Rasio Penolakan Mode Umum op-amp

CMRR op-amp adalah rasio gain mode diferensial dan gain mode umum. Apa perbedaan antara keduanya? Apa pentingnya CMRR dalam kinerja op-amp? Bagaimana CMRR dalam mempengaruhi tegangan offset dan tegangan output?

Untuk menunjukkan perbedaannya, berikut adalah bentuk dasar dari penguat diferensial yang membentuk tahap input untuk opamp:

Perhatikan ada dua sinyal input di setiap sisi. SIG dan SIG_INV adalah input diferensial 1kHz (SIG adalah 180 ° bergeser dalam fase dari SIN_INV), dan SIG_COM adalah input mode umum 9kHz (sinyal yang sama di setiap sisi yang direferensikan ke tanah, yaitu perbedaan fase 0 °)
. Sinyal-sinyal ini keduanya berada pada Tingkat 10mV (20mV pk-pk).

Sekarang mari kita lihat simulasi:

Kita dapat melihat input (dirujuk ke ground) adalah campuran dari kedua sinyal, tetapi outputnya hanya sinyal diferensial 1kHz dengan kira-kira kenaikan 100. Penguat diferensial telah menolak hampir semua sinyal mode umum 9kHz.

Untuk melihat persis berapa banyak sinyal 9kHz yang melewati ke keluaran, berikut ini simulasi lagi dengan hanya ada sinyal 9kHz:

Sekarang kita bisa melihat outputnya kira-kira 10mV pk-pk (+/- 5mV), jadi ada kenaikan 0,5. Kita sekarang dapat menghitung CMRR karena kita tahu gain diferensial adalah 100 dan mode umum adalah 0,5, jadi 100 / 0,5 = 200 = 46dB.
Ini bukan rasio yang sangat baik, tetapi ini adalah bentuk penguat diferensial yang paling dasar. Opamp khas akan sangat meningkat pada angka ini dengan misalnya, menggunakan sumber arus bukan resistor ekor umum (R3) (juga hal-hal lain juga).
Demi kepentingan, saya baru saja mengganti R3 dengan sumber arus ideal dan ini mengurangi output mode umum menjadi 324uV pk-pk (untuk 20mV pk-pk di) sehingga gain mode umum adalah 0,0162 dan dengan demikian CMRR ditingkatkan menjadi 20 * log10 (100 / 0,0162) = ~ 75,8dB. Opamp berkualitas tinggi mungkin mencapai 120dB atau lebih.

Menghitung CMRR dari nilai komponen

Pada penguat diferensial di atas, kita dapat menghitung penguatan diferensial dan penguatan mode umum dengan mudah. Berikut adalah rumus dengan penjelasan singkat:

The gain diferensial adalah:

Gdiff = Rc / (2 * (Re + re)) di mana Re adalah nilai resistor emitor dan re adalah resistensi emitor intrinsik, yang diberikan oleh ~ 25mA / Ic.
Jadi, untuk sirkuit kami di atas, kami mendapatkan:

re = 25mA / 100uA = 250Ω
Gdiff = 75k / (2 * (100Ω + 250Ω)) = 107, yang sesuai dengan simulasi kami.

The gain mode umum diberikan oleh:

Gcm = -Rc / ((2 * Rtail) + Re + re) - tanda minus berarti output terbalik (pergeseran 180 °) Rtail adalah R3 dalam skema di atas (pasangan differnetial kadang-kadang disebut sebagai "ekor panjang" pair ", jadi ini resistor" tail ")
Jadi, kita dapat:

Gcm = -75kΩ / (2 * 75kΩ) + 100 Ω 250Ω) = ~ -0.5, yang kembali setuju dengan simulasi kami.

The CMRR baik dapat dihitung dengan menggunakan hasil di atas, atau dapat dihitung langsung menggunakan:

20 * log10 (Rtail / (Re + re)) = 20 * log10 (75kΩ / (100 + 250)) = 46.6dB, yang sekali lagi setuju dengan apa yang dapat dilihat dalam simulasi.

Dari rumus di atas, kita dapat melihat bahwa rasio antara resistor ekor dan resistor emitor adalah faktor utama yang mengendalikan CMRR, sehingga menggunakan sumber arus impedansi tinggi meningkatkan keadaan secara dramatis.

Persamaan di atas tidak memperhitungkan semuanya (Anda perlu melakukan beberapa bacaan lebih lanjut untuk efek yang lebih halus), tetapi membuat Anda cukup dekat untuk sebagian besar aplikasi.

Fungsi transfer opamp adalah

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

Dimana $G$adalah keuntungan. Jadi ketika kedua input sama, output harus nol. Untuk opamps dunia nyata ini tidak begitu. Jika Anda menerapkan 10 V untuk kedua input Anda akan memiliki tegangan output kecil yang lebih tinggi daripada ketika Anda menerapkan 5 V untuk kedua input. CMRR 100 dB akan melemahkan level input umum ini dengan faktor 100.000, sehingga 10 V akan dikurangi menjadi 100 μV.

Semakin tinggi CMRR, semakin baik. Opamp yang ideal seharusnya tidak menunjukkan sinyal input mode umum apa pun.

Secara umum, gain mode diferensial adalah gain dari perbedaan sinyal, sering ditemukan dengan hanya mengambil gain sinyal keluaran tunggal dari 2 input op-amp dan membaginya melalui perbedaan input. Gain mode umum adalah berapa banyak sinyal input umum yang dilewatkan ke sisi output dibagi dengan sinyal input diferensial.

Pentingnya yang sangat PENTING untuk diingat, adalah bahwa CMRR memberi tahu seberapa baik penguat input diferensial menolak noise yang umum untuk kedua jalur input. Bayangkan Anda memiliki noise 60Hz di kedua jalur. Dengan CMRR yang baik, sangat sedikit dari noise yang tidak diinginkan tersebut dilewatkan ke output. Ini juga merupakan alasan utama mengapa Anda melihat bahwa teknik diferensial sangat umum digunakan dalam op-amp.

Common Mode Rejection Ratio adalah rasio antara gain tegangan mode diferensial dan gain tegangan mode umum. Semakin besar CMRR, semakin besar kemampuan DA untuk menolak sinyal mode umum.
Ada dua sinyal input DA: satu adalah sinyal mode umum, yang lain adalah sinyal mode diferensial. Ketika sinyal input DA menjadi fase yang sama dan amplitudo yang sama itu disebut sinyal mode umum. Ketika sinyal input berada dalam amplitudo yang sama tetapi pergeseran fasa 180 derajat maka itu disebut sinyal mode diferensial.