使用完整的仿真测试台进行操作，用于运算放大器：输入引用的错误

文章：伊恩威廉姆斯

本系列的以前的分期讨论了需要验证Spice模型准确性以及如何测量输出阻抗和小信号带宽的运算放大器（运算放大器）模型。In part 3, I’ll show how to measure some of the most common input-referred error sources that affect both DC and AC accuracy: common-mode rejection ratio (CMRR), power-supply rejection ratio (PSRR), input offset voltage (Vos), input bias current (Ib), and input offset current (Ios).

共模抑制比
OP放大器旨在放大在其输入引脚上施加的差分信号，同时拒绝存在的任何共模信号。简单地，当电路的节点之间存在电压差时，创建差分信号。另一方面，共模信号描述了对电路的两个或更多个节点共用的信号。运算放大器的输入共模电压正式定义为其两个输入存在的平均电压，因为输入可能随时间变化。

图1给出差分与共模信号的示例。在这种情况下，差分信号（VDIFF）是在+中存在的电压与存在的电压之间的差。共模信号（VCM）是两个输入上存在的2.5V直流电压。

图1差分信号与共模信号

运算放大器电路中的共模信号的一些典型示例是来自电磁场或寄生电路路径的直流偏置电压和耦合噪声。您希望运算放大器拒绝这些共模输入信号，因为如果它们被放大，则产生的输出可能导致电路操作中的主要问题。大型直流偏置电压的放大可能导致放大器输出在任何一个电源轨道上表现出大的偏移或饱和。如果放大噪声，则在放大器输出处产生的噪声中可能会劣化或甚至丢失真正的输出信号。

CMRR量化运算放大器拒绝这些共模信号的程度。当以这种方式定义为拒绝时，更高的值更好，因为这意味着更多的共模信号被拒绝，因此它将对运算放大器的影响较小。但是，由于没有实际运算放大器具有无限的CMRR，共模信号确实对运算放大器的行为有一些可测量的影响。

让我们重新审视运算放大器的简化小信号模型，如图所示图2．CMRR被建模为串联连接的误差电压源（VCMRR），与非变速器输入串联连接。根据运算放大器的CMRR规范，该误差电压随所应用的共模电压而变化。由于输入了CMRR，因此VCMRR通过运算放大器电路的闭环增益以及差分输入信号（VE）进行放大，以产生总输出电压（VOUT）。

图2简化的输入引用CMRR模型

运算放大器的共模拒绝也会通过频率变化。CMRR在低频下最高，大多数OP放大器在80dB（每1V的100μV输入触控误差为VCM的输入误差）和160dB（每1V的输入引用的误差）之间的共模抑制。在较高频率下，随着运算放大器运行的带宽，拒绝折叠水平，因此在选择设备时要注意，以确保在感兴趣的频率下确保CMRR性能足够。图3.是典型的CMRR与频率曲线。

图3.典型的CMRR与频率曲线

让我们使用一个示例计算来展示曲线的方式图3.转换为输入参考误差电压。如果一个共模输入信号的频率是100kHz (1E+05Hz)，你可以从曲线上看到，运放在该频率大约有100dB的共模抑制比。式1将100dB转换为线性电压增益单位(V/V)的衰减因子:

现在可以在100kHz处计算由共模信号引起的输入参考误差电压。简单地将共模信号的幅度乘以10μV/ v的线性CMRR衰减因子来确定输入参考误差电压。等式2是具有等于1VPP的幅度的共模信号的示例。

因此，具有1VPP的幅度和100kHz频率的共模输入信号产生大约10μVPP的输入参考误差信号。请记住，此计算仅在100kHz上有效，并且需要根据所提供的CMRR特征对不同的频率重复图3.．

从测量的角度来看，共模抑制比(CMRR)定义为运放的开环微分增益与开环共模增益的比值。在现实世界中，这两个增益特性可能很难相互隔离，但模拟的强大功能允许您有效地做到这一点。图4.显示推荐的测试电路。

图4.CMRR测试电路

这种独特的测试电路使用正在测试的OP放大器的两个相同的副本，以单独测量开环差分增益和开环共模增益。在顶电路中，AC源VIN同样地应用于运算放大器U1的两个输入，以创建纯粹的共模输入信号。电感器L1在DC时用作短路，使Spice能够计算有效的直流操作点。在AC，L1充当开路，将U1放在开环配置中以测量其开环共模增益（ACM）。

在底部电路中，AC源VIN被路由到由电压控制电压源E1和E2构成的单端到差分转换电路。这会生成差异版本的偏差偏差，然后将其应用于运算放大器U2的输入。类似于顶电路，电感器L2在DC的短路和AC的开路电路中起作用，以允许有效的直流操作点和开环差分增益的测量值（ADM）。

像往常一样，我建议通过运行DC操作点测试验证运算放大器在其线性区域中运行。确保匹配指定的数据表条件以供电源电压和输入共模电压。

为了测量CMRR，在所需的频率范围内运行AC传递函数，并在ACM和ADM的分贝中绘制幅度。使用模拟器的后处理功能生成ADM / ACM的曲线，CMRR的定义。

我们用这个电路来测试CMRROPA2187 Spice模型．的opa2187来自德州仪器的零漂移，低功耗精密运算放大器。图5.显示结果。

图5.OPA2187 CMRR测试结果

在此测试的基础上，运算放大器CMRR在整个测量频率范围内非常接近数据纸张曲线。在接近的频率和高于放大器的单位增益带宽 - 在该示例中大约1MHz - 测量的CMRR由寄生成分和高阶行为主导，并且变得难以模拟。有关CMRR的更多信息，请观看TI精密实验室运算放大器：共模抑制视频．

[继续阅读EDN US：电源排斥比]

伊恩威廉斯是Texas Instruments的精密放大器组的应用工程师和Spice模型开发人员。

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