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几种常被误用的放大器共模抑制比测量方法有何不足之处?

2020-12-29 10:53
人为现象
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   测量放大器的失调电压、偏置电流参数,可根据所设计的电路简易调整就能完成测试。而共模抑制比参数的测试方法却相对复杂,本篇分析几种常被误用的放大器共模抑制比测量方法的不足之处,以及提供一种有效测量共模抑制比电路以及提供仿真。

   如图2.56所示的4组共模抑制比测试电路,测试原理没有异议,但是在实际测量中无法得到有效测量结果,主要原因在于对电路配套器件的规格要求极其苛刻,使这些测量方法缺乏可操作性,如下详细分析。

   图2.56(a)直接定义测量法是测量差模增益和共模增益,再根据定义计算共模抑制比。电路使用电感和电容形成低通滤波器,用作通直流、阻交流的功能。在CMOS放大器电路中,常使用1GΩ电阻代替电感,如果双极型晶体管作为输入级的放大器,较大的基极电流在反馈电阻上的压降会导致整个环路产生很大直流点漂移,影响测量结果。

图2.56 不适用的共模抑制比测量方法

如图2.56(b)为匹配信号源法,使用两个信号源分别加载于被测放大器的同相、反相输入端,由于放大器的差模增益远远大于共模增益,共模抑制比近似为式2-37。

但是在实际测试中,难以实现两个幅值绝对相等,相位严格同步的信号作为激励信号。而在失配的信号源激励下,所得到的测量结果不能体现放大器真实的共模抑制性能。

如图2.56(c)为电压测量法,保持放大器的供电电压范围不变,即Vcc与Vee之差为常量,调节Vcc、Vee的绝对电压,由二者的分压中心值电压作为共模电压(Vcm)提供到同相输入端,根据对应的输出电压(Vout)计算共模抑制比。该方法的漏洞在于将共模抑制比作为导致直流误差的唯一因素,忽略电源抑制比等其他因素的影响,测试结果失去意义。

如图2.56(d)为匹配电阻法,也是部分工程师习惯使用的测量方法,该法的电路原理工作原理与测量误差分析已在《电阻误差对电路共模抑制比的影响与蒙特卡洛分析》阐述,本节不再累述。如果使用该法测量CMRR大于100dB的放大器,需要误差小于1ppm的电阻进行匹配才能实现。

相比上述测量方法的不足,图2.57增加一款高开环增益、低失调电压、低偏置电流的辅助放大器AMP,无需精密电阻就能实现放大器的共模抑制比的准确测量。

图2.57 辅助运放-电源法测量共模抑制比电路

待测放大器(DUT)工作电压范围保持30V不变,但是Vcc,Vee的绝对电压,通过开关S1,S2控制由-25~+5V切换到-5~+25V。由此为DUT提供±10V输入共模电压,分别测量开关S1,S2切换前后的输出电压Vout,并标记为Vout1、Vout2,结合电路的噪声增益计算共模抑制比如式2-38。

对图2.57共模抑制比测试电路,将ADA4077作为待测放大器(DUT),辅助放大器使用LT1012AI,电阻误差为1%。

如图2.58,在25℃环境中,±15V电压工作时,LT1012IA失调电压最大值为25uV,偏置电流最大值为100pA,开环电压增益典型值为2000 V/mV。

图2.58 LT1012失调电压,偏置电流,开环增益参数

   使用LTspice进行仿真,当DUT使用 Vcc为+5V,Vee为-25V供电时,瞬态分析结果如图2.59。电路输出Vout1为3.535mV。

图2.59ADA4077共模抑制比测试Vout1瞬态分析结果

   当DUT使用Vcc为+25V,Vee为-5V供电时,瞬态分析结果如图2.60。电路输出Vout2为3.609mV。

图2.60ADA4077共模抑制比测试Vout2瞬态分析结果

   将上述仿真结果代入式2-38,计算ADA4077的共模抑制比为:

   如图2.2,仿真计算结果为148.7dB,接近ADA4077数据手册中共模抑制比的典型值150dB。

图2.2 ADA4077直流性能参数


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