CMRR及其与ADC失调误差的关系详解

在不同的应用中，例如传感器测量系统和通信系统，我们观察到共模信号在模数转换器输入不是恒定的。 共模电压的变化可能是由于噪声分量平均耦合到ADC的两个输入，也可能源于正常的电路操作。

在本文中，我们将了解共模电平的变化如何影响ADC的性能。

为什么ADC共模抑制很重要？

图 1 显示了热电阻测量。

图1. RTD 测量的示例图

在上面的例子中，激励电流源迫使固定电流流过RTD和基准电阻R。 裁判. RTD两端的电压由 ΔΣ（三角积分）ADC.R两端的电压裁判还用于提供ADC的基准电压，从而产生比率测量。

除了提供基准电压外，R裁判电平将RTD电压移位至ADC的指定输入共模范围内。 让我们考虑100Ω铂RTD系统的一些典型值。 假设ADC采用3.3V单电源供电，激励电流为1 mA。 通常，中间电源在ADC的共模范围内。 基于这个假设，我们可以使用 R裁判 =1.6 kΩ，将RTD信号电平转换至1.6 V，接近电源电压的中点。

接下来，假设RTD温度从-100°C变为400°C，从而改变热电阻电阻从 60.256 Ω 到 247.092Ω。 在本例中，AINN输入保持在1.6 V，而AINP输入在指定温度范围内从约1.66 V变化至1.847V。 如果我们假设温度变化在我们的假设应用中遵循正弦波形，则AINN和AINP的电压类似于图2所示的波形。

图2. 应用图示例，显示 AINN、AINP 和共模电压的电压与时间的关系

上图中的绿色曲线显示了AINN和AINP的平均值，这是输入经历的共模电压。 在本例中，共模电压不是恒定的，变化幅度约为100mVp-p。 在理想的世界中，这应该不是问题。 理想的差分ADC测量其两个输入之间的电压差，并完全消除任何共模信号，如图3所示。

图3. 示例ADC测量其两个输入之间的电压差，消除了共模信号

然而，使用实际ADC时，共模信号只会衰减，而不是完全抑制。 这共模抑制比率（CMRR）是一个重要的指标，它表征ADC防止共模信号出现在ADC输出端的能力。

ADC共模抑制比方程

CMRR的传统教科书定义是差模增益（A差异）至共模增益（A厘米）的电路。 在数学上，我们得到等式 1：

在ADC中，差模增益是ADC线性模型的斜率，定义为输出代码变化与差分输入变化之比。 同样，A厘米通过将输出代码的变化除以输入共模信号的变化来找到。 除了输出代码的变化，我们还可以使用输出代码变化的模拟等效物来查找A厘米一个差异和CMRR。 CMRR通常使用公式2以dB表示：

例如，CMRR 规范的 AD4030-24 下表提供了。

表 1. 使用的数据由以下机构提供 ADI公司

对于10 kHz的共模信号，该器件的CMRR为132dB。 我们将很快讨论CMRR规范的一个重要测试条件是测量CMRR的输入共模。 如您所见，AD4030-24 CMRR测试的输入共模为2.5 V。

那么，AD4030-24的CMRR为132 dB意味着什么？ 这意味着，通过假设 A差异 = 1，AD4030-24在输出端将输入共模信号衰减132dB。 请注意，CMRR规范与频率相关。 数据手册通常提供器件CMRR与频率的关系图。 图4显示了AD4030-24的CMRR如何随频率变化。

图4. AD4020-24的CMRR频率变化

低于10 kHz，该器件可提供甚至大于132dB的CMRR。 如果要考虑特定频率下的性能，则应考虑该频率下的CMRR。

共模变化引起的输入误差

除了上面讨论的方程之外，我们还可以通过参考ADC输入共模变化产生的误差来推导出另一个有用的方程。 假设输入共模电压变化ΔV厘米，这会导致输出代码更改某个值。 如果输出代码变化的模拟等效值为ΔV外，我们得到：

我们可以说通过ΔV改变输入共模厘米产生不需要的 ΔV 误差外在 ADC输出端。 为了将该误差与输入端联系起来，我们可以将其除以ADC差模增益，得到：

通过将等式 1 代入上述等式，我们得到等式 3：

这意味着通过ΔV改变共模电压的效果厘米可以通过等于 （rac{| Delta V_{cm}|} 的误差项进行建模{CMRR}） 在ADC输入端。| D在cm| CMRR|ΔVcm| CMRR 在 ADC 输入端。

请注意，我们使用公式1提供的CMRR定义来推导出上述公式。 如果CMRR以dB为单位给出，我们应该首先使用公式2找到以V/V为单位的等效CMRR值，然后应用公式3。

让我们看一个例子。

共模 ADC 测量示例：

假设ADC的不同直流规格（包括CMRR参数）在2.5 V共模输入下测量。 对于低频共模信号，ADC的最小CMRR为100dB。 在我们的应用中，以下信号施加于ADC差分输入：

如您所见，ADC的使用共模电平与数据手册中指定的测试条件不同。 这将如何影响性能？

在本例中，共模输入为3.5 V，而不是数据手册测量中使用的2.5 V。 通过（| DeltaV_{cm}|=1）更改共模输入会产生一个参考输入的误差项，如下所示（公式3）：| D在cm|=1|ΔVcm|=1产生一个以输入为参考的误差项，如下所示（公式3）：

请注意，100 dB的CMRR产生

（rac{A_{diff}}{A_{cm}}=10^{5}rac{V}{V}），用于上式。 一个d我ff一个cm=105在在AdiffAcm=105VV，用于上式。

本例表明，将输入共模电压改变一个固定值会导致恒定的输入参考误差。 换句话说，我们可以通过ADC失调误差的变化来模拟共模值的恒定变化。 在上面的例子中，如果数据手册中的失调误差（在输入共模电压为2.5V时指定）为±30 μV，现在我们预计它会增加到±40 μV。

ADC输出端的恒定失调误差可轻松校准。 但是，变化的共模电压会导致ADC输入端的误差变化。 共模变化可能是由共模噪声引起的，例如电力线的50/60Hz噪声，或者它们可能只是源于我们系统的正常运行，如本文开头讨论的RTD测量系统。

关于ADC输入共模范围

不同的ADC设计用于支持不同的输入共模范围。 许多全差分的输入共模范围逐次逼近寄存器（SAR）ADC 仅限于 V 周围的小范围裁判/2.典型范围为（V裁判/2） ±100 mV.在这些情况下，我们需要将前一级的输出共模保持在ADC的共模范围内。 图5显示了具有输出共模引脚（V奥克姆） 可用于将 FDA输出的共模电平固定为 V裁判/2.

图5. 该图显示了一个全差分放大器，带有用于固定共模电平的输出共模引脚

还有具有宽输入共模范围的SAR ADC。 这种类型的示例（图 6）是 LTC2311-16 来自ADI公司。

图6. LTC2311-16 的框图

该器件的宽输入共模范围允许不同的输入配置，例如下面显示的伪差分单极性配置。 请注意，输入共模从 0 变为 V裁判在此示例中/2。

另一方面，大多数ΔΣ ADC旨在提供比SAR ADC更大的输入共模范围。 由于许多ΔΣADC内置可编程增益放大器（PGA），因此应该注意的是，如果我们将PGA配置为以更高的增益工作，ADC的共模范围可能会更小。

模数转换器电源抑制比（PSRR）

电源抑制比（PSRR）是ADC抑制电源变化的能力。 与CMRR效应类似，有限PSRR的影响可以建模为ADC输入端的误差源。 在这种情况下，输入参考误差由下式给出：

其中（| Delta V_{ps}|）表示电源电压的变化。| D在ps|| ΔVps| 表示电源电压的变化。

审核编辑：汤梓红