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  • 许多硬件工程师会将放大器的共模抑制比视为最难掌握的直流参数,首先...本篇解析放大共模抑制比参数定义与其影响的评估方法,以及结合一个实际案例讨论影响电路共模抑制的因素。 在讨论共模抑制比之前,先认识两个...

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    许多硬件工程师会将放大器的共模抑制比视为最难掌握的直流参数,首先因为定义所涉及的因子容易产生混淆;其次,掌握了共模抑制比的定义,按其字面理解难以在设计中直接使用;最后,掌握了放大器的共模抑制比参数的评估方法,不代表可以在应用电路对共模信号实现有效抑制。本篇解析放大器共模抑制比参数定义与其影响的评估方法,以及结合一个实际案例讨论影响电路共模抑制的因素。

    在讨论共模抑制比之前,先认识两个专有名词,差模增益Ad、共模增益Ac。

    如图2.42(a),差模增益定义为加载于两个输入端之间的信号所获得的增益,如式2-24。

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    其中,Vd为差模输入信号,它可以等效为图2.42(b)。

    如图2.42(c),共模增益定义为同时加载于两个输入端信号所获得的增益,如式2-25。

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    图2.42差模输入与共模输入信号增益示意图

    放大器的差模增益是电路所需要的增益,而共模增益将放大直流噪声。共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio,CMRR),定义为差模增益与共模增益的比值,如式2-26。

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    通常Ad值很大,而Ac值趋近于零,所以CMRR很大,数据手册中通常使用dB为单位,计算方式如式2-27。

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    从应用的角度,共模抑制比可看作输入共模电压变化引起输入直流误差,如式2-28。

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    式中,Vcm为输入共模电压,Ver_CMRR为共模电压所引起的输入直流误差。

    老一代精密放大器的共模抑制比通常在70dB至120dB左右,新一代精密放大器的共模抑制比性能大幅提升。如图2.43所示,OP07在25℃环境中,供电电压为±15V,共模电压为±13V时,共模抑制比最小值为100dB,典型值为120dB;而ADA4077在同等工作环境和工作电压下,共模电压为-13.8V至13.8V时,共模抑制比最小值为132dB,典型值为150dB。

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    图2.43 ADA4077与OP07共模抑制比性能

    如图2.44,在相同电路中对比OP07、ADA4077共模抑制比的性能,假定电阻完全匹配(R1=R3,R2=R4),共模电压为10V。

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    图2.44 0P07与ADA4077差分放大电路图

    使用OP07共模抑制比的典型值120dB代入式2-28,共模电压在输入端将产生的输入直流误差为10μV。

    而使用ADA4077共模抑制比的典型值150dB代入式2-28,共模电压在输入端将产生的输入值误差为0.316μV。

    由此可见,在该差分电路中,使用ADA4077替换OP07,由放大器共模抑制比限制所产生的直流误差明显改善。

    上述分析通常适合在选型阶段评估放大器共模抑制比是否符合要求,在实际设计中,放大器共模抑制比参数不等于电路共模抑制比,而电路的共模抑制是更为关注的设计要点。

    2017年10月中旬,笔者接到一位异地项目负责人的特急求助电话,其研发的设备在核心客户试用中出现异常,将影响核心客户产品的生产品质,已经收到限期整改通知。电路如图2.45,工程师使用2片ADA4522-2组建差动电路,第一级电路U8A、U8B实现差动电路的输入缓冲器功能,第二级电路U5A实现差动信号放大电路,其中,R6、R7阻值为30KΩ,误差为1%,R5、R74阻值为3KΩ,误差为1%,电路预期的增益设计为10倍。

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    图2.45 ADA4522-2组建差分电路

    核心客户在25℃恒温环境下使用设备,测试点TP76、TP77对地的共模电压为7V,在TP76、TP77之间输入26.5mV差模信号时,电路输出(U5A 1脚)为259mV,接近电路预期设计,但是当TP76、TP77输入差模信号为1mV时,电路输出(U5A 1脚)只有5mV,误差过大。

    笔者即时给出电路分级测量定位故障的方法,而项目负责人当时不能完全理解逐级测试原理。坚持认为电路只有放大器和电阻,并且电阻的误差为1%,电路在处理1mV的差分信号误差达到50%,笃定是ADA4522芯片出现问题,没有使用推荐测试方法。所以次日凌晨笔者邮件回复电路分析过程。

    如图2.46,ADA4522-2 是零偏型放大器,在25℃环境中,供电电源为30V时,失调电压最大值为5μV,相比于1mV的电压影响可以忽略,输入偏置电流最大值为150pA, 输入失调电流最大值为300pA,与输入侧电阻作用所产生的失调电压也可以忽略。

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    图2.46 ADA4522失调电压与偏置电流规格

    其次,根据图2.45推导电路的传递函数,如图2.47。如步骤三,关于项目负责人认为电路增益为R7与R74比值,建立条件为R5与R74,R6与R7完全一致。

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    图2.47第二级差动电路传函推导

    那么这四个匹配电阻使用1%误差的器件,所导致电路的误差还会是1%吗?

    最后,通过Excel生成简化之前的电路传递函数,模拟测试点输入TP79输入7V,TP80输入7.001V,R5、R74保持为理想电阻,分组调整R6、R7的误差,计算差分电路标准传递函数的输出值(Vo1),与计算差分电路化简之后传递函数的输出值(Vo2),如图2.48。

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    图2.48计算差动电路匹配电阻误差产生的影响

    结论如下:

    (1)R6、R7 使用理想电阻,Vo1与Vo2相同。

    (2)R6、R7 调整为1%误差电阻时,Vo1为0.136V ,Vo2为0.0099V二者差异巨大。

    (3)R6、R7调整为0.1%误差电阻时,Vo1为0.0227V ,Vo2为0.00999V二者仍存在明显差异。

    (4)R6、R7调整为0.01%误差电阻时(LT5400A为例),Vo1为0.01127V ,Vo2为0.009999V,二者误差为11%。

    (5)R6、R7 调整为0.0025%误差的精密电阻时(LT5400B为例),Vo1为0.01031797V,Vo2为0.00999975V,二者误差为3%。

    后续,项目负责人在原机型中,使用LT5400精密电阻替代原误差为1%的电阻R5、R74、R6、R7,整改设备顺利完成核心客户的测试验收。

    导致该故障的根本原因是由于差动电路的匹配电阻失配,使得整个电路对共模信号的抑制比远低于预期。电路共模抑制比的影响因素一部分来源于放大器内部(共模抑制比参数),另一部分来源于应用电路,例如差动电路的匹配电阻、信号源内阻。尤其是后者往往不被工程师所重视。

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  • 差分放大电路及其共模抑制特性。从对双端输入信号的差模和共模分解出发,提出差分放大电路不但能进行差分放大,而且具有共模抑制能力。
  • 差分放大电路及其共模抑制特性。从对双端输入信号的差模和共模分解出发,提出差分放大电路不但能进行差分放大,而且具有共模抑制能力。  可见差分放大后的输出消除了传输过程中引入的噪声干扰。 来源:神秘
  • 在各种应用领域,采用模拟技术时都需要使用差分放大电路,如图 1 所示。例如测量技术,根据其应用的不同,可能需要极高的测量 。...差分放大器抑制这种共模误差的能力以共模抑制比(CMRR) 来表示。它表示输出电压
  • 差动放大器之共模抑制比

    千次阅读 2021-01-14 22:54:51
    为了说明差分放大电路抑制共模信号及放大差模信号的能力,常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量,其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比,称为共模抑制比,英文全称是Common...

    一.概念

    为了说明差分放大电路抑制共模信号及放大差模信号的能力,常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量,其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比,称为共模抑制比,英文全称是Common Mode Rejection Ratio,因此一般用简写CMRR来表示,符号为Kcmr,单位是分贝db。
    一般运放都有 60dB 以上的 CMRR,高级的可达 140dB 以上。
    运算放大器在单端输入使用时,不存在这个概念。只有把运放接成类似于减法器形式使得运放电路具备两个可变的输入端时,此指标才会发挥作用。
    共模抑制比CMRR的定义是放大电路对差模信号的电压增益与对共模信号的电压增益之比的绝对值。因为我们要抑制零点漂移,所以共模电压增益越小越好,而差模电压增益越大越好。
    所以希望KCMR越大越好,KCMR越大,放大电路的性能越优良。

    二.影响因素

    1.电路对称性——电路中各个电阻的对称性决定了被放大后的信号残存共模干扰的幅度,电路对称性越差,其共模抑制比就越小,抑制共模信号(干扰)的能力也就越差。
    2.运放本身的共模抑制比

    三.计算公式

    共模抑制比CMRR是差模电压放大倍数Aud与共模放大倍数Auc的绝对值之比

    CMRR=│Aud/Auc│ 或者CMR=20lg

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  • CMRR
  • 调幅(AM)信号的包络线形状与调制信号一致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调,这种...普通调幅(AM)信号通过精密全波整流电路进行全波整流,然后经低通滤波器取出低频成分,经过信号放大,从而获得解调信号。
  • 差分放大电路的构成 直接耦合放大电路 零点漂移现象 输入短接,输出不是一条直线,就是交流量不是零。 一、产生原因 温漂,温度变化使静态工作点发生变化,产生零点漂移 二、抑制温漂的方法 加射极电阻Re,问题在于...

    差分放大电路的构成

    直接耦合放大电路

    零点漂移现象
    零点漂移现象
    输入短接,输入为零的时候,输出不是一条直线,就是交流量不是零。
    一、产生原因
    温漂,温度变化使静态工作点发生变化,产生零点漂移
    二、抑制温漂的方法
    加射极电阻Re,问题在于直接耦合影响放大倍数

    差分放大电路
    共模信号差模信号
    共模信号:大小相同方向相同的信号
    差模信号:大小相同方向相反的信号

    差分放大电路是怎么构成的?
    长尾式差分放大电路
    在阻容式耦合电路里面,在射极加了电阻Re之后虽然可以很好的抑制零点漂移也就是Q点的浮动,但是阻容式耦合还在Re旁边并联了一个电容Ce,到了直接耦合的时候是不能加电容的,否则无法集成。不加旁路电容的话,就对电路的放大倍数产生了巨大的影响。所以要在交流当中消除这个影响,而在直流当中保持者Re的存在。想要消除零点漂移产生的影响,可以再做一个完全对称的电路,输出是两个对称电路输出的差值,当发生零点漂移的时候,两个完全对称的电路都产生漂移,这样相减的时候,就把零点漂移的影响全部去掉了。
    当两个电路完全对称的时候,可以把两个Re变成一个Re,上一段所说的虽然解决了零点漂移的影响,但是两个电路输入同样的交流信号的时候,输出也会被减掉,所以交流通路的问题没解决,这样的话就不能在电路的两边输入共模信号,因为两个共模信号的放大也会被减成零,所以把两端的输入信号改成差模信号,这样一来,在交流通路里面两个相减就是完整的输出信号。
    再看Re的作用,直流通路中两个IE同时加在Re上,这样Re的作用就被扩大了两倍,能非常好的抑制温漂。交流通路中,因为输入的是差模信号,两个ie大小相同方向相反,Re上没有电流,Re就在交流通路中消失了。
    关于-VEE,按照以前一边加一个VBB交流信号的输入是浮空的,这很不好,所以将基极的两个VBB去掉,选择在发射极结一个VEE,效果是相同的,交流信号的输入一端也能接到地上,增加了信号的稳定性。
    差分放大电路里面共模信号是干扰。
    差分放大电路的构成
    差分放大电路的构成
    长尾式差分放大电路的分析
    1.共模的时候Ui1=Ui2 Uo=0 Auc=0
    2.差模的时候Ui1=-Ui2
    在这里插入图片描述
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    双端输入双端输出、双端输入单端输出的分析
    分析

    单端输入双端输出
    在这里插入图片描述
    单端输入双端输出可以等效成双端输入双端输出。

    具有恒流源的差分放大电路
    在使用的过程中,希望的是Re特别大,但是问题在于Re很大了之后,发射极可能无法导通,需要增加Vee的大小,所以希望的是能有一个内阻很大而且有稳定电流输出的电路,如下,使用三极管通过调节R1、R2、R3可以获得IC3=IE1+IE2
    在这里插入图片描述
    将电路画法简化之后如下

    在这里插入图片描述
    差分放大电路常放在输入端去抢信号,所以希望输入电阻很大,可以使用MOS管代替三极管,因为栅极与源极之间断路,所以输入电阻特别大。
    在这里插入图片描述

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  • 一、模信号、共模信号、共模抑制比 模又称串模:指的是两根线之间的信号差值。 共模噪声又称对地噪声:指的是两根线分别对地的噪声。 对于一对信号线A、B,模干扰相当于在A与B之间加上一个干扰电压,共模干扰...

    一、差模信号、共模信号、共模抑制比

    差模又称串模:指的是两根线之间的信号差值。
    共模噪声又称对地噪声:指的是两根线分别对地的噪声。

    对于一对信号线A、B,差模干扰相当于在A与B之间加上一个干扰电压,共模干扰相当于分别在A与地、B与地之间加上一个干扰电压;像平常看到的用双绞线传输差分信号就是为了消除共模噪声,原理很简单,两线拧在一起,受到的共模干扰电压很接近, Ua - Ub依然没什么变化,当然这是理想情况。比如,RS422/485总线就是利用差分传输信号的一种具体应用。

    实际应用中,温度的变化各种环境噪声的影响都可以视作为共模噪声信号,但如果在传输过程中,两根线的对地噪声哀减的不一样大,使得两根线之间存在了电压差,这时共模噪声就转变成了差模噪声。差分信号不是一定要相对地来说的,如果一根线是接地的,那他们的差值就是相对地的值了,这就是模拟电路中讲过的差分电路的单端输入情况。
    差分放大器,差模输入,差模是相对共模来说的。差分是一种方式。
    差模、共模信号,差分放大电路
    举例来说,假如一个ADC有两个模拟输入端,并且AD转换结果取决于这两个输入端电压之差,那么我们说这个ADC是差分输入的,并把这两个模拟输入端合在一起叫做差分输入端。但是加在差分输入端上的电压并不一定总是大小相等方向相反,甚至很多情况下是同符号的。(注:即不一定是一正一负)我们把它们的差叫做差模输入,而把它们共有的量(即平均值)叫做共模输入。
    差分是一种电路形式的叫法…
    差模是对信号的定义…(相对来说有共模…)
    差动=差分
    回答:差模信号:大小相等,方向相反的交流信号,共模信号:大小相等。方向相同。在差分放大电路中,经常提到共模信号和差模信号,在差分放大电路中共模信号是不会被放大的,可以理解为三极管的温漂引起的电流型号,为了形象化温漂而提出了共模信号,差模信号为输入信号,就是Ui,就是放大的对象。
    在差动放大电路中,有两个输入端,当在这两个端子上分别输入大小相等、相位相反的信号,(这是有用的信号)放大器能产生很大的放大倍数,我们把这种信号叫做差模信号,这时的放大倍数叫做差模放大倍数。如果在两个输入端分别输入大小相等,相位相同的信号,(这实际是上一级由于温度变化而产生的信号,是一种有害的东西),我们把这种信号叫做共模信号,这时的放大倍数叫做共模放大倍数。由于差动放大电路的构成特点,电路对共模信号有很强的负反馈,所以共模放大倍数很小。(一般都小于1)计算公式又分为单端输出和双端输出,所以有四个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。

    二、共模抑制比

    为了说明差动放大电路抑制共模信号的能力,常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量,其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比,称为共模抑制比,英文全称是Common Mode Rejection Ratio,因此一般用简写CMRR来表示。

    定义表达式:
    CMMRR=Aud/Auc;

    差模信号电压放大倍数Aud越大,共模信号电压放大倍数Auc越小,则CMRR越大。此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强,放大器的性能越好。当差动放大电路完全对称时,共模信号电压放大倍数Auc=0,则共模抑制比CCMR→∞,这是理想情况,实际上电路完全对称是不存在的,共模抑制比也不可能趋于无穷大。

    三、阻抗匹配

    1、输入阻抗
    输入阻抗是指一个电路的输入端的等效阻抗。可以理解为在输入端加上电压源U,测量输入端电流I,输入阻抗Rin就等于U/I(将所有电路元件作用的效果总和,等效到一个电阻Rin上)

    2、输出阻抗
    无论信号源或放大器还有电源,都有输出阻抗的问题。输出阻抗就是信号源的内阻。

    3、阻抗匹配
    常把对电路中电流所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗单位为欧姆,常用Z表示,是一个复数Z= R+i( ωL–1/(ωC))。具体说来阻抗可分为两个部分,电阻(实部)和电抗(虚部)。其中电抗又包括容抗和感抗,由电容引起的电流阻碍称为容抗,由电感引起的电流阻碍称为感抗。
    复数表示方法
    阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间达到一种适合的搭配。阻抗匹配主要有两点作用,调整负载功率和抑制信号反射。

    ● 调整负载功率
    假定激励源已定,那么负载的功率由两者的阻抗匹配度决定。对于一个理想化的纯电阻电路或者低频电路,由电感、电容引起的电抗值基本可以忽略,此时电路的阻抗来源主要为电阻。如图2所示,电路中电流I=U/(r+R),负载功率P=IIR。由以上两个方程可得当R=r时P取得最大值,Pmax=UU/(4r)
    在这里插入图片描述
    ● 抑制信号反射
    当一束光从空气射向水中时会发生反射,这是因为光和水的光导特性不同。同样,当信号传输中如果传输线上发生特性阻抗突变也会发生反射。波长与频率成反比,低频信号的波长远远大于传输线的长度,因此一般不用考虑反射问题。高频领域,当信号的波长与传输线长出于相同量级时反射的信号易与原信号混叠,影响信号质量。通过阻抗匹配可有效减少、消除高频信号反射。
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    正常信号
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    异常信号

    四 . 阻抗匹配的方法

    阻抗匹配的方法主要有两个,一是改变组抗力,二是调整传输线。

    改变阻抗力就是通过电容、电感与负载的串并联调整负载阻抗值,以达到源和负载阻抗匹配。

    调整传输线是加长源和负载间的距离,配合电容和电感把阻抗力调整为零。此时信号不会发生发射,能量都能被负载吸收。高速PCB布线中,一般把数字信号的走线阻抗设计为50欧姆。一般规定同轴电缆基带50欧姆,频带75欧姆,对绞线(差分)为85-100欧姆。

    五. 阻抗匹配的应用

    ● 功放与音箱

    无论是定阻抗式还是定电压式输出的功放,只有喇叭的总功率和功放的总功率相等时才能得到最佳的工作状态。音箱系统若要完全达到匹配是非常困难的,它的音频成分总是在不停的变化,好在音箱系统对阻抗匹配度要求并不高。最常见到的喇叭阻抗的标示值是8欧姆,它表示当输入1KHz的正弦波信号,它呈现的阻抗值是八欧姆;或者是在喇叭的工作频率响应范围内,平均阻抗为8欧姆。
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    ● PCB走线

    高频领域中,信号频率对PCB走线的阻抗值影响非常大。一般来说当数字信号边沿时间小于1ns或者模拟信号频率超过300M时就要考虑阻抗问题。PCB走线阻抗主要来自寄生的电容、电阻、电感系数,主要因素有材料介电常数、线宽、线厚乃至焊盘的厚度等。PCB 阻抗的范围是 25 至120 欧姆,USB、 LVDS、 HDMI、 SATA等一般要做85-100欧姆阻抗控制。
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    ● 天线设计

    研究天线阻抗的主要目的是为实现天线和馈线间的匹配。发射信号时应使发射天线与馈线的特性阻抗相等,以获得最好的信号增益。接收信号时天线与负载应做共轭匹配,接收机(负载)阻抗一般认为只有实数部分,因此需要用匹配网络来除去天线的电抗部分并使它们的电阻部分相等。图7为天线阻抗匹配时常用的π型网络,使用网络分析仪测量阻抗以确定 C1、C2、C3 的取值,完成阻抗匹配。
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    ● 终端匹配电阻

    在设计CAN总线、485总线时常需要在差分线两端加终端电阻(匹配电阻),以减少由特性阻抗突变造成的信号反射。如下图CAN总线网络,双绞线特性阻抗为120欧姆,若不加终端电阻两端直接悬空,空气的特性阻抗为无穷大。此时,极易出现图4所示的信号反射。
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  • part-8 共模抑制比CMRR的影响

    千次阅读 2017-04-22 15:21:24
    上节介绍了共模抑制比的定义以及产生的原因。这节主要介绍其影响。 简单来说,CMRR是运放的一个直流精度参数,它的好坏会引起运放的放大电路的输出误差的好坏。 一般运放datasheet标出的CMRR表示:在输入共模电压...
  •  与普通单端放大器相比, 差分放大器可以有效抑制输入信号中的共模噪声和地线电平电压浮动对电路的影响, 因此, 在工业应用中广受青睐。差分放大器中以仪表放大器应用最为广泛。随着技术的发展, 支持差分输入的...
  • 差分运算放大电路,对共模信号得到有效抑制,而只对差分信号进行放大,因而得到广泛的应用。1、如下图是差分电路的电路构型目标处理电压:是采集处理电压,比如在系统中像母线电压的...差分放大电路:①反馈,对于...
  • 摘要:目前市场上大部分仪用放大器的共模抑制比在200Hz处就开始衰减,因而难以满足某些设计要求,而美国ADI公司推出的增益可编程高性能仪用放大器AD8221,则能提供工业上最高的共模抑制比。AD8221在其增益为1时,...
  • 差分放大电路知识总结

    千次阅读 多人点赞 2019-09-30 12:02:28
     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...
  • 今天给大家介绍一些简单的全差分放大器,希望大家喜欢。 全差分运算放大器(Fully differential amplifiers,FDA)是简单的单极管运算放大器的进阶,通常在电路中,全差分运放会作为运放的第一级,它的作用是用来对...
  • 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...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1.差分放大电路的组成 差分放大电路 差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路,常作为集成运放的输入级。 1.差分放大电路的组成 差分放大电路是由典型的工作点稳定电路演变而来的。 图...

空空如也

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差分放大电路的共模抑制比