电源抑制、开环增益等误差可以建模为连接到运放非反相输入端的输入失调电压。通过将误差信号反映到输入端，可以简化误差分析过程。在实践中，通常将误差源以平方根之和的方式相加，因为这些误差源通常是不相关的，可以用高斯分布来表示。

共模抑制的测量方法

差分放大器是一种常用的隔离CMRR影响的电路。在了解差分放大器的工作原理后，可以使用它来测量CMRR。差分放大器的基本配置如图所示：

通过将差分输入短接在一起，可以消除差分输入电压，从而测量共模抑制。在实际测量中，需要使用专用电路将CMRR与开环增益（AOL）的影响相互隔离。

共模抑制的仿真分析

通过直流CMRR测试电路的仿真，可以计算出共模抑制的具体数值。在本例中，CMRR为0.2μV/V，即134dB。需要注意的是，AOL的影响已经消除，因为输出几乎保持恒定的0V。

共模抑制的分布特性

共模抑制与输入晶体管的早期电压匹配度相关，Vos与共模电压可能具有正或负斜率。CMRR规格的典型值设置为平均值加上一个标准差。在实际应用中，CMRR的最小值对应于分布的尾部。

轨到轨放大器的CMRR特性

轨到轨放大器使用两个不同的内部输入级来实现从负电源到正电源的输入电压范围。当共模电压达到两个输入级过渡点时，放大器会在输入失调电压中出现跳变，导致输入交叉失真。因此，CMRR规格通常需要分成不同的共模电压范围来显示每个区域的性能。

共模抑制的拓扑选择

避免共模电压误差的一种简单方法是使用反相运算放大器拓扑而不是非反相拓扑。在非反相配置中，运算放大器共模电压随输入电压而变化，引入共模错误。在反相配置中，运算放大器的共模电压保持在恒定的直流电压施加到运算放大器的非反相输入。因此，在共模电压恒定的情况下，反相拓扑避免了共模式误差随着输入电压的变化。

电源抑制

电源抑制（Power Supply Rejection Ratio，PSRR）是衡量运放对电源电压变化抑制能力的重要指标。电源电压的变化会导致运放输出产生误差，PSRR用于量化这种影响的大小。

电源抑制的误差分析

电源抑制、共模抑制、开环增益等误差可以建模为输入失调电压连接到运放的非反相输入。电源抑制（以V/V或μV/V单位）定义为失调电压与电源电压变化量的比值。以分贝为单位的电源抑制被定义为-20乘以（以V/V为单位）的抑制对数。负号使十进制版本的PSRR成为正数。

对称与不对称电源变化的影响

电源电压的不对称变化会转化为共模电压的漂移，从而引入共模抑制误差。为了更好地理解这一点，可以查看对称和不对称的电源电压变化之间的差异。

交流电源抑制的仿真分析

用于仿真交流电源抑制的配置需要严格控制电源电压的变化。在实际测试中，通常会使用反相交流信号同时应用于两个电源，以保持共模电压恒定。通过TINASpice中的后处理器可以生成PSRR曲线。

非正弦电源信号的影响

当非正弦波形（如三角波）应用于运放电源时，PSRR的工作情况会变得更加复杂。由于PSRR传递函数的作用类似于高通滤波器，较高频率的分量将被升压，导致输出波形发生畸变。

通过傅立叶级数的概念可以解释这种现象。任何非正弦周期信号都可以分解为不同频率和幅度的正弦波的组合。当这些信号通过高通滤波器时，高频分量会被放大，导致输出波形发生畸变。