共模抑制比 (CMRR)

共模抑制比 (CMRR)

物理定义	差模增益与共模增益的比值
常用单位	分贝 (dB)
核心公式	CMRR = 20 * log10(Ad / Ac)
应用领域	运算放大器、差分探头、传感器前端

共模抑制比 (CMRR) 是衡量差分放大电路抑制共模信号、放大差模信号能力的性能指标。在 EMC 环境复杂的工业和医疗现场，CMRR 直接决定了系统的信噪比。

数学定义

CMRR 定义为放大电路的差模电压增益 Ad 与共模电压增益 Ac 之比。为了方便工程计算，通常以对数形式（分贝）表示：

$\text{CMRR}=20\cdot {\log }_{10}\left(\frac{|A_d|}{|A_c|}\right)$

• Ad (Differential Gain)：有用差分信号的放大倍数。
• Ac (Common-mode Gain)：无用共模噪声在输出端产生的增益（理论上越趋近于 0 越好）。

为什么 CMRR 对工程至关重要？

1. 医疗设备精密采样：
   • 在医疗监护仪中，人体携带的 50Hz/60Hz 工频干扰属于巨大的共模信号。只有具备高 CMRR（通常需 > 100dB）的前置放大器，才能从几百伏的共模背景中提取出毫伏级的微弱心电信号。
2. 50kW 系统中的信号传输：
   • 在变频器中，IGBT 或 SiC 的高速开关会产生极强的共模电位跳变。如果电流采样芯片或驱动反馈电路的 CMRR 不足，共模电压会转化为差模噪声，导致保护电路误动作或采样失真。

影响 CMRR 的关键因素

1. 阻抗匹配：
   • 差分对两臂的电阻精度是决定 CMRR 的核心。即使选用 0.1% 精度的电阻，在低频下的 CMRR 也难以超过 60dB。
2. 频率响应：
   • CMRR 随频率升高而迅速下降。在处理 SiC 产生的数十 MHz 高频噪声时，很多放大器的 CMRR 会降至 20dB 以下，失去抑制能力。
3. 寄生电容：
   • PCB 布局中，差分线对地寄生电容的不对称会直接导致高频下的 CMRR 恶化。

工程应用建议

• 选用仪表放大器：对于极高性能要求的场合，应优先选用仪表放大器结构，而非普通的运放加外接电阻。
• 差分探头使用：在测量 50kW 系统波形时，必须关注测试探头的 CMRR。低端探头在高频下无法抵消共模电压，看到的波形可能全是虚假的震铃。
• 隔离技术：如果 CMRR 无法满足需求，可以使用光耦隔离或磁隔离技术，通过物理阻断共模路径来达到目的。

参见

• 共模干扰
• 差分信号
• dv/dt
• 仪表放大器