为什么 ADC 共模抑制很重要？
图 1 显示了RTD 测量的简化图。
RTD 测量示例图。
图 1. RTD 测量示例图。图片由TI提供
在上面的示例中，激励
电流源强制固定电流流过 RTD 和参考
电阻器 R REF。RTD 两端的电压由ΔΣ (delta-sigma) ADC直接测量。R REF两端的电压还用于提供 ADC 的参考电压，从而实现比率测量。
除了提供参考电压之外，R REF电平还可将 RTD 电压移至 ADC 指定的输入共模范围内。让我们考虑 100 Ω 铂 RTD 系统的一些典型值。假设 ADC 采用 3.3V 单
电源供电且激励电流为 1 mA。通常，中间电源位于 ADC 的共模范围内。基于此假设，我们可以使用 R REF = 1.6 kΩ 将 RTD 信号电平转换至 1.6 V，该电压接近电源电压的中点。
接下来，我们假设 RTD 温度从 -100 °C 变为 400 °C，RTD 电阻从 60.256 Ω 变为 247.092 Ω。在此示例中，AINN 输入保持在 1.6V，而 AINP 输入在指定温度范围内从约 1.66V 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 中所示的波形。
示例应用图显示了 AINN、AINP 和共模电压的电压与时间的关系。
图 2. 显示 AINN、AINP 和共模电压的电压与时间关系的示例应用图。
上图中的绿色曲线显示了AINN和AINP的平均值，这是输入所经历的共模电压。在此示例中，共模电压不是恒定的，并且变化约 100 mVp-p。在理想的世界中，这不应该是一个问题。理想的差分 ADC 可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。
ADC 示例测量其两个输入之间的电压差，消除共模信号。
图 3. ADC 示例测量其两个输入之间的电压差，消除共模信号。图片由Microchip提供
然而，对于现实世界的 ADC，共模信号只会被衰减，而不会被完全抑制。共模抑制比 (CMRR) 是一项重要指标，它表征了 ADC 防止 ADC 输出中出现共模信号的能力。
ADC 共模抑制比方程
CMRR 的传统教科书定义是电路的差模增益 (A diff ) 与共模增益 (A cm ) 的比率。从数学上讲，我们得到方程 1：
等式 1。
在 ADC 中，差模增益是 ADC 线性模型的斜率，定义为输出代码的变化与差分输入变化的比率。类似地，A cm可以通过将输出代码的变化除以输入共模信号的变化得到。我们还可以使用输出代码中变化的模拟等效值来查找 A cm、A diff和 CMRR，而不是输出代码中的变化。CMRR 通常使用公式 2 以 dB 为单位表示：
等式2。
作为示例，下表提供了AD4030-24的 CMRR 规格。
表 1.使用的数据由Analog Devices提供
对于 10 kHz 的共模信号，该器件的 CMRR 为 132 dB。我们将很快讨论 CMRR 规范的一个重要测试条件是输入共模，在该条件下测量 CMRR。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，假设 A diff = 1，AD4030-24 会在输出端将输入共模信号衰减 132 dB。请注意，CMRR 规格与频率相关。数据表通常提供器件 CMRR 与频率的关系图。图 4 显示了 AD4030-24 的 CMRR 如何随频率变化。
AD4020-24 的 CMRR 频率发生变化。
图 4. AD4020-24 的 CMRR 频率变化。图片由Analog Devices提供
在低于 10 kHz 的频率下，该器件甚至可以提供超过 132 dB 的 CMRR。如果您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 输入的共模变化产生的误差来推导另一个有用的方程。假设输入共模电压变化 ΔV cm，这会导致输出代码变化一定值。如果输出代码变化的模拟等效值是 ΔV out，我们得到：
我们可以说，将输入共模改变 ΔV cm会在 ADC 输出处产生不需要的 ΔV out误差。为了将此误差与输入相关，我们可以将其除以 ADC 差模增益，得出：
输入
将式1代入上式，可得式3：
等式 3。
这意味着共模电压改变 ΔV cm的影响可以通过 ADC 输入处等于 \(\frac{|\Delta V_{cm}|}{CMRR}\) 的误差项来建模。
请注意，我们使用公式 1 提供的 CMRR 定义来推导上述公式。如果 CMRR 以 dB 为单位，我们应首先使用公式 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）是在 2.5 V 共模输入下测量的。对于低频共模信号，ADC 的 CMRR 为 100 dB。在我们的应用中，以下信号应用于 ADC 差分输入：
正如您所看到的，ADC 在与数据表中指定的测试条件不同的共模电平下使用。这将如何影响性能？
在此示例中，共模输入为 3.5 V，而不是数据表测量中使用的 2.5 V。通过 \(|\Delta V_{cm}|=1\) 更改共模输入会产生输入参考误差项，其计算公式如下（公式 3）：
此示例表明，将输入共模电压改变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。在上面的示例中，如果数据表偏移误差（在输入共模电压为 2.5V 时指定）为 ±30μV，现在我们预计它会增加到 ±40μV。
恒定的失调误差可以在 ADC 输出处轻松校准。然而，变化的共模电压会导致 ADC 输入出现变化的误差。共模变化可能是由共模噪声引起的，例如来自电力线的 50/60 Hz 噪声，或者它们可能只是源于我们系统的正常运行，就像在本文开头讨论的 RTD 测量系统的情况一样。文章。
关于 ADC 输入共模范围的说明
不同的 ADC 旨在支持不同的输入共模范围。许多全差分逐次逼近寄存器 (SAR) ADC的输入共模范围仅限于 V REF /2 左右的小范围。典型范围为 (V REF /2) ±100 mV。在这些情况下，我们需要将前级的输出共模保持在ADC的共模范围内。图 5 显示了如何使用具有输出共模引脚 (V ocm ) 的全差分
放大器 (FDA) 将 FDA 输出的共模电平固定在 V REF /2。
该图显示了带有用于固定共模电平的输出共模引脚的全
差分放大器。
图 5. 该图显示了带有用于固定共模电平的输出共模引脚的全差分放大器。图片由TI提供
还有具有宽输入共模范围的 SAR ADC。这种类型的一个示例（图 6）是Analog Devices 的 LTC2311-16 。
LTC2311-16 的框图。
图 6. LTC2311-16 的框图。图片由Analog Devices提供
该器件的宽输入共模范围允许不同的输入配置，例如下面所示的伪差分单极配置。请注意，在此示例中，输入共模从 0 更改为 V REF /2。
另一方面，大多数 ΔΣ ADC 的设计目的是提供比 SAR ADC 相对更大的输入共模范围。由于许多 ΔΣ ADC 都内置了可编程增益放大器 (PGA)，因此需要注意的是，如果我们将 PGA 配置为以更高的增益运行，则 ADC 的共模范围可能会更小。
ADC 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 的效应可以建模为 ADC 输入处的误差源。在这种情况下，输入参考误差由下式给出：
输入
_
_
_
_
推荐
_
_
_
_
_
_
_
错误
=
|
_
_
_
_
Δ
V
p
s
|
功率
比
_
_
其中 \(|\Delta V_{ps}|\) 表示电源电压的变化。
|
Δ
V
p
s
|
