減少運(yùn)放和儀表電路中RFI整流 - RFI整流原理詳解

　　減少運(yùn)算放大器和儀表放大器電路中的RFI整流

　　EMI和RFI會(huì)嚴(yán)重影響高精度模擬電路的直流性能。由于帶寬相對(duì)較低，精密運(yùn)算放大器和儀表放大器不會(huì)精確放大MHz范圍內(nèi)的RF信號(hào)。但是，如果這些帶外信號(hào)能夠通過精密放大器的輸入、輸出或電源引腳耦合至精密放大器，這些信號(hào)就會(huì)通過各種放大器結(jié)點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)部整流，并最終在輸出端導(dǎo)致不必要的直流失調(diào)。之前關(guān)于該現(xiàn)象的理論探討已經(jīng)說明其基本機(jī)制。下一步要介紹合適的濾波如何減少或消除這些誤差。

　　合適的電源去耦可以將IC電源引腳上的RFI降至最低。放大器輸入和輸出還需要在器件級(jí)進(jìn)一步探討。此時(shí)，假定系統(tǒng)級(jí)EMI/RFI方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，如緊湊的RFI外形、正確接地的屏蔽層、電源軌濾波等。這些后續(xù)步驟可視為電路級(jí)EMI/RFI防護(hù)。

　　運(yùn)算放大器輸入

　　防止輸入級(jí)整流的最佳方法是采用靠近運(yùn)算放大器輸入的低通濾波器，如圖3所示。

　　圖3：用于運(yùn)算放大器電路的簡(jiǎn)單EMI/RFI噪聲濾波器

　　在左側(cè)示意圖的反相運(yùn)算放大器中，濾波器電容C位于等值電阻R1-R2之間。由此可以得出簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)折頻率表達(dá)式，如圖所示。在極低頻率或直流情況下，電路的閉環(huán)增益為–R3/（R1+R2）。注意，C不能直接連接至運(yùn)算放大器的反相輸入，否則會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定性。所選的濾波器帶寬至少為信號(hào)帶寬的100倍，以便將信號(hào)損失降至最低。

　　在右側(cè)示意圖的同相運(yùn)算放大器中，電容C可以直接連接至運(yùn)算放大器輸入，阻值為“R”的輸入電阻會(huì)和反相運(yùn)算放大器產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)折頻率。兩種情況下都應(yīng)采用低電感芯片式電容，如NP0陶瓷電容。電容在任何情況下都不應(yīng)出現(xiàn)損耗或電壓系數(shù)問題，因此只能選用上述NP0陶瓷電容或薄膜型電容。

　　需要注意的是，可以用鐵氧體磁珠代替R1，但是，鐵氧體磁珠阻抗無法精確控制，一般不超過100Ω（10 MHz至100 MHz時(shí)）。因此，需要采用容值較大的電容來衰減低頻。

　　儀表放大器輸入

　　由于存在共模（CM）EMI/RFI，精密儀表放大器對(duì)直流失調(diào)誤差尤為敏感。這和運(yùn)算放大器中存在的問題很像。而且，和運(yùn)算放大器相比，采用低功耗儀表放大器時(shí)，EMI/RFI靈敏度問題尤為嚴(yán)重。

　　圖4所示為儀表放大器器件級(jí)應(yīng)用正確的通用濾波方法。實(shí)際上，該電路中的儀表放大器可以采用各種器件中的任何一種。儀表放大器之前相對(duì)復(fù)雜的平衡RC濾波器可以處理所有的高頻濾波。儀表放大器可以通過其增益設(shè)置電阻，針對(duì)應(yīng)用所需的增益進(jìn)行編程（圖中未顯示）。

　　圖4：儀表放大器通用共模/差模RC EMI/RFI濾波器

　　注意，在濾波器中，共模（R1-C1和R2-C2）和差模（DM）信號(hào)（R1+R2，以及C3 || 串聯(lián)的C1-C2）均受到完全平衡的濾波。如果R1-R2和C1-C2匹配不佳，VIN的部分輸入共模信號(hào)就會(huì)轉(zhuǎn)換為儀表放大器輸入端的差模信號(hào)。因此，C1和C2相互間至少有5%匹配。R1和R2應(yīng)為1%金屬薄膜電阻，以利于匹配。假定從VIN端獲得的源阻抗相對(duì)R1-R2較低，且能夠匹配。在這種濾波器中，所選的C3應(yīng)遠(yuǎn)大于C1或C2（C3≥C1、C2），以便抑制由于R1-C1和R2-C2時(shí)間常數(shù)不匹配引起共模（CM）-差模（DM）轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致的雜散差分信號(hào)。

　　整體濾波器帶寬應(yīng)至少為輸入信號(hào)帶寬的100倍。實(shí)際上，濾波器元件應(yīng)對(duì)稱安裝在具有大面積接地層的PC電路板上，而且必須靠近儀表放大器輸入端，以便實(shí)現(xiàn)最佳性能。

　　圖5所示為該濾波器系列，適合各種不同的儀表放大器。RC元件應(yīng)按照表中要求，根據(jù)不同的儀表放大器量身定制。選擇這些濾波器元件是為了使低EMI/RFI靈敏度和低噪聲增加量達(dá)到適度平衡（與無濾波器的相關(guān)儀表放大器相比）。

　　圖5：適用于AD620系列、AD623、AD627和其它儀表放大器的靈活共模和差模RC EMI/RFI濾波器

　　為了測(cè)試配置的EMI/RFI靈敏度，可以向輸入電阻施加1 Vp-p的共模信號(hào)，如圖所示。采用常用的儀表放大器（如AD620），在增益為1000的條件下工作時(shí)，獲得的最大RTI輸入失調(diào)電壓偏移在20 MHz范圍內(nèi)為1.5μV。在AD620濾波器示例中，差分帶寬約為400 Hz。

　　共模扼流圈提供簡(jiǎn)單的單器件EMI/RFI保護(hù)，可以替代無源RC濾波器，如圖6所示。

　　圖6：為簡(jiǎn)明起見，以及實(shí)現(xiàn)最低噪聲EMI/RFI濾波操作，共模扼流圈適用于AD620系列儀表放大器

　　除了采用的元件數(shù)量較少以外，通過電阻的消除作用，基于扼流圈的濾波器還具有低噪聲。但是，選擇合適的共模扼流圈至關(guān)重要。圖6所示電路中采用的扼流圈是Pulse Engineering B4001。從DC至20 MHz（G = 1000）測(cè)得的最大RTI失調(diào)偏移為4.5μV?？梢圆捎矛F(xiàn)成的扼流圈（如B4001），也可以另行制造。繞組的平衡非常重要，因此，建議采用雙線繞組。當(dāng)然，磁芯材料必須能夠在預(yù)期頻帶內(nèi)工作。注意，和圖5中的RC濾波器系列不同，只采用扼流圈的濾波器無法提供差分濾波。通過增加圖5所示的R1-C3-R2連接，可以在扼流圈后采用第二級(jí)設(shè)置選擇增加差模濾波。