Tỷ lệ loại bỏ chế độ chung của op-amp

CMRR của op-amp là tỷ lệ giữa mức tăng chế độ vi sai và mức tăng chế độ chung. Sự khác biệt giữa hai cái đó là gì ? Tầm quan trọng của CMRR trong hoạt động của op-amp là gì? CMRR ảnh hưởng đến điện áp bù và điện áp đầu ra như thế nào?

Để chứng minh sự khác biệt, đây là hình thức cơ bản của bộ khuếch đại vi sai tạo nên giai đoạn đầu vào cho opamp:

Lưu ý có hai tín hiệu đầu vào ở mỗi bên. SIG và SIG_INV là một đầu vào khác biệt 1kHz (SIG là 180 ° chuyển trong giai đoạn từ SIN_INV), và SIG_COM là một đầu vào chế độ thông thường 9kHz (giống tín hiệu tại mỗi bên tham chiếu đến mặt đất, tức là 0 ° giai đoạn khác biệt)
Những tín hiệu đều ở Mức 10mV (20mV pk-pk).

Bây giờ hãy xem mô phỏng:

Chúng ta có thể thấy đầu vào (được tham chiếu đến mặt đất) là hỗn hợp của cả hai tín hiệu, nhưng đầu ra chỉ là tín hiệu vi sai 1kHz ở mức tăng khoảng 100. Bộ khuếch đại vi sai đã loại bỏ gần như tất cả tín hiệu chế độ chung 9kHz.

Để xem chính xác mức tín hiệu 9kHz truyền đến đầu ra, đây là mô phỏng lại chỉ với tín hiệu 9kHz:

Bây giờ chúng ta có thể thấy đầu ra là khoảng 10mV pk-pk (+/- 5mV), do đó có mức tăng 0,5. Bây giờ chúng ta có thể tính toán CMRR vì chúng ta biết mức tăng vi sai là 100 và chế độ phổ biến là 0,5, vì vậy 100 / 0,5 = 200 = 46dB.
Đây không phải là một tỷ lệ rất tốt, nhưng nó là hình thức khuếch đại vi sai cơ bản nhất. Một opamp điển hình sẽ cải thiện đáng kể trên con số này bằng cách sử dụng một nguồn hiện tại thay vì điện trở đuôi chung (R3) (cũng có những thứ khác nữa).
Vì lợi ích, tôi chỉ thay thế R3 bằng một nguồn hiện tại lý tưởng và điều này làm giảm đầu ra chế độ chung xuống còn 324uV pk-pk (đối với 20mV pk-pk in) vì vậy mức tăng chế độ chung là 0,0162 và do đó CMRR được cải thiện thành 20 * log10 (100 / 0,0162) = ~ 75,8dB. Một opamp chất lượng cao có thể đạt tới 120dB trở lên.

Tính CMRR từ các giá trị thành phần

Trong bộ khuếch đại vi sai ở trên, chúng ta có thể tính toán cả mức tăng vi sai và mức tăng chế độ chung khá dễ dàng. Dưới đây là các công thức với một lời giải thích ngắn gọn:

Mức tăng chênh lệch là:

Gdiff = Rc / (2 * (Re + re)) trong đó Re là giá trị điện trở bộ phát và re là điện trở bộ phát nội tại, được cho bởi ~ 25mA / Ic.
Vì vậy, đối với mạch của chúng tôi ở trên, chúng tôi nhận được:

re = 25mA / 100uA = 250Ω
Gdiff = 75k / (2 * (100Ω + 250Ω)) = 107, đồng ý với mô phỏng của chúng tôi.

Độ lợi chế độ chung được đưa ra bởi:

Gcm = -Rc / ((2 * Rtail) + Re + re) - dấu trừ có nghĩa là đầu ra bị đảo ngược (dịch chuyển 180 °) Rtail là R3 trong sơ đồ ở trên (cặp differnetial đôi khi được gọi là "đuôi dài cặp ", vì vậy đây là điện trở" đuôi ")
Vì vậy, chúng tôi nhận được:

Gcm = -75kΩ / (2 * 75kΩ) + 100 250Ω) = ~ -0,5, một lần nữa đồng ý với mô phỏng của chúng tôi.

Các CMRR hoặc có thể được tính bằng cách sử dụng kết quả trên, hoặc có thể được tính trực tiếp sử dụng:

20 * log10 (Rtail / (Re + re)) = 20 * log10 (75kΩ / (100 + 250)) = 46.6dB, một lần nữa đồng ý với những gì có thể nhìn thấy trong mô phỏng.

Từ công thức trên, chúng ta có thể thấy rằng tỷ lệ giữa điện trở đuôi và điện trở bộ phát là yếu tố chính kiểm soát CMRR, vì vậy sử dụng nguồn dòng trở kháng cao giúp cải thiện đáng kể mọi thứ.

Các phương trình trên không tính đến mọi thứ (bạn sẽ cần đọc thêm để có hiệu ứng tinh tế hơn), nhưng giúp bạn đủ gần với hầu hết các ứng dụng.

Chức năng chuyển của opamp là

$V_{OUT} = G \times (V_+ - V_-)$

$G$

CMRR càng cao càng tốt. Một opamp lý tưởng không nên hiển thị bất cứ điều gì ở tất cả các tín hiệu đầu vào chế độ chung.

Nói chung, mức tăng chế độ vi sai là mức tăng chênh lệch tín hiệu, nó thường được tìm thấy bằng cách chỉ lấy mức tăng tín hiệu đầu ra duy nhất của một op-amp 2 đầu vào và chia cho chênh lệch đầu vào. Độ lợi chế độ chung là bao nhiêu tín hiệu đầu vào chung được truyền qua phía đầu ra chia cho tín hiệu đầu vào vi sai.

Điều quan trọng cực kỳ quan trọng cần nhớ, đó là CMRR cho biết bộ khuếch đại đầu vào vi sai loại bỏ nhiễu như thế nào đối với cả hai dòng đầu vào. Hãy tưởng tượng rằng bạn có nhiễu 60Hz trên cả hai dòng. Với CMRR tốt, rất ít tiếng ồn không mong muốn đó được truyền đến đầu ra. Đó cũng là một lý do chính tại sao bạn thấy rằng các kỹ thuật khác biệt thường được sử dụng trong op-amps.

Tỷ lệ loại bỏ chế độ chung là tỷ lệ giữa mức tăng điện áp chế độ vi sai và mức tăng điện áp chế độ chung. CMRR càng lớn, khả năng DA từ chối các tín hiệu chế độ phổ biến càng lớn.
Có hai tín hiệu đầu vào của DA: một là tín hiệu chế độ chung, hai là tín hiệu chế độ vi sai. Khi tín hiệu đầu vào của DA trở thành cùng pha và cùng biên độ, nó được gọi là tín hiệu chế độ chung. Khi tín hiệu đầu vào có cùng biên độ nhưng lệch pha 180 độ thì được gọi là tín hiệu chế độ vi sai.