共模抑制和仪表放大器

1、共模抑制和仪表放大器摘 要   根据仪表放大器用来测量含有较大共模分量的微弱差模信号的特点,较详细地讨论了仪表放大器的共模电压范围和共模抑制问题。给出了几种由AD623/627构成的实用电路，并分析了相应的性能指标。  关键词   仪表放大器   共模抑制    差模信号1 引言    在工业应用中，共模电压是个经常存在的威胁。通常需要测量含有大的共模成份的微弱差模信号。这些远距离信号和内部固有的50Hz/60Hz的电网干扰往往对测量造成相当的困难。因此本文探讨仪表放大器及其与应用相关的共模电压

2、的范围和共模抑制问题。我们从共模电压和共模抑制的定义谈起，然后看看不同仪表放大器的结构，并验证在特殊应用中的共模电压范围和共模抑制是否适当。2 共模抑制和差模信号图1 在一个典型的仪表放大器的应用中，输入共模电压由来自桥的直流偏压（VS/2）和输入线中检拾的任何共模噪声组成。共模电压的一部分总会出现在仪表放大器的输出端。 2.1 共模抑制仪表放大器将两个信号的差值放大。典型的差模信号来自传感器件，诸如电阻桥或热电偶。图1示出了仪表放大器的典型应用，来自电阻桥的差模电压被AD620（低功耗，低成本，集成仪表放大器）放大。在热电偶和电阻桥的应用中，差模电压总是相当小（几毫伏到十几毫伏）。而两个输入

3、端输入的同极性、同幅值的电压约为2.5V，还有对测量无用的共模分量，所以理想的仪表放大器应该放大输入端两信号的差值，任何共模分量都必须被抑制。事实上，抑制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因。实践中，仪表放大器从没有彻底抑制掉共模信号，输出端总会有一些残余成份。共模抑制比（CMRR）是用来衡量共模信号被放大器抑制程度的一个综合指标，它由下式定义    式中的Gain是放大器的差模增益，Vcm是输入端存在的共模电压，Vout是输入共模电压在输出端的结果。代入具体值，如AD620集成仪表放大器所设置增益为10时，CMRR为100dB，图1中共模电压为2.5V，由（1）式

4、求出它在输出端的电压为250m V。有上面设定，注意到由输入和输出失调电压所引起的输出电压约为1.5mV，这说明作为误差源，CMRR并没有失调电压重要。至此，只讨论了直流信号的共模抑制比。2.2 交流和直流共模抑制比     在图1中，共模信号可以是稳态的直流电压（如来自电桥的2.5V电压），或是来自外部干扰。在工业应用中，最普通的外部干扰从50Hz/60Hz输电干线检拾而来（例如来自照明灯，电机或任何在输电干线上运行的设备）。在不同的测量应用中，仪表放大器输入端的干扰基本相等，因此在这里干扰信号也被看作共模信号，被叠加在输入直流共模电压上，在输出端得到的是这个输

5、入共模信号的衰减形式，衰减程度取决于该频率下的CMRR。虽然直流失调电压可以通过微调和校准轻易除去，而输出端的交流误差却很麻烦。例如，如果输入回路从输电干线检拾到50Hz或60Hz的干扰，那么输出端的交流电压会降低整个应用的分辨度。滤除干扰代价很昂贵，并且仅在对速度要求不高的应用中才可行。显然，整个频率范围内的高共模抑制有助于减小外部共模干扰的影响。    所以，实践中在整个频率范围内来讨论CMRR比讨论它在直流时的情况要有意义得多。集成仪表放大器数据手册列出了在50Hz/60Hz时的CMRR，图解部分给出CMRR随频率变化的曲线（见图2）。图2 单电源AD623

6、的CMRR，100Hz以前很平坦，之后开始下降。从图看出当编程增益增加时，CMRR也随之增加。    图2表明AD623（低价格集成仪表放大器）CMRR在频率范围内变化的情况。100Hz以前保持平坦，之后（大于100Hz）开始下降，可以看出，50Hz/60Hz电网干扰会被很好的抑制。还要注意电网频率的谐波干扰，在工业环境中，电网频率谐波可以达到第七谐波（350Hz/420Hz）。此时，CMRR降到大约90dB（增益为10）。这使得- 70dB的共模增益仍足以抑制大多数共模干扰。3 不同结构的仪表放大器现在考察仪表放大器的不同结构，结构的选择和无源元件的精确度会影响

7、交直流的CMRR。3.1 二运放仪表放大器图3是一个基本二运放仪表放大器的电路图，差模增益可由式（2）给出图3 二运放仪表放大器的输入共模范围随差模增益降低而降低（不可能得到单位增益）。电阻的不匹配决定直流和低频时的CMRR，而高频CMRR取决于通过A1的Vin- 的相移。（2）这里R1=R4，R2=R3，如果R1=10k，R2=1k，差模增益为11，从式（2）可知，根本不可能使编程增益为1。3.1.1 二运放仪表放大器的共模增益直流共模电压引起的输出电压由式（3）给出    运用式（1），可得电路的CMRR的表达式为    因为分母

8、中的电阻比总是接近1，不需要考虑仪表放大器的增益，我们可得到，二运放仪表放大器的CMRR随差模增益的增加而增加。    在上述电阻网络中，由于存在误差，实际电阻值不可能完全等于标称值，即存在失配，可以将R1R3的实际值比它与R2R4之差值的百分率定义为失配。式（4）可以改写为式中Mismatch为失配率。    编程增益的四个电阻间的任何不匹配都会直接影响CMRR。在环境温度下，精密的电阻网络通过微调可以达到最大精确度。电阻的温度漂移造成的任何失配都会加剧CMRR的降低。    显而易见，高共模抑制的关键

9、是电阻网络，因此电阻比和相对应的漂移两者都要很好的匹配，而电阻的绝对值和他们的绝对漂移却不重要，关键在于匹配。    集成仪表放大器特别适合于增益编程电阻的比值匹配和温度跟踪。制作在硅片上的薄膜电阻的最初容差达到± 20%,制作过程中的激光修整使电阻间的比例误差减小至0.01%。此外，各薄膜电阻值和温度系数之间的相关变化很小，通常小于3×10- 6/。图4说明在环境温度下电阻失配的实践结果。图3中，电路CMRR的测量(增益为11)用到4个电阻，其失配约为0.1%(R1=9999.5，R2=999.76，R3=1000.2，R4=9997.7)。

10、直流CMRR的值约为84dB（理论值为85dB），当频率增加时，CMRR迅速下降。图4同时给出了电网干扰的输出电压的示波器波形。180Hz时200mV(峰-峰)谐波引起的输出电压约为800m V。由上述设定，一个输入范围为02.5V的12位数据采集系统的1sb权重为610mV。A1同相端的Vin- 信号经A1后产生的相移或延时将导致Vin- 和A1的输出信号间出现向量误差，引起整个频率范围内CMRR的降低。为保证一定的CMRR，Vin- 和A1输出端的共模信号应有相同的相位和幅度，这只有在A1没有延时时才可能做到。选择一个匹配的高速双运放可以扩展频率范围，从而使CMRR保持平坦，但另一方面，高

11、速运放会检拾外部高频干扰。另一个解决方法是在A1的反相输入端和地端之间接一个微调电容，缺点是必须手动微调。所以图4的CMRR（在频率范围内）受两个截然不同的参数的影响。在低频时，CMRR与编程增益电阻的失配直接关联，高频时，运放的差模闭环增益引起CMRR的降低。图4 可编程增益的四个电阻间0.1%的失配决定二运放仪表放大器低频时的CMRR。两个运放间闭环增益的差异会导致整个频段CMRR的降低。在180Hz时，200mV的电网谐波会在运放输出端产生800V的电压。3.1.2 二运放仪表放大器的共模范围图5 三运放仪表放大器的结构，R1，R2，R3，R4之间0.1%的失配会导致最坏情况下CMRR为

12、60dB（增益为1）。漂移失配使CMRR降低加剧。二运放仪表放大器的输入共模范围受编程增益的影响。图3中，A1工作在闭环增益为1.1时，输入端的任一共模电压都被放大（即输入共模电压经1.1倍放大后出现在A1的输出端）。现在讨论仪表放大器可编程增益为1.1时的情况（R1=1k，R2=10k，R3=10k，R4=1k）。A1的闭环增益为11，因为共模电压会被放大，所以输入共模范围受A1输出摆动幅度的严格限制。在应用中，强制性使用低电压引起的问题特别严重，这种情况下，运用满幅度放大器会增加一些摆动范围以缓解这个问题。3.2 三运放仪表放大器图5是三运放仪表放大器的结构，是分离和集成仪表放大器最常选的

13、结构。整个增益的传输函数很复杂，当R1=R2=R3=R4时，传输函数可以简化为（6）R5和R6设置为相同值（通常在1050k）。简单地调节RG的值，电路的整个增益可由单位值调至任意高的值。3.2.1 三运放仪表放大器的共模增益如所期望的，仪表放大器的共模增益的理论值为0。为计算共模增益，设定输入端只有一个Vcm共模电压（也即Vin+=Vin-=Vcm）。RG上没有电压降，A1，A2的输出电压也等于Vcm，设A1和A2理想匹配，因此第一个近似值即第一级共模增益等于单位值并独立于编程增益。假定运放A3是理想的，第二级共模增益由式（7）得到    代入式（1），共模抑制

14、比就变为式（8）    式中的分母比二运放仪表放大器时复杂得多，而正如式（4）所示，分母可用电阻的失配百分率来表示，即图6 AD623采用典型三运放仪表放大器的结构。通过给两个输入端上偏0.6V电压，即使在极低共模电压下也可单电源工作在式（8）中，如果4个电阻都相等（或R1=R3，R2=R4），其分母就会变为0，而这几个电阻的任何失配都会使共模电压的一部分出现在输出端。与二运放仪表放大器相似：任何电阻间温度漂移的失配都会降低CMRR。3.2.2 三运放仪表放大器的交流CMRR如果A1，A2很好的匹配（即相同的闭环带宽），CMRR就不会像二运放那样迅速下降。对比一下

15、图2和图4，三运放仪表放大器的CMRR在100Hz之前相对平坦，而二运放仪表放大器的CMRR在大约10Hz时就开始降低3.2.3 三运放仪表放大器的共模范围    三运放仪表放大器的第一级共模增益为单位值，共模电压原封不动的出现在图5中A1，A2的输出端，而差模输入电压（Vdiff）降落在增益电阻上，结果电流流过R5，R6，这意味着当输入差模电压增加时，A1的电压将高于Vcm，A2的电压将低于Vcm。因此，当增益和（或）输入信号增加时，A1，A2的电压范围也会增加，最终被电源电压的范围所限制。可以知道，共模电压可以达到的范围、差模输入电压、增益这三者之间是互相关联

16、的。例如，增加增益会减小共模范围和输入电压范围，同样，增加共模电压会限制差模输入范围并限制增益可能达到的最大值。如果输入级运放的输出摆动已知，那么就能很好地表示输入范围，共模范围和增益之间的关系，以服务于特殊的三运放仪表放大器。图7 AD623的输入级电平偏置非常适用于单电源低共模应用。温度范围为- 200+200，J型热电偶的电压范围从- 7.89010.777mV。91.9的增益使仪表放大器的输出电压范围为1至3V（即2V±1V），输出端与单电源供电的AD7776A/D转换器相接。    工业应用中运用低电源电压时，可用的摆动范围也越来越少。至于二运

17、放仪表放大器，可以用满幅度运放来解决这个问题，三运放仪表放大器中，因为过度的输入电压、共模电压或增益会削减输入级（A1，A2）的输出电压，所以满幅度输出级（A3）在这里根本起不了什么作用。 3.2.4 低共模应用中优化的单电源三运放仪表放大器    图6是AD623（低耗单电源满幅度仪表放大器）的简图，沿用传统的三运放仪表放大器结构，在用作输入级运放之前，正反相输入电压通过一个PNP管，电压上偏了0.6V。    要理解电平偏移的重要性，先要考虑仪表放大器工作的通常条件。图7示出了AD623的一个典型应用，仪表放大器放大的信

18、号来自一个J型热电偶，仪表放大器连同A/D转换器共同由+5V单电源供电。此应用中。所测温度范围从200+200，相应的热电偶的电压范围为7.89010.777mV。如通常一样，热电偶的一端接地，使偏置电流流入仪表放大器。因此，同相、反相输入电压中间的共模电压非常接近地电平。实际上，从热电偶而来的电压开始变负时，有效共模电压也变负。图8 一个集成二运放仪表放大器AD627，也采用Vbe电平偏置以便低输入共模电压在单电源下工作。    在传统的三运放仪表放大器中，当热电偶电压开始大于零时，输入级的电压扩展效果会导致输入级的一个运放的输出电压变为地。图6的电平偏置结构通

19、过有效的在共模电压上加0.6V，避免了这个问题，从而对地有更多的摆动范围，并且使A1和A2满幅度运放的输出电压处于线性区域，即使输入电压和共模电压低于地电平。输入电压可以负到150mV，这由编程增益和共模电压控制。    在此例中，仪表放大器的设置增益为91.9（RG=1.1k），基准脚的电压设为2V，只要热电偶电压处在温度为200+200间变化，仪表放大器的输出电压范围就为1.2742.990V（对地），这个电压摆动范围很适合A/D转换器的输入电压范围（2V±1V）。3.2.5 单电源二运放仪表放大器在低共模电压中的应用  

20、0; 加一个Vbe电压降使共模电压升高的方法可应用于二运放仪表放大器。图8是AD627的简图，它是一个集成二运放仪表放大器，运用特殊技术来获得整个频率范围内的高CMRR。必须指出，对于三运放仪表放大器而言，必须注意补偿内部节点电压，避免信号饱和，这在单电源应用中格外严格。一般说来，最大增益由输出有效信号的范围决定（反相通道大于50mV，同相通道为100mV以内）。而在输入共模电压接近或等于零的单电源应用中，编程增益有一定限制。当输入、输出和基准引脚（REF）的电压范围由技术说明所规定时，这些引脚的电压范围是互相影响的。在图8中，由含有共模分量Vcm的差模电压Vdiff驱动，运放A1输出端电压是

21、Vdiff、Vcm、Vref引脚电压和编程增益的函数：        VA1=1.25（Vcm +0.5V）- 0.25Vref -Vdiff（25k/RG0.625）     也可用-IN和+IN（V和V+）脚上的实际电压来表示：    VA1=1.25（V+0.5V）- 0.25Vref -（V -V）25k/RG    A1的输出电压在反相通道为50mV以内，同相通道为200mV以内摆动，上述等式可用以验证A1的电压是否在此范围内。从以上任何一个等式

22、可以看到，当Vref作为AD627的输出(A2)正偏置增加时，A1的输出电压会减小。此外，增加输入共模电压会增加A1的输出电压。在共模电压较低的单电源应用中，差模输入电压或REF上的电压太高会使A1的输出变为地电平。输入电压有效上偏0.5V（如T1和T2的Vbe）可以增加一些摆动范围。表1给出AD627在不同单电源输入条件下的最大增益值，输出摆幅是根据REF脚上的电压得到的，REF上的电压已经被设置为2V或1V，以使增益和输出摆动范围最大。注意在很多情况下，使单电源电压值大于5V毫无好处（输入范围为0V至1V时除外）。表1 AD627低共模单电源应用的最大增益VinREF PinSupply

23、VoltageResulting max GainRG tolerance）Output Swingw.r.t 0V+/- 100mV，Vcm=0V2V+5 to +15V12.028.7k0.8 to 3.2V+/- 50mV，Vcm=0V2V+5 to +15V23.710.7k0.8 to 3.2V+/- 10mV，Vcm=0V2V+5 to +15V119.91.74k0.8 to 3.2VV- = 0V，V+= 0 to 1V1V+10 to +15V7.578.7k1 to 8.5VV- =0V，V+=0 to 100mV1V+5 to +15V317.87k1 to 4.1VV- =0V，V+= 0 to 10mV1V+5 to