如何減少前端模擬器件的電磁干擾EMI

　　在醫(yī)療設(shè)備、汽車(chē)儀器儀表和工業(yè)控制等科技領(lǐng)域中，當(dāng)設(shè)備設(shè)計(jì)涉及應(yīng)變計(jì)、傳感器接口和電流監(jiān)控時(shí)，通常需要采用精密模擬前端放大器，以便提取并放大非常微弱的真實(shí)信號(hào)，并抑制共模電壓和噪聲等無(wú)用信號(hào)。首先，設(shè)計(jì)人員將集中精力確保器件級(jí)噪聲、失調(diào)、增益和溫度穩(wěn)定性等精度參數(shù)符合應(yīng)用要求。

　　然后，設(shè)計(jì)人員根據(jù)上述特性，選擇符合總誤差預(yù)算要求的前端模擬器件。不過(guò)，此類(lèi)應(yīng)用中存在一個(gè)經(jīng)常被忽視的問(wèn)題，即外部信號(hào)導(dǎo)致的高頻干擾，也就是通常所說(shuō)的“電磁干擾(EMI)”。EMI可以通過(guò)多種方式發(fā)生，主要受最終應(yīng)用影響。例如，與直流電機(jī)接口的控制板中可能會(huì)用到儀表放大器，而電機(jī)的電流環(huán)路包含電源引線(xiàn)、電刷、換向器和線(xiàn)圈，通常就像天線(xiàn)一樣可以發(fā)射高頻信號(hào)，因而可能會(huì)干擾儀表放大器輸入端的微小電壓。

　　另一個(gè)例子是汽車(chē)電磁閥控制中的電流檢測(cè)。電磁閥由車(chē)輛電池通過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)來(lái)供電，這些導(dǎo)線(xiàn)就像天線(xiàn)一樣。該導(dǎo)線(xiàn)路徑中連接著一個(gè)串聯(lián)分流電阻，然后通過(guò)電流檢測(cè)放大器來(lái)測(cè)量該電阻上的電壓。該線(xiàn)路中可能存在高頻共模信號(hào)，而該放大器的輸入端容易受到這類(lèi)外部信號(hào)的影響。一旦受到外部高頻干擾影響，就可能導(dǎo)致模擬器件的精度下降，甚至可能無(wú)法控制電磁閥電路。這種狀態(tài)在放大器中的表現(xiàn)就是放大器輸出精度超過(guò)誤差預(yù)算和數(shù)據(jù)手冊(cè)中的容差，甚至在某些情況下可能會(huì)達(dá)到限值，從而導(dǎo)致控制環(huán)路關(guān)斷。

　　EMI是如何造成較大的直流偏差呢?可能是以下一種情形：根據(jù)設(shè)計(jì)，很多儀表放大器可以在最高數(shù)十千赫的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出極佳的共模抑制性能。但是，非屏蔽的放大器接觸到數(shù)十或數(shù)百“兆赫”的RF輻射時(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。此時(shí)放大器的輸入級(jí)可能會(huì)出現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)整流，從而產(chǎn)生直流失調(diào)，進(jìn)一步放大后，會(huì)非常明顯，再加上放大器的增益，甚至達(dá)到其輸出或部分外部電路的上限。

　　關(guān)于高頻信號(hào)如何影響模擬器件的示例

　　本例將詳細(xì)介紹一種典型的高端電流檢測(cè)應(yīng)用。圖1所示為汽車(chē)應(yīng)用環(huán)境中用于監(jiān)控電磁閥或其它感性負(fù)載的常見(jiàn)配置。

　　圖1. 高端電流監(jiān)控

　　我們采用兩個(gè)具有類(lèi)似設(shè)計(jì)的電流檢測(cè)放大器配置，研究了高頻干擾的影響。這兩個(gè)器件的功能和引腳排列完全相同;不過(guò)，其中一個(gè)內(nèi)置EMI濾波器電路，而另一個(gè)則沒(méi)有。

　　圖2. 電流傳感器輸出 (無(wú)內(nèi)置EMI濾波器，前向功率 = 12 dBm, 100 mV/分頻，3 MHz時(shí)直流輸出達(dá)到峰值)

　　圖2所示為輸入在較寬頻率范圍內(nèi)變化時(shí)電流傳感器的直流輸出與其理想值的偏差情況。從圖中可以看出，在1 MHz至20 MHz的頻率范圍內(nèi)，偏差最為顯著(>0.1 V)，且3 MHz時(shí)直流誤差達(dá)到最大值(1 V)，這在放大器0 V至5 V的輸出電壓范圍中占據(jù)很大比例。

　　圖3所示為采用另一種引腳兼容電流傳感器時(shí)相同實(shí)驗(yàn)和配置的測(cè)試結(jié)果，其中電流傳感器具有與之前示例相同的電路架構(gòu)和類(lèi)似的直流規(guī)格，但是內(nèi)置輸入EMI濾波電路。注意，電壓范圍擴(kuò)大了20倍。

　　圖3. 電流傳感器輸出 (內(nèi)置EMI濾波器，前向功率 = 12 dBm, 5 mV/分頻，>100 MHz時(shí)直流輸出達(dá)到峰值)

　　這種情況下，40 MHz時(shí)誤差僅為3 mV左右，且峰值誤差(大于100 MHz時(shí))小于30 mV，性能提高35倍。這點(diǎn)清楚地表明，內(nèi)置EMI濾波電路有助于顯著提高電流傳感器防護(hù)性能，使其免受輸入端存在的高頻信號(hào)影響。在實(shí)際應(yīng)用中，盡管并不清楚EMI的嚴(yán)重程度，但是如果使用內(nèi)置EMI濾波功能的電流傳感器，實(shí)際上控制環(huán)路將會(huì)保持在其容差范圍內(nèi)。

　　這兩種器件都在完全相同的條件下進(jìn)行測(cè)試。唯一不同就是AD8208(參見(jiàn)“附錄”)在輸入引腳和電源引腳上都配有內(nèi)部低通RF輸入濾波器。在芯片上增添這樣的部件似乎微不足道，但是由于應(yīng)用通常由PWM進(jìn)行控制，這種情況下電流檢測(cè)放大器必須能夠承受最高45 V的連續(xù)開(kāi)關(guān)共模電壓。因此，要保持精確的高增益和共模抑制性能，輸入濾波器必須嚴(yán)格匹配。