共模信号 差模信号 差动放大器

2019-04-13 12:27发布

   共模信号和差模信号是指差动放大器双端输入时的输入信号。 共模信号:双端输入时,两个信号相同。 差模信号:双端输入时,两个信号的相位相差180度。 任何两个信号都可以分解为共模信号和差模信号。设两路的输入信号分别为: A,B.m,n分别为输入信号A,B的共模信号成分和差模信号成分。输入信号A,B可分别表示为:A=m+n;B=m-n则输入信号A,B可以看成一个共模信号 m 和差模信号 n 的合成。其中m=(A+B)/2;n=(A-B)/2。差动放大器将两个信号作差,作为输出信号。则输出的信号为A-B,与原先两个信号中的共模信号和差模信号比较,可以发现:共模信号m=(A+B)/2不见了,而差模信号n=(A-B)/2得到两倍的放大。这就是差模放大器的工作原理。   简化的双端输入运算放大器模型。运算放大器将V_+V_-之间的差模信号进行运算处理,而对共模信号进行抑制衰减。图中V_{S+}V_{S-}分别提供正负直流电压保证运算放大器的静态工作点。 共模抑制比英语common-moderejection ratio, CMRR)是差分放大器(或者其他电子器件)的一个用于衡量其抑制两端输入信号共模部分的一个参数。在实际应用中,例如,当有用信号为低电压信号且叠加在一个可能较高的电压补偿,或者是相关信息表示为在两个信号的差值时,较高的共模抑制比就十分重要。 理想状态下,一个差分放大器两个输入端分别输入V_+V_-,输出V_mathrm{o}=A_mathrm{d}(V_+ - V_-),这里dA_mathrm{d}为差模增益。然而,现实中的差分放大器用下式表示更佳:
V_{mathrm{o}} = A_mathrm{d} (V_+ - V_-) + frac{1}{2} A_mathrm{cm} (V_+ + V_-)
这里A_mathrm{cm}是共模增益,通常情况远小于差模增益。 共模抑制比定义为差模增益与共模增益的比值:
K = frac {A_d}{A_c}
其中,A_d为差分放大器的差模增益,A_c为共模增益。 如果使用对数,则共模抑制比可以用分贝值来表示[1]
mathrm{CMRR} = 10log_{10} left (frac{A_mathrm{d}}{A_mathrm{cm}} 
ight)^2 = 20log_{10} left (frac{A_mathrm{d}}{|A_mathrm{cm}|} 
ight)
由于差模增益一般远大于共模增益,共模抑制比是一个正数。 共模抑制比是一个很重要的产品参数,它表示了通过放大器的共模信号的抑制与衰减的情况。其值通常也取决于信号本身的频率,因此严格来说必须表示为一个函数[2]。 抑制共模信号在信号传输中降低噪声信号十分重要。例如,在噪声环境中测量热电偶的阻抗时,环境中的噪声同时输入两个端口,造成一个共模的噪声信号。测量仪器的共模抑制比决定了其对噪声或者补偿的衰减。 差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用,有效地稳定静态工作点,以放大差模信号抑制共模信号为显著特征,广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级。但是差分放大电路结构复杂、分析繁琐,特别是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法,难以理解,因而一直是模拟电子技术中的难点。差分放大电路:按输入输出方式分:有双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出四种类型。按共模负反馈的形式分:有典型电路和射极带恒流源的电路两种。 目录
差分放大电路
基本状态

差分放大电路

      [1] (a)射极偏置差放 (b)电流源偏置差放   差放有两个输入端子和两个输出端子,因此信号的输入和输出均有双端和单端两种方式。双端输入时,信号同时加到两输入端;单端输入时,信号加到一个输入端与地之间,另一个输入端接地。双端输出时,信号取于两输出端之间;单端输出时,信号取于一个输出端到地之间。因此,差动放大电路有双端输入双端输出、单端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入单端输出四种应用方式。上面两个电路均为双端输入双端输出方式。   (a) 电阻Re是T1和T2两管的公共射极电阻,或称射极耦合电阻,它实际上就是在工作点稳定电路中旨入的射极电阻,只是此处将两个电阻的射极电阻合并成一个Re,所以经它的作用是稳定静态工作点,对零漂做进一步的仰制。电阻Re常用等效内阻极大的恒流源I0来代替,以便更有效地提高抑制零漂的作用。负电源-VEE用来补偿射极电阻Re两端的直流压降,以避免采用电压过高的单一正电源+VCC,并可扩大输出电压范围,使两基极的静态电位为零,基极电阻Rb通常为外接元件,也可不用,其作用是限制基极静态电流并提高输入电阻,RL为外接负载电阻。

基本状态

  差放的外信号输入分差模和共模两种基本输入状态。当外信号加到两输入端子之间,使两个输入信号vI1、vI2的大小相等、极性相反时,称为差模输入状态。此时,外输入信号称为差模输入信号,以vId表示,且有:   当外信号加到两输入端子与地之间,使vI1、vI2大小相等、极性相同时,称为共模输入状态,此时的外输入信号称为共模输入信号,以vIC表示,且 :   当输入信号使vI1、vI2的大小不对称时,输入信号可以看成是由差模信号vId和共模信号vIc两部分组成,其中动态时分差模输入和共模输入两种状态。   (1)对差模输入信号的放大作用   当差模信号vId输入(共模信号vIc=0)时,差放两输入端信号大小相等、极性相反,即vI1=-vI2=vId/2,因此差动对管电流增量的大小相等、极性相反,导致两输出端对地的电压增量, 即差模输出电压vod1、vod2大小相等、极性相反,此时双端输出电压vo=vod1-vod2=2vod1=vod,可见,差放能有效地放大差模输入信号。   要注意的是:差放公共射极的动态电阻Rem对差模信号不起(负反馈)作用。   (2)对共模输入信号的抑制作用   当共模信号vIc输入(差模信号vId=0)时,差放两输入端信号大小相等、极性相同,即vI1=vI2=vIc,因此差动对管电流增量的大小相等、极性相同,导致两输出端对地的电压增量, 即差模输出电压voc1、voc2大小相等、极性相同,此时双端输出电压vo=voc1-voc2=0,可见,差放对共模输入信号具有很强的抑制能力。   此外,在电路对称的条件下,差放具有很强的抑制零点漂移及抑制噪声与干扰的能力。