一、什么是共模信号与差模信号

在理解共模抑制比之前，先要区分两个概念：共模信号（Common Mode Signal）和差模信号（Differential Mode Signal）。

• 差模信号指的是输入端两个信号之间的电压差。例如输入端有两个电压分别为V₁和V₂，那么差模电压为：

  $$V_{DM} = V_1 - V_2$$VDM=V1−V2

• 共模信号则是两个输入信号的平均值，也可以理解为它们都“共同”叠加的干扰电压：

  $$V_{CM} = \frac{V_1 + V_2}{2}$$VCM=2V1+V2

差分放大电路的理想行为是只对差模信号进行放大，而完全抑制共模信号。

二、共模抑制比（CMRR）的定义

1. 数学表达式

共模抑制比是衡量放大器对共模信号的抑制能力的指标。它定义为**差模增益（A_DM）与共模增益（A_CM）**的比值，通常用分贝（dB）表示：

$$\text{CMRR} = \frac{A_{DM}}{A_{CM}} \quad \text{或} \quad \text{CMRR(dB)} = 20 \log_{10}\left( \frac{A_{DM}}{A_{CM}} \right)$$CMRR=ACMADM或CMRR(dB)=20log10(ACMADM)

2. 实际意义

• CMRR越大，表示放大器对共模信号的抑制能力越强，抗干扰能力越好。

• 在高速、高精度应用中，CMRR的高低直接影响信号质量与系统稳定性。

三、差分放大电路中CMRR的实现原理

差分放大器通常采用两个晶体管或运放对称构建，理想情况下具有完全相同的电气特性。当有共模信号输入时，两个输入端同时升高或降低，理论上输出不会变化。然而，受限于器件参数、温度漂移和电路布局等因素，实际电路中无法实现完美对称，导致一定的共模信号泄露到输出端。

通过使用以下技术，可以提升CMRR：

1. 对称电路设计：确保两个输入端路径尽可能一致。

2. 电流源负载：使用高阻抗的有源负载（如恒流源）代替电阻，提高共模抑制能力。

3. 激光微调电阻：用于匹配电阻值，减少失配。

4. 集成运算放大器：芯片内部匹配精度更高，通常具有极高的CMRR。

四、CMRR的测试与测量方法

测试差分放大器的CMRR通常采用以下步骤：

1. 设置共模输入：将两个输入端连接在一起，输入一个已知的共模电压信号。

2. 测量输出电压：记录输出端的响应。

3. 计算共模增益：输出电压除以输入共模电压，即为A_CM。

4. 重复以上步骤测得差模增益，再计算CMRR。

测试时应注意使用屏蔽导线、差分探头等工具，避免环境噪声影响测量精度。

五、影响CMRR的因素分析

差分放大器的CMRR并非一成不变，以下因素可能会显著影响其表现：

六、CMRR在实际应用中的重要性

1. 工业传感器信号采集

许多工业传感器输出的是微小的差模信号，而周围电磁环境复杂，共模干扰显著。一个高CMRR的差分放大器可以有效提取有用信号，屏蔽噪声。

2. 音频设备

在麦克风、电吉他、音频放大器等领域，使用差分输入放大电路可以抑制电源噪声、地电位差等干扰，提高音质。

3. 通信系统

差分信号是高速通信线路的标准传输方式，CMRR决定了接收端对共模噪声的免疫力。

4. 医疗设备

如心电图（ECG）等设备需放大微弱的生物电信号，而高CMRR放大器是保证精度的关键。

七、提升CMRR的设计建议

1. 使用专用差分放大器芯片

如INA128、AD8421等，这些芯片内部已高度对称化设计，CMRR高达100dB以上，适合高精度应用。

2. 优化PCB布局

• 差分信号线等长等宽，走线对称。

• 使用地平面、分区布局降低噪声耦合。

3. 引入负反馈

在一定范围内，引入负反馈可稳定增益、抑制共模响应，提高系统鲁棒性。

八、总结

差分放大电路的**共模抑制比（CMRR）**是评价其抗干扰性能的重要指标，直接决定了其在复杂电磁环境下提取有效信号的能力。一个高CMRR的电路设计不仅要求器件匹配，还需考虑电路结构、PCB布局、温度稳定性等多个方面的优化。无论在工业、通信、医疗还是音频领域，CMRR都是设计者必须重视的核心参数之一。