宽输入范围运放中的共模抑制

在处理现实信号时，设计人员常常面临着一项重大的挑战，就是必须设法从幅度很大且变化不定的共模电压中挑选出一个小信号。理想的运放将抑制共模电压而只放大差分信号。然而，现实中使用的运放则会引入与共模电压相关的失调电压。这限制了放大信号的准确度。大多数放大器产品手册中都提供了共模抑制比 (CMRR，通常以 dB 或 mV/V 为单位) 规格以及显示 CMRR 在整个温度和频率范围内之变化情况的曲线图。这些规格参数可用于计算一款设计将能够在多大程度上忽略共模信号。由共模引起的失调量和误差可采用以下公式来计算：CMRR(dB) = 20log(CMRR(V/V))。

为了获得尽可能好的动态范围，工程师们纷纷转向使用较高电压运放，此类运放能够直接适应较宽的输入和输出范围。然而，共模范围越大，把 CMRR 纳入考虑之中的重要性就越高。例如：假设一个叠加在 50V 共模电压上的 100mV (峰值) 差分信号馈入一个具差分增益 = 100 的放大器。由于共模的原因，一个具有 82dB 典型 CMRR 的放大器将在输入端上产生 4mV (注 1) 或在输出端上产生 400mV 误差 (注 2)。对于一个 10V (峰值) 输出，这意味着由于共模之故而在测量中出现了 4% 的全标度误差。

一些新型高电压运算放大器解决了大输入范围内的 CMRR 问题。LT6016 Over-The-Top® 放大器能够在共模电压高至负电源轨以上达 76V 的条件下运作 (这与电源电压无关)。在上面的例子中，可采用一个刚好高于 10V (或高达 50V) 的电源来放大信号。CMRR 通常为 140dB，因而产生一个 5µV (在输入端上) 或 0.5mV (在输出端上) 的误差 (当增益 = 100 时)。

另一款新型运放 LTC2057 可在电源电压高达 60V 的条件下运作。该器件采用了一种零漂移输入拓扑，以最大限度地抑制整个温度、时间、输入共模范围和电源电压变动范围内的性能指标变化。其实现了 150dB CMRR，这在我们的例子中将产生 1.6µV (在输入端) 和 160µV (参考于输出) 的误差。

新推出的 LTC6090 可允许一个更宽的共模电压范围。该器件的工作电压规格在高达 140V，它的共模输入范围扩展至其电源轨的 3V 以内。如果我们对上面所举的例子进行修改，即 100mV 信号“骑”在一个高达 100V 的共模电压上，那么具有 CMRR = 125dB 的 LTC6090 将只变动 56µV (参考于输入) 或 5.6mV (在输出端上)。

这些放大器之间的选择将取决于其他的设计考虑。LT6016 集成了许多保护功能，从而使其成为那些输入和输出直接连接至 PCB 接口之应用的绝佳选择。此外，该放大器的独特之处还在于它能够在其输入远远高于电源 (高于负电源轨达 76V) 的情况下正常运作。LTC2057 提供了非常宽的动态范围，其输入失调电压仅为 5µV，并能够采用在一个 60V 电源的 1.5V 之内的输入信号来运作。由于这款器件采用了零漂移架构，因此与任何其他放大器相比，它能够在共模、温度、时间和电源范围变化的情况下更好地保持其准确度。LTC6090 专为极宽的电源电压范围 (高达 140V) 而设计，同时还可提供与 LT6016 几乎不相上下的优良准确度。