Analog Dialogue
Вопрос:
Почему влияние синфазных сигналов на выход усилителя больше, чем можно ожидать, исходя из значения коэффициента подавления синфазного сигнала (common-mode rejection ratio – CMRR), указанного в справочных данных?
Ответ:
Понятие CMRR имеет фундаментальное значение для работы с дифференциальными входными цепями, но многие не вполне четко представляют себе, что это такое. Поэтому нередко люди, использующие инструментальные усилители, обнаруживают, что реальное влияние синфазных сигналов на схему совсем не соответствует ожидаемому.
Например, популярный тест инструментального усилителя заключается в измерении его выходного отклика при подаче на оба входа одинаковых сигналов. Образец схемы для испытания микросхемы AD8422B в конфигурации с усилением 10 В/В показан на Рисунке 1. Второй усилитель (AD8428) включен с коэффициентом усиления, равным 2000, чтобы, усиливая небольшую ошибку, создаваемую тестируемым устройством, упростить ее измерение стандартными лабораторным прибором, таким скажем, как осциллограф.
 |
||
| Рисунок 1. | Схема для измерения CMRR. | |
С помощью такой измерительной установки можно наблюдать изменения выходного напряжения на 40 мВ при изменении входного синфазного сигнала на 2 В, что эквивалентно напряжению 20 мкВ на выходе AD8422B. Это совсем неплохо, однако кто-то скажет, что 10 мкВ/В соответствуют подавлению на 100 дБ, при том, что в справочных данных гарантируется значение CMRR не менее 114 дБ! Это что же, нам попалась дефектная микросхема? Куда девался CMRR?
Если вы читали «The Diamond Plot» [1], то, возможно, помните, какое условие необходимо обязательно проверить перед началом измерений – убедиться, что тестовые сигналы не выходят за пределы допустимых для усилителя синфазных напряжений. С помощью нового инструмента Diamond Plot [2] компании Analog Devices вы потратите на такую проверку менее минуты. Если здесь все нормально, двинемся дальше, и посмотрим, как определяется CMRR.
CMRR – это просто отношение дифференциального коэффициента усиления (ADIFF) к синфазному (ACM). Его можно выразить в В/В или в дБ, используя следующие формулы:
Измеренное ранее значение 10 мкВ/В соответствует синфазному коэффициенту усиления –100 дБ, а не CMRR. Поскольку коэффициент усиления усилителя установлен равным 10 В/В (или 20 дБ), общий CMRR составит 20 дБ – (–100 дБ) = 120 дБ, что больше, чем указанные в справочных данных 114 дБ. Если коэффициент усиления увеличить до 100 В/В, CMRR вырастет еще на 20 дБ, и станет равным 140 дБ! Тем не менее, при новом усилении и прежнем входном сигнале 2 В напряжение на выходе AD8422 все еще меняется на 10 мкВ. Вы можете спросить, что же стало лучше? И не значит ли это, что мы мошенники?
Ну, не совсем. Определение CMRR одинаково для всех. Очень важно, что таким оно и остается, и мы не собираемся его менять. «Загрязняя» выход, нежелательный синфазный сигнал остается постоянным, независимо от коэффициента усиления. Но если дифференциальный коэффициент усиления велик, это «загрязнение» также становится меньше. Иными словами, если мы разделим синфазную ошибку на коэффициент усиления, чтобы сравнить ее с входным сигналом, она, на самом деле, станет очень незначительной. Таким образом, выходная ошибка 10 мкВ/В эквивалентна 1 мкВ/В при усилении 10, и 100 нВ/В при усилении 100. Теперь должно стать понятно, почему это так хорошо при измерении слабых сигналов.
 |
||
| Рисунок 2. | Зависимость CMRR микросхемы AD8422 от частоты. | |
Заметим, что не у всех инструментальных усилителей CMRR увеличивается с ростом усиления, а у некоторых даже ухудшается. Другими словами, у инструментального усилителя, имеющего CMRR 120 дБ, при увеличении усиления на 20 дБ CMRR может вырасти только до 130 дБ. Этот эффект мы называем «сжатием CMRR». Тем не менее, мы видели, что CMRR усилителя AD8422 увеличивается до 160 дБ без сжатия (Рисунок 2). Как видите, все не так уж сложно.
Примечание
Не забывайте, пожалуйста, что шумы и большое усиление (20,000) требуют ответственного подхода к организации процесса этих измерений. Прежде всего, необходима фильтрация входного сигнала для минимизации вклада его шумов. Для этого в усилителе AD8428 между выводами подключения фильтра используется конденсатор, ограничивающий полосу измерений. Кроме того, для подавления внешних шумов необходимо с особым вниманием подойти к выбору длины проводов, их расположению и экранированию.
Купить AD8422 на РадиоЛоцман.Цены
