原标题：放大器共模抑制比参数定义及影响电路共模抑制的因素分析

一、共模抑制比（CMRR）的定义

1. 基本概念

• 共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio, CMRR） 是衡量放大器抑制共模信号（即两个输入端同时出现的相同信号）能力的参数。

• 定义：CMRR是放大器差模增益（Ad）与共模增益（Acm）的比值，通常用分贝（dB）表示：

CMRR=20log10(∣Acm∣Ad)

• 物理意义：CMRR越高，放大器对共模信号的抑制能力越强，输出信号中由共模干扰引起的误差越小。

2. 共模信号与差模信号

• 差模信号：两个输入端的信号差异（Vid=V+−V−），是放大器需要放大的有效信号。

• 共模信号：两个输入端的信号相同（Vicm=2V++V−），通常是干扰或噪声（如电源噪声、环境干扰）。

二、CMRR对电路的影响

1. 信号完整性

• 高CMRR：输出信号中由共模干扰引起的误差较小，信号更纯净。

• 低CMRR：共模干扰可能被放大并叠加到输出信号中，导致信号失真或噪声增加。

2. 典型应用场景

• 传感器信号放大：如生物电信号（ECG、EEG）中，人体共模电压（如50Hz工频干扰）需被有效抑制。

• 精密测量：如应变片、压力传感器等微弱信号检测中，CMRR直接影响测量精度。

• 差分放大：在差分信号传输中，CMRR决定了对共模噪声的抑制能力。

三、影响CMRR的关键因素

1. 放大器内部因素

• 内部电路（如电流镜、负载电阻）的非对称性会降低CMRR。

• 高性能运放（如仪表放大器）通过激光 trimming 或精密匹配技术提升CMRR（通常>100dB）。

• 在差分放大器中，反馈电阻和输入电阻的匹配精度（如1%误差可能使CMRR降至40dB）。

• 差分放大器的输入级（如差分对晶体管）的匹配程度直接影响CMRR。

• 对称性差会导致共模信号转化为差模信号，降低CMRR。

• 对称性：

• 电阻匹配：

• 运放设计：

2. 外部电路因素

• 电源纹波可能通过运放的电源引脚耦合到输入端。

• 建议：使用低噪声LDO或电源滤波电容。

• 接地不良或屏蔽不足会导致共模干扰耦合到输入端。

• 建议：使用屏蔽电缆，并将屏蔽层单点接地。

• 输入信号线靠近干扰源（如电源线）会引入共模噪声。

• 建议：差分信号线应等长、等宽、靠近，并远离噪声源。

• PCB布局：

• 接地与屏蔽：

• 电源噪声：

3. 环境因素

• PCB弯曲或振动可能导致电阻值变化，影响CMRR。

• 建议：避免在关键电阻上施加机械应力。

• 电阻、晶体管的参数随温度变化，导致CMRR下降。

• 建议：选择温度系数低的电阻（如金属膜电阻）或进行温度补偿。

• 温度变化：

• 机械应力：

四、提升CMRR的方法

1. 选择高CMRR的器件

• 仪表放大器：如INA128（CMRR>110dB）、AD620（CMRR>93dB）。

• 精密运放：如OPA2188（CMRR>130dB）、AD8421（CMRR>140dB）。

2. 优化电路设计

• 差分信号传输：使用双绞线或同轴电缆传输差分信号。

• 共模反馈（CMFB）：在运放内部或外部引入共模反馈电路，动态调整共模输出电压。

• 电阻匹配：使用精密电阻网络（如0.01%误差）或激光 trimming 电阻。

3. 系统级优化

• 屏蔽与接地：确保输入信号屏蔽层单点接地，避免地环路。

• 电源滤波：在电源引脚附近加高频滤波电容（如0.1μF陶瓷电容+10μF钽电容）。

• 温度控制：在精密测量中，将电路置于恒温环境中。

五、CMRR的测试方法

1. 共模信号注入法

• 在放大器的两个输入端同时施加相同的共模信号（如正弦波），测量输出信号中的共模分量。

• 公式：

2. 差分信号与共模信号分离法

• 使用信号发生器生成差模信号和共模信号的叠加，通过频谱分析仪分离输出信号中的差模和共模分量。

六、总结

1. CMRR的核心作用：

• CMRR是衡量放大器抑制共模干扰能力的关键参数，直接影响信号的纯净度和测量精度。

2. 设计建议：

• 优先选择高CMRR的器件（如仪表放大器）。

• 优化PCB布局和接地设计，减少共模干扰耦合。

• 使用精密电阻和温度补偿技术，提升电路稳定性。

3. 典型应用中的CMRR要求：

• 生物电信号采集：CMRR>100dB（抑制50Hz工频干扰）。

• 精密测量：CMRR>120dB（抑制微弱共模噪声）。

通过合理设计电路和选择器件，可以显著提升放大器的CMRR，从而在复杂环境中实现高精度的信号放大和处理。