神秘的共模电压 (VCM) 与输出电压 (VOUT) 比较

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工程师们几十年来一直在努力理解神秘的共模电压 (VCM) 与输出电压 (VOUT) 比较图。尽管 VCM 与 VOUT 形状经常会因器件及设置配置的不同而不同，但最常见的形状则如图 1 所示。

随着 VCM 接近电源电压，内部运算放大器的输入／输出限制会限制器件的 VOUT 范围。因此，所应用 VCM 的输出摆幅通常取决于内部运算放大器拓扑、电源电压、增益以及参考电压。

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图 1. INA114 的共模电压与输出电压范围比较

图 1 中产品说明书图表的测试条件是 VS = ±15V，VREF = 0V。

很多应用都需要不同的工作条件，因此需要定制的 VCM 与 VOUT 比较图。精确的 SPICE 模型和 TINA-TITM 测试电路可生成这些图表，获得更进一步的了解。

图 2 是一个 TINA-TI 测试电路，可生成 INA114 的 VCM 与 VOUT 比较图。您可在这里下载仿真文件。如果您还没有安装 TINA-TI 软件，可在这里安装。

图 2. 用于生成 VCM 与 VOUT 比较图的 TINA-TI 测试电路

“CM”源可生成一个 1Hz 共模信号，峰至峰幅度等于两个电源的整个范围。

“DM”源和两个非独立源 VCVS1 与 VCVS2 可生成由该器件放大的差分输入信号。我将“DM”幅值设定为 600mVpp，以防止输入明显超过电源电压。

为测试该器件的输出极限，我通过将 R1 设定为 1.02kΩ，选择 50V/V 的增益。通过 1 秒瞬态分析得出了图 3 中的图表。

图 3. VCM 与 VOUT 的瞬态分析

注意，随着 VCM 接近电源电压，VOUT 将接近零。为了使瞬态分析看起来更像产品说明书曲线，我使用后处理器的 XY 绘图特性绘制出了输出电压 (X) 与共模电压 (Y) 的比较图。图 4 中的图表表明：在这些测试条件下，仿真图表与 INA114 产品说明书曲线关系密切。

图 4. INA114 的 TINA-TI 仿真图表（左）与产品说明书图表（右）

通过使用或修改该 TINA-TI 测试平台，不仅可快速评估 SPICE 模型 VCM 与 VOUT 特性比较的准确性，而且还可仿真改变工作条件的效果，如图 5 所示。

图 5. VREF = 7.5V 时，VCM 与 VOUT 的仿真比较图

因此，下次您对仪表放大器感到困惑时，请务必考虑一下应用的工作条件如何影响器件的VCM 与 VOUT 比较图。