共模抑制比

共模抑制比

外文名	Common-Mode Rejection Ratio
缩写	CMRR
单位	分贝 (dB)
核心意义	放大器抑制共模噪声的能力
关联术语	差分放大器、共模噪声、仪表放大器

共模抑制比（CMRR）是衡量差分放大器（Differential Amplifier）性能的关键参数。它定义为放大器对差模信号（Differential-mode signal）的电压增益与对共模信号（Common-mode signal）的电压增益之比。

在高噪声环境（如含有工频干扰或射频骚扰的环境）中，CMRR 越高，放大器就越能有效地消除出现在两个输入端上的相同噪声，从而保证输出信号的纯净度。

数学定义

CMRR 的基本计算公式为：

$\text{CMRR}=\left|\frac{A_d}{A_c}\right|$

在工程实践中，通常以分贝（dB）为单位表示：

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

其中：

• $A_d$：差模增益（Differential Gain），指两个输入端信号差值的放大倍数。
• $A_c$：共模增益（Common-Mode Gain），指两个输入端共同信号（通常为干扰）的放大倍数。理想情况下，$A_c=0$，此时 $\text{CMRR}\to \mathrm{\infty }$。

物理意义

• 差模信号： $V_d=V_{in+}-V_{in-}$（我们希望提取的有用信号）。
• 共模信号： $V_c=\frac{V_{in+}+V_{in-}}{2}$（通常是由地电位差、空间辐射耦合带来的干扰信号）。

高 CMRR 意味着放大器能够“识别”并“拒绝”那些同时出现在两个输入端的干扰，只对两个输入端之间的细微差别进行放大。

影响 CMRR 的因素

1. 电阻匹配度： 在差分放大电路中，如果反馈电阻的比值不严格相等（如 $0.1\mathrm{\%}$ 的误差），就会导致共模信号转化为差模信号输出，显著降低 CMRR。
2. 内部晶体管对称性： 运算放大器内部差分对管的特性不一致也会限制 CMRR。
3. 频率特性： CMRR 随频率升高而下降。在高频段（如数 MHz 以上），由于寄生电容的不平衡，放大器的共模抑制能力会迅速减弱。

在 EMC 工程师视角下的应用

• 医疗电子整改： 医疗设备（如心电图机）的传感器导线很长，极易耦合工频 $50/60\text{Hz}$ 噪声。高 CMRR 的前置放大器是确保波形不失真的关键。
• 共模转差模 (Mode Conversion)： 在 EMC 测试中，如果电缆屏蔽不良或 PCB 走线不对称，会导致原本的共模骚扰转化为差模噪声进入敏感电路。提高电路的 CMRR 是解决此类传导抗扰度（CS）问题的有效手段。
• 混合模式 S 参数： 在高速数字电路分析中，$S_{cd21}$ 参数本质上反映了互连结构的共模抑制能力，即共模能量转换成差模能量的比例。
• 仪表放大器的选择： 对于小信号采集系统，选择具有高静态 CMRR 和宽频带 CMRR 的专用仪表放大器（In-Amp）是“设计驱动兼容”的重要环节。

参见

• 电磁兼容
• 阻抗
• 惠斯通电桥
• S参数
• 运算放大器