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運算放大器電路中射頻、電磁干擾的解決方案
 

【作者: 黃榮田】   2024年01月29日 星期一

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傳統的運算放大器電路EMI/RFI 解決方案,是使用靠近輸入端的低通濾波器 (LPF)防止它們進入運算輸入級,如下圖。



而精密儀表放大器(INA)或差動放大器由於對直流偏移誤差特別敏感,存在共模(CM) EMI/RFI,對 EMI/RFI 的敏感度更高;低功耗運算放大器同樣也有類似的問題。而共模扼流圈提供了一個簡單的單一組件EMI/RFI 保護,可取代被動 RC 濾波器。然而,選擇合適的共模扼流圈至關重要,如下圖。



又如下圖帶有 RC 的傳統三運算放大器的 INA在輸入端進行EMI/RFI過濾。如果 R5 – C5 的時間常數和R6 – C6 匹配不佳,部分輸入Vin 處的共模訊號將轉換為儀器上的差模訊號放大器輸入。因此,C5 和 C6 必須配對很好,要比C4小很多。而且,R5和R6也一定要配合好。


在這種類型的濾波器,C4必須遠大於C5或C6(C4 >> C5 和 C4 >> C6)以抑制雜散CM 轉換產生的差分訊號,總濾波器頻寬必須至少是輸入訊號頻寬的 10 倍。



原則上,濾波器組件必須對稱安裝在具有大面積接地層的 PC 板上並靠近儀表放大器輸入端以獲得最佳性能。對稱放置組件的一種方法是R5 – C5 和 R6 – C6 的放置圍繞 C4 對稱。


下圖是MCP6H04評估板(評估板編號:MCP6H04EV)與其他三個電路進行測試與比較。個人手機被用作EMI的產生訊號源,輸入訊號為 10 mV峰對峰值正弦波。手機距離評估板輸入端 10 厘米,產生的訊號大約是 850 MHz的GSM訊號。


從下面的四個波形不難看出,內建(EMIRR)97 dB @1.8 GHz的運放具有簡單、高效能的EMI/RFI抑制能力,完全不需要設計、調整。



而針對 EMI/ RFI的 PCB設計技巧提示如下:


●一般 EMI 會透過設計時的無意環路產生天線傳播。電流大小、EMI頻率和環路面積決定了天線的有效性, EMI 感應電流與環路面積成正比,越高的訊號頻率會與越大PCB 上相鄰導體耦合。因此,相鄰導體可以充當天線,包含環路電流的 PCB 走線和接線,並將 EMI/RFI 耦合進或出電路。


●平衡/對稱線路和平衡/對稱PCB訊號走線可用於幫助防止共模傳導或將感應的 EMI 轉換為差分訊號。如果沿線的電路表現出EMI 頻率下的共模抑制(CMR),共模 EMI 將被消除到一定程度。平衡線由兩條相同且分離的導體,彼此之間等距,並且具有一致的介電特性,使得它們的阻抗相同,且EMI的電壓/電流相同。


遵守以下準則,可有效消除或減少傳導引起的噪音:


1.在低電位時對運算電源線進行去耦頻率和高頻


2.降低共模阻抗


3.消除共享路徑


4.使用低阻抗電容和局部低電感去耦合


5.使用接地層和電源層


6.優化系統設計



在一些微訊號且高共模阻抗噪聲的應用中,干擾是很難被抑制的,系統架構可能需要改變。可能的變化包括:


●以差分形式傳輸訊號


●將訊號放大至更高水準以改善訊號雜訊比(SNR)


●將訊號轉換為電流傳輸


●將訊號直接轉換為數位形式


結論:


EMI 是當今的現實問題,它會影響大多數電子設備,包括醫療和航空電子設備裝置。現代設備IC常包含 EMI 濾波器,以確保設備在惡劣的 EMI 環境中正常運作。Microchip的運算放大器有越來越多的品項內建有EMIRR的功能而且高達上百dB。


本文說明了EMIRR運算放大器在抑制EMI/RFI干擾方面比其他沒有EMIRR運算放大器更簡便有效; 也說明了其他沒有EMIRR的運算放大器如何使用外部濾波器抑制 EMI、注意事項與可期待的效能。Microchip提供越來越多的內建EMIRR運放,不論是高、中、低帶寬的運放,請參考下圖。




歡迎參閱下列Microchip網址,了解更多相關的產品資訊:


https://www.microchip.com/en-us/products/amplifiers-and-linear-ics/operational-amplifier-ics


https://www.microchip.com/en-us/product/mcp6424


本文作者為:Staff Embedded Solutions Engineer 黃榮田


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