信號鏈基礎知識 #53 正確調節濾波器各組件以提高降噪效果

在 DC 到低頻傳感器信號調節應用中，僅依靠?jì)x表放大器的共模抑制比 (CMRR) 并不足以在惡劣的工業(yè)使用環(huán)境中提供穩健的噪聲抑制。要想避免多余噪聲信號的傳播，對儀表放大器輸入端低通濾波器中各組件進(jìn)行正確的匹配和調節至關(guān)重要。最終，才能讓內部電磁干擾/無(wú)線(xiàn)電頻率干擾 (EMI/RFI) 濾波和 CMRR 共同作用，降低其他噪聲，從而達到可以接受的信噪比 (SNR)。

例如，請思考圖1 所示低通濾波器實(shí)施。電阻傳感器通過(guò)一個(gè)低通濾波器網(wǎng)絡(luò )差動(dòng)連接至一個(gè)高阻抗儀表放大器，而低通濾波器網(wǎng)絡(luò )由 R_SX 和 C_CM 組成。理想情況下，如果每條輸入支線(xiàn)的 C_CM 都完全匹配，則兩個(gè)輸入端共有的噪聲量將在到達 INA 輸入端以前得到相應的降低。

共模濾波器電容 (Ccm) 完全匹配時(shí)，噪聲幾乎被徹底消除。圖2 顯示了 TINA SPICE 仿真的這一結果，其將一個(gè) 100 mVpp、100 kHz 的共模誤差信號注入到 INA333 輸入端。

這種方法存在的問(wèn)題是現貨電容都有一個(gè) 5% 到 10% 的典型容差，這就是說(shuō)如果每條支線(xiàn)的 C_CM 反向不匹配，總差動(dòng)容差便會(huì )高達 20%。圖3 更好地表示了這種電容不匹配，同時(shí)還顯示了電阻傳感器輸出端的共模噪聲輸入 (e_N) 情況。

這種輸入不匹配 (?C) 形成截止頻率誤差，使共模噪聲 eN 差動(dòng)進(jìn)入 INA 輸入，之后被增益輸出，成為誤差電壓。方程式1-3 顯示了到達輸入端的共模噪聲量：

方程式1

假設傳感器信號 Vsensor的頻率遠低于所有共模濾波器的噪聲截止頻率（即f_C ≥ 100*f_sensor），并且 R_S1 = R_S2，則轉換為差動(dòng)噪聲信號 (e_IN) 并成為 V_IN 組成部分的共模噪聲信號 (e_N)大小為：

方程式4 進(jìn)一步表明，通過(guò)向 INA333 注入一個(gè) 100 mVpp、100 kHz 共模誤差信號，且1.6 kHz 濾波器截止頻率 RC 不匹配為 10% 時(shí)，其所產(chǎn)生的誤差如下：

圖5 顯示了一種更好且更常見(jiàn)的輸入濾波方法，其改進(jìn)是在儀表放大器輸入之間添加了一個(gè)差動(dòng)電容 C_diff。

添加這種電容并沒(méi)有徹底解決問(wèn)題，因為必須按照如下兩個(gè)標準對 C_diff 進(jìn)行調節：

1、差動(dòng)截止頻率必須足夠高，以遠離信號帶寬，從而實(shí)現充分的濾波穩定。

2、差動(dòng)截止頻率必須要足夠低，以將共模噪聲降至可接受水平，讓儀表放大器 CMRR 能夠實(shí)現剩余噪聲抑制，最終達到可以接受的 SNR。方程式5 給出了進(jìn)行這種調節的一般原則：

圖6 顯示了 V_inP 和 V_inN 曲線(xiàn)圖與無(wú) C_diff 和 C_diff =1時(shí)兩種頻率的對比情況。請注意，沒(méi)有差動(dòng)電容時(shí)，INA333 的輸出大小有差別。這種差別被放大至輸出，成為最終降低 SNR 的噪聲。C_diff =1 F時(shí)，V_inP 和 V_inN 之間的差最小。

圖7 顯示了 C_diff =1F 時(shí) INA333 輸出的總噪聲性能改善情況。

總之，安裝于儀表放大器前部的低通濾波器應該有一個(gè)差動(dòng)電容，且其大小至少應比共模電容高 10 倍。這樣，通過(guò)減小 C_cm 不匹配的影響，讓共模噪聲變?yōu)椴顒?dòng)噪聲，從而極大地提高濾波器的效率。

下次，我們將針對主/從系統中 I2S 時(shí)鐘存在的一些難點(diǎn)為您釋疑解惑，敬請期待。