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使用运算放大器来减少PCB上的近场EMI

减少PCB设计上电磁干扰(EMI)的最佳方法之一就是灵活地使用运算放大器。遗憾的是,在许多应用中,运算放大器的这个作用通常被忽略了。这可能是源于“运放易受EMI的影响,且必须采取额外的措施来增强其对噪声的抗干扰性”这样一种成见。

汽车、工业、医疗和许多其它应用经常会用到一些敏感的模拟电路,这些电路在其工作环境中必须能完成它们的功能,同时还要保持对噪声干扰免疫。许多这些干扰由位于同一印刷电路板(PCB)上附近的“噪声”电路引发,这些噪声会耦合到PCB及其电路上的电缆接口。

减少PCB设计上电磁干扰(EMI)的最佳方法之一就是灵活地使用运算放大器(简称“运放”)。遗憾的是,在许多应用中,运算放大器的这个作用通常被忽略了。这可能是源于“运放易受EMI的影响,且必须采取额外的措施来增强其对噪声的抗干扰性”这样一种成见。尽管许多以前生产的器件确实是这样,但设计师可能没意识到,新近的运放通常具有比前世代更好的EMI免疫性能。设计师也可能不了解,或没考虑运放电路可以为减少其系统和PCB设计中的噪音所提供的关键优势。本文回顾EMI的来源,并讨论了有助于减轻敏感PCB设计上的近场EMI的运放特性。

EMI源、受扰电路和耦合机制

EMI是由无意且常常以不期望的方式冲击二级电路(second electrical circuit)的电噪声源引起的干扰。在所有情况下,干扰噪声信号都是电压、电流、电磁辐射这三者之一,或噪声源以这三种形态的某种组合耦合到受扰电路。

EMI不限于射频干扰(RFI)。 “较低”频率范围内低于射频的频段存在强大的EMI源,如开关稳压器、LED电路和工作在几十到几百千赫范围内的电机驱动器。60Hz线电路噪声是另一个例子。噪声源通过四种可能的耦合机制中的一种,或多种将噪声传递到受扰电路。四种方式中的三种被认为是近场耦合,包括:传导耦合、电场耦合和磁场耦合。第四种机制是远场辐射耦合,其中电磁能在多个波长上辐射。

差模噪声的有源滤波

有源运放滤波器可以在电路带宽内显着降低PCB上的EMI和噪声,但在许多设计中它们未被充分利用。期望的差模(DM)信号可以被频带限制,而不需要的DM噪声被滤除掉。图1显示了通过寄生电容(CP)耦合到输入信号中的DM噪声。组合信号和噪声由一阶有源低通滤波器接收。差分运放电路的低通截止频率被设置为仅高于由R2和C1确定的所需信号带宽。

较高的频率以20dB/decade的幅度衰减。如果需要更大衰减,则可以使用高阶有源滤波器(例如,-40或-60 dB/decade)。

推荐使用

使用运算放大器来减少PCB上的近场EMI

图1:DM和CM输入噪声施加于有源运放滤波器

降低输入共模噪声

图1中,共模(CM)噪声源也在电路输入端产生噪声。CM噪声可被描述为在两个运放输入端是公共(或相同)的噪声电压,并且不是运放试图测量或调节的预期差模信号的一部分。CM噪声可以多种方式发生。一个示例是:一个系统,其中一个电路的接地参考电压与其接口的第二个电路处于不同的电压电位。“接地”电压的差异可以是毫伏级或若干伏水平,并且也可能发生在许多不同的频率。电压的这些差异会导致意外的压降并可能干扰连接电路的电流流动。

具有众多电路的汽车、飞机和大型建筑物通常易受这种类型的干扰。

运放的一个关键优点是它们的差分输入级架构,以及在配置为差分放大器时抑制CM噪声的能力。为每个运放指定了共模抑制比(CMRR),但电路的总CMRR还必须包括输入和反馈电阻的影响。电阻变化强烈影响CMRR。因此,需要容差为0.1%、0.01%或更好的匹配电阻、才能实现应用所需的CMRR。虽然使用外部电阻可以实现良好的性能,但使用具有内部微调电阻的仪器或差分放大器也是一种选择。例如,INA188是具有内部微调电阻和104dB高CMRR的仪表放大器。

在图1中,如果噪声在电路的有效带宽内,则CM噪声(VCM_noise = VCM1 = VCM2)可被运放电路的CMRR所抑制。抑制水平取决于R2 / R1选择的精确匹配电阻。公式1可用于确定CMRRTOTAL,它包括数据手册中规定的电阻容差(RTOL)和运放CMRR的影响。例如,如果运放数据手册给定其CMRR(dB)= 90dB,则(1/CMRRAMP)= 0.00003。在许多电路中,电阻容差成为实现目标CMRRTOTAL的主要限制因素。

方程式1是从参考文献1所描述的理想运放的CMRR等式中导出,其中CMRRAMP项被假定为非常大(无穷大)。对于理想运放,(1/CMRRAMP)项为零,CMRRTOTAL仅由电阻和AV确定。CMRRTOTAL可以使用公式2转换为dB。

使用运算放大器来减少PCB上的近场EMI

其中AV =运放的闭环增益,RTOL = R1和R2的容差%(例如,0.1%,0.01%,0.001%),CMRRAMP =数据表规范中以十进制格式表示的CMRR(不是dB)。

提高对RFI和其它高频EMI的抗扰度


(责任编辑:ioter)

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