電磁干擾濾波可減少精密模擬應(yīng)用中的誤差

涉及應(yīng)變計、傳感器接口和電流監(jiān)測的設(shè)備設(shè)計，適用于醫(yī)療設(shè)備、汽車儀器儀表和工業(yè)控制等技術(shù)，通常需要一個精密模擬前端放大器，該放大器能夠提取和放大非常小的實際信號，同時抑制共模電壓和噪聲等不需要的信號。首先，設(shè)計人員將重點確保元件級噪聲、失調(diào)、增益和溫度穩(wěn)定性等精度參數(shù)適合應(yīng)用。

根據(jù)這些規(guī)格，設(shè)計人員選擇符合允許的總誤差預(yù)算的前端模擬元件。然而，在此類應(yīng)用中，經(jīng)常被忽視的問題是由外部信號的高頻干擾引起的。它通常被歸類為電磁干擾（EMI）。EMI主要受最終應(yīng)用的影響，可以通過多種方式發(fā)生。例如，儀表放大器可用于與直流電機接口的控制板。電機的電流環(huán)路由電源線、電刷、換向器和線圈組成，通常可以充當(dāng)天線，發(fā)射高頻信號，干擾儀表放大器輸入端的小電壓。

另一個例子是汽車電磁閥控制中的電流檢測。螺線管的電源由車輛電池通過可充當(dāng)天線的長線提供。在該導(dǎo)線路徑中連接一個串聯(lián)電阻分流器，其電壓由電流檢測放大器測量。放大器的輸入容易受到接線中可能存在的外部高頻共模信號的影響。如果模擬組件受到外部高頻干擾的影響，則可能會失去精度，甚至可能失去對螺線管電路的控制。這種情況表現(xiàn)為放大器的輸出精度超過誤差預(yù)算和數(shù)據(jù)手冊容差，或者在某些情況下達到限值，導(dǎo)致控制環(huán)路關(guān)斷。

EMI如何導(dǎo)致較大的直流偏差？這里有一種可能的機制：許多儀表放大器的設(shè)計和規(guī)格在高達數(shù)十千赫茲的頻率下具有出色的共模抑制。問題在于非屏蔽放大器暴露在數(shù)十或數(shù)百兆赫茲的RF場中。放大器的輸入級可能發(fā)生不對稱整流，產(chǎn)生直流失調(diào)，進一步放大后，直流失調(diào)可能很大，考慮到放大器的增益，甚至?xí)⑵漭敵龌蛲獠侩娐返哪承┎糠烛?qū)動到極限。

模擬元件如何受高頻信號影響的示例

本例將仔細(xì)研究一個典型的高端電流檢測應(yīng)用。用于監(jiān)控汽車環(huán)境中螺線管或其他感性負(fù)載的常見配置如圖1所示。

圖1.高邊電流監(jiān)控。

我們研究了使用兩個類似設(shè)計的電流檢測放大器在這種設(shè)置中高頻干擾的影響。兩個部分的功能和引腳排列完全相同;但是，一個器件包含內(nèi)部EMI濾波器電路，而另一個器件則沒有。

圖2.不帶內(nèi)部EMI濾波器的電流傳感器輸出（正向功率= 12 dBm，100 mV/分頻，3 MHz時峰值直流輸出）。

圖2顯示了當(dāng)輸入受到很寬頻率范圍的影響時，電流傳感器的直流輸出如何從其理想值變化?？梢钥闯?，在1 MHz至20 MHz的頻率范圍內(nèi)會出現(xiàn)顯著偏差（>0.1 V），峰值直流誤差為1 V，這是放大器0 V至5 V范圍的重要組成部分，在3 MHz時。

圖3顯示了使用引腳兼容電流傳感器進行相同實驗和設(shè)置的結(jié)果，該電流傳感器具有與前一種情況相同的電路架構(gòu)和類似的直流規(guī)格，但包括內(nèi)部輸入EMI濾波。請注意，電壓標(biāo)度擴大了 20×。

圖3.帶內(nèi)部EMI濾波器的電流傳感器輸出（正向功率= 12 dBm，5 mV/分頻，峰值直流輸出為>100 MHz）。

在這種情況下，40 MHz時的誤差水平僅為3 mV左右，而100 MHz以上的峰值誤差小于30 mV，提高了35×。這清楚地表明，內(nèi)部EMI濾波在很大程度上幫助保護電流傳感器免受其輸入端存在的高頻信號的影響。在實際應(yīng)用中，EMI的程度未知，如果使用具有內(nèi)部EMI濾波的電流傳感器，則可以實際預(yù)期控制環(huán)路將保持在容差范圍內(nèi)。

兩個部件的測試是在完全相同的條件下進行的。它們之間的唯一區(qū)別是AD8208（見附錄）在輸入和電源端子上集成了內(nèi)部低通RF輸入濾波器。這似乎是對硅的微不足道的補充，但在這種情況下，電流檢測放大器必須承受高達45 V的連續(xù)開關(guān)共模電壓，因為應(yīng)用通常由PWM控制。因此，為了保持精確的高增益和共模抑制，輸入濾波器必須緊密匹配。

為什么以及如何設(shè)計和測試EMI合規(guī)性

由于與普通電池、捆綁布線、各種電感負(fù)載、天線以及與汽車相關(guān)的外部干擾相關(guān)的嘈雜電氣環(huán)境，汽車應(yīng)用對EMI事件特別敏感。由于電子設(shè)備涉及控制關(guān)鍵功能，包括安全氣囊展開、巡航控制、制動和懸架，因此必須符合 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。不會因外部干擾而誤報或觸發(fā)。在早期，EMI一致性測試是汽車應(yīng)用中執(zhí)行的最后一次測試。如果出現(xiàn)問題，設(shè)計人員必須爭先恐后地尋找解決方案，這通常涉及更改電路板布局、添加額外的濾波器，甚至更換元件。

這種程度的不確定性對工程師來說代價高昂且令人擔(dān)憂，隨著時間的推移，汽車行業(yè)已經(jīng)采取了具體措施來提高EMI合規(guī)性。汽車原始設(shè)備制造商的設(shè)備必須符合EMI標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在要求半導(dǎo)體制造商（如ADI公司）在對器件進行認(rèn)證之前進行元件級EMI測試。這個過程正在變得普遍，因為所有IC制造商現(xiàn)在都被指示使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范測試組件的EMI合規(guī)性。

各種類型集成電路的標(biāo)準(zhǔn)EMI測試要求可以從國際電工委員會（IEC）購買。IEC 62132 和 IEC 61967 等文檔是了解 EMI 和 EMC 的非常好的工具;它們非常詳細(xì)地描述了如何使用行業(yè)認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)測試特定的集成電路。上述測試是使用這些指定的準(zhǔn)則執(zhí)行的。

特別是，這些測試是使用直接功率注入完成的，這是一種通過電容器將RF信號耦合到特定元件引腳的方法。根據(jù)被測IC的類型，測試器件的每個輸入，改變RF信號的功率電平和頻率范圍。圖4描述了如何在特定引腳上進行直接功率注入測試的簡化原理圖。

圖4.直接注入功率。

這些標(biāo)準(zhǔn)包括有關(guān)電路設(shè)置、布局方法和監(jiān)控技術(shù)的大量信息，這些信息是了解器件是否通過或失敗所必需的?；贗EC規(guī)范的更完整原理圖如圖5所示。

圖5.EMI敏感性測試示意圖。

總結(jié)

集成電路的EMI合規(guī)性對于成功的電子設(shè)計至關(guān)重要。本文將介紹在RF環(huán)境中進行直流測量的兩個非常相似的放大器在直流性能方面有何顯著差異，這僅取決于它們是否包含內(nèi)部EMI濾波器。在汽車應(yīng)用中，由于安全性和可靠性問題，EMI是一個特別重要的話題。ADI公司等IC制造商現(xiàn)在越來越多地在設(shè)計和測試用于關(guān)鍵應(yīng)用的器件時考慮EMI敏感性。IEC標(biāo)準(zhǔn)提供了有用的指南，具有重要的細(xì)節(jié)。對于汽車市場，AD8207、AD8208和AD8209等電流檢測器件已經(jīng)過EMI測試。 為滿足EMI要求而設(shè)計和測試的新型器件包括鋰離子電池安全監(jiān)控器AD8280和數(shù)字可編程傳感器信號放大器AD8556。

附錄

有關(guān)AD8208的更多信息：AD8208（圖A）是一款單電源差動放大器，非常適合在存在大共模電壓的情況下對小差分電壓進行放大和低通濾波。輸入共模電壓范圍為–2 V至+45 V，采用+5 V單電源供電。該放大器提供增強的輸入過壓和ESD保護，并包括EMI濾波。

圖 A. AD8208差動放大器。

AD8208適用于汽車應(yīng)用，這些應(yīng)用需要可靠的精密元件來改善系統(tǒng)控制，具有出色的交流和直流性能。典型失調(diào)和增益漂移分別小于5 μV/°C和10 ppm/°C。該器件采用 SOIC 和 MSOP 封裝，在直流至 10 kHz 范圍內(nèi)提供 80 dB 的最小 CMR。外部可訪問的100 kΩ電阻可用于低通濾波和建立20以外的增益。

審核編輯：郭婷