前端模擬器件的電磁干擾EMI減少方案

在醫療設備、汽車(chē)儀器儀表和工業(yè)控制等科技領(lǐng)域中，當設備設計涉及應變計、傳感器接口和電流監控時(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，并抑制共模電壓和噪聲等無(wú)用信號。首先，設計人員將集中精力確保器件級噪聲、失調、增益和溫度穩定性等精度參數符合應用要求。

　　然后，設計人員根據上述特性，選擇符合總誤差預算要求的前端模擬器件。不過(guò)，此類(lèi)應用中存在一個(gè)經(jīng)常被忽視的問(wèn)題，即外部信號導致的高頻干擾，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，主要受最終應用影響。例如，與直流電機接口的控制板中可能會(huì )用到儀表放大器，而電機的電流環(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，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。電磁閥由車(chē)輛電池通過(guò)長(cháng)導線(xiàn)來(lái)供電，這些導線(xiàn)就像天線(xiàn)一樣。該導線(xiàn)路徑中連接著(zhù)一個(gè)串聯(lián)分流電阻，然后通過(guò)電流檢測放大器來(lái)測量該電阻上的電壓。該線(xiàn)路中可能存在高頻共模信號，而該放大器的輸入端容易受到這類(lèi)外部信號的影響。一旦受到外部高頻干擾影響，就可能導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)在放大器中的表現就是放大器輸出精度超過(guò)誤差預算和數據手冊中的容差，甚至在某些情況下可能會(huì )達到限值，從而導致控制環(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：根據設計，很多儀表放大器可以在最高數十千赫的頻率范圍內表現出極佳的共模抑制性能。但是，非屏蔽的放大器接觸到數十或數百“兆赫”的RF輻射時(shí)，就可能會(huì )出現問(wèn)題。此時(shí)放大器的輸入級可能會(huì )出現非對稱(chēng)整流，從而產(chǎn)生直流失調，進(jìn)一步放大后，會(huì )非常明顯，再加上放大器的增益，甚至達到其輸出或部分外部電路的上限。

　　關(guān)于高頻信號如何影響模擬器件的示例

　　本例將詳細介紹一種典型的高端電流檢測應用。圖1所示為汽車(chē)應用環(huán)境中用于監控電磁閥或其它感性負載的常見(jiàn)配置。

圖1. 高端電流監控

　　我們采用兩個(gè)具有類(lèi)似設計的電流檢測放大器配置，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)內置EMI濾波器，前向功率 = 12 dBm, 100 mV/分頻，3 MHz時(shí)直流輸出達到峰值）

　　圖2所示為輸入在較寬頻率范圍內變化時(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，偏差最為顯著(zhù)（>0.1 V），且3 MHz時(shí)直流誤差達到最大值（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)驗和配置的測試結果，其中電流傳感器具有與之前示例相同的電路架構和類(lèi)似的直流規格，但是內置輸入EMI濾波電路。注意，電壓范圍擴大了20倍。