一種前端放大器提高 EMI 抑制的方法

電磁干擾 (EMI) 是我們生活的一部分，無論是否是工程師。電子解決方案的普及是一件好事，因?yàn)殡娮釉O(shè)備為我們的生活帶來了舒適、安全和健康。然而，所有這些好東西繼續(xù)使我們的傳輸空間變得混亂。對(duì)這種干擾的最佳防御是通過專門設(shè)計(jì)用于阻止干擾的解決方案將這個(gè)問題扼殺在萌芽狀態(tài)。本博客展示了如何量化和快速解決傳感器電路中的 EMI 問題。

EMI 信號(hào)來自各種來源。這些來源包括我們周圍的標(biāo)準(zhǔn)電子設(shè)備;汽車、卡車和重型設(shè)備是 EMI 信號(hào)的固有發(fā)生器。對(duì)我們 21世紀(jì)的心而言，最親近的東西就是手機(jī)。手機(jī)提供了在街上行走時(shí)與朋友、家人和商業(yè)伙伴交流的便利。然而，這個(gè)小工具有可能產(chǎn)生干擾我們電子設(shè)備的 EMI 信號(hào)。所以，把手機(jī)放在實(shí)驗(yàn)室外面。

稱重傳感器和 EMI 錯(cuò)誤

EMI 信號(hào)中斷的一個(gè)很好的候選者是具有極低電壓或電流輸出信號(hào)的傳感器。EMI 信號(hào)的整流可能表現(xiàn)為間歇性直流電壓和電流偏移。例如，稱重傳感器電橋會(huì)產(chǎn)生一類模擬信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)帶來復(fù)雜的采集問題。稱重傳感器信號(hào)輸出可以在亞毫伏范圍內(nèi)，如果您對(duì)精度感興趣，放大電子設(shè)備會(huì)使測(cè)量活動(dòng)復(fù)雜化。

以電阻橋中配置的四元件稱重傳感器模型為例，假設(shè)對(duì)傳感器施加負(fù)載，則傳感器輸出端的電壓會(huì)產(chǎn)生小信號(hào)，最大值為數(shù)十 mV，出現(xiàn)在兩個(gè)電阻腿的中點(diǎn)之間。

這種設(shè)計(jì)配置通常稱為兩運(yùn)放儀表放大器。在這種分立設(shè)計(jì)中，TI 的OPA2187雙路放大器具有良好的帶寬和過溫匹配。TI 的REF2025 2.5V 參考電平將 A2 的輸出轉(zhuǎn)換為中央電源電壓。該儀表放大器通過使用運(yùn)算放大器同相輸入的高阻抗來減少源阻抗失配問題。

該電路的傳遞函數(shù)等于：

V OUT = (V IN+ – V IN- )(R 4 (1 + ?(R 2 /R 1 + R 3 /R 4 ) + (R 2 + R 3 )/R G )/R 3 ) + V CM (R 4 (R 3 /R 4 – R 2 /R 1 )/R 3 ) + 2.5V

當(dāng) R 1 = R 4且 R 2 = R 3時(shí)，傳遞函數(shù)變?yōu)椋?

V OUT = (V IN+ – V IN- )(1 + R 1 /R 2 + 2R 1 /R G ) + 2.5V

使用匹配的電阻器，電路增益會(huì)隨著一個(gè)電阻器 R G的變化而變化。

例如，16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 中的滿量程 5 V 產(chǎn)生 5V/2 16或 76.29 μV 的 1 LSB。失調(diào)電壓為 500 μV 的放大器遠(yuǎn)高于 1 LSB。為保持線性度并避免量化誤差，請(qǐng)選擇產(chǎn)生 ? LSB 的精密放大器。OPA2187 等零漂移放大器具有 10 μV 的失調(diào)電壓和 0.001 μV/℃ 的失調(diào)電壓漂移。

抗EMI運(yùn)算放大器的優(yōu)勢(shì)

零漂移放大器(例如 OPA2187 雙 0.001 零漂移運(yùn)算放大器)具有低電壓偏移和低 1/f 噪聲。避免 EMI 問題的預(yù)防措施包括濾波、屏蔽和正確接地。OPA2187 具有 EMI 和射頻干擾 (RFI) 過濾輸入。一個(gè)簡(jiǎn)單的低通無源濾波器 RC 濾波器，無論是在輸入端還是輸出端，都會(huì)影響放大器的動(dòng)態(tài)性能。抑制 EMI 和 RF 信號(hào)的最有效方法是使用集成方法。

OPA2187 中緊密匹配的硅集成濾波器減少了饋入 ADC 的信號(hào)路徑誤差。產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中的 EMI 抑制比 (EMIRR) 圖有助于更好地了解抗 EMI 放大器如何降低誤差。

例如，假設(shè)提供 50 dB EMI 抑制的非 EMI 強(qiáng)化運(yùn)算放大器的增益為 100。該放大器與 5V 滿量程 16 位 ADC 接口。

在放大器的輸入端，有一個(gè) –20 dBV 或 0.1 V RF 信號(hào)。計(jì)算會(huì)在輸入端產(chǎn)生 0.32 mV EMI 誤差或 0.1 V / 10 (50 / 20)。0.32 mV 的 EMI 誤差乘以 101 的增益會(huì)產(chǎn)生 31.9 mV 的誤差。使用 5-V 滿量程電壓范圍和 16 位 ADC，LSB 大小為 76.29 μV。大約 419 的數(shù)字計(jì)數(shù)損失等于 31.9 mV EMI 誤差除以 76.29 μV。諸如 OPA2187 之類的零漂移放大器在 1 GHz 時(shí)提供約 100 dB 的 EMIRR。

新的計(jì)算誤差會(huì)在輸入端產(chǎn)生 1 μV 的 EMI 誤差或 0.1 V / 10 (100 / 20)。1 μV 的 EMI 誤差乘以 101 的增益會(huì)產(chǎn)生 101 μV 的誤差。大約 1.4 的數(shù)字計(jì)數(shù)損失等于 101 μV EMI 誤差除以 76.29 μV。

上述設(shè)計(jì)示例顯示了 EMI 如何在沒有警告的情況下潛入您的電路。在傳感器電路中，EMI 表現(xiàn)為電壓偏移和偏移電流。該博客提供了一種計(jì)算策略來預(yù)先評(píng)估損失。拿出你的鉛筆和紙來量化潛在的 EMI 源。

對(duì)這種干擾的最佳防御始終是過濾、屏蔽和適當(dāng)?shù)慕拥丶夹g(shù)，以將這個(gè)問題扼殺在萌芽狀態(tài)。然后應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的設(shè)備來阻止干擾。

AEL是一種專有的邊沿速率控制技術(shù)，集成到許多Maxim® D類放大器中。AEL 電路減少了窄帶頻譜組件，而不會(huì)降低音頻性能。有關(guān)AEL電路的更詳細(xì)說明，請(qǐng)參見應(yīng)用筆記3973：“Maxim的有源輻射限制電路揭秘”。

快速輸出轉(zhuǎn)換通過最小化輸出器件上升和下降時(shí)間的損耗來提高效率。然而，這些快速轉(zhuǎn)換也引入了高頻內(nèi)容，對(duì)排放性能產(chǎn)生負(fù)面影響。借助 AEL，軌到軌輸出擺幅可智能控制，以降低輸出中不需要的快速開關(guān)頻率，同時(shí)仍保持高效率。圖2和圖3顯示了帶AEL的MAX98314 D類放大器與不帶AEL的D類放大器的效率和EMI性能(圖4和 圖5)。AEL 技術(shù)可顯著降低 EMI 輻射，同時(shí)保持高達(dá) 93% 的效率。

圖2.帶AEL的MAX98314 D類放大器的典型音頻效率。

圖3.帶AEL的MAX98314 D類放大器的EMI頻譜。AEL 可降低 EMI，并消除了傳統(tǒng) D 類器件中對(duì)輸出濾波的需求。EMI性能，60cm揚(yáng)聲器電纜，無輸出濾波器。

圖4.不帶 AEL 的 D 類音頻放大器的效率。

圖5.不帶 AEL 的 D 類音頻放大器的 EMI 頻譜。

結(jié)論

AEL 使設(shè)計(jì)人員能夠從 D 類放大器的高效率中受益，而無需擔(dān)心其開關(guān)拓?fù)洚a(chǎn)生的 EMI。AEL 技術(shù)可降低 EMI，并消除對(duì)濾波器和其他 EMI 抑制組件的需求。借助 D 類音頻放大器和 AEL，設(shè)計(jì)人員可以降低 EMI，實(shí)現(xiàn)更小的應(yīng)用，以更少的組件降低成本，并延長(zhǎng)當(dāng)今便攜式應(yīng)用中的電池壽命。