Leiterplattentechnisch - Verwenden Sie Operationsverstärker, um Leiterplatten-Nahfeld-EMI zu reduzieren

Eine der besten Möglichkeiten, EMI für PCB-Design Einsatzverstärker flexibel einzusetzen. Leider, in vielen Anwendungen, Die Rolle von Operationsverstärker zur Verringerung der EMI wird in der Regel ignoriert...

Eine der besten Möglichkeiten, elektromagnetische Störungen (EMI) beim Leiterplattendesign zu reduzieren, ist der flexible Einsatz von Operationsverstärker (OP Amp). Leider wird in vielen Anwendungen die Rolle von Operationsverstärker zur Reduzierung von EMI oft übersehen. Dies kann auf das Vorurteil zurückzuführen sein, dass "OP-Verstärker anfällig für EMI sind und mehr Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die Anti-Interferenz-Fähigkeit gegen Rauschen zu verbessern." Obwohl dies für viele zuvor produzierte Komponenten zutrifft, werden Designer möglicherweise nicht erkennen, dass neuere Operationsverstärker normalerweise eine bessere Anti-Interferenz-Leistung als frühere Generationen aufweisen. Designer verstehen möglicherweise auch nicht oder berücksichtigen die wichtigsten Vorteile, die Betriebsverstärkerschaltungen für das System- und Leiterplattendesign bieten können, um Rauschen zu reduzieren. Dieser Artikel beschreibt die Quellen von EMI und diskutiert die Eigenschaften von Operationsverstärker, die dazu beitragen können, Nahfeld-EMI für empfindliche Leiterplattendesigns zu mindern.

EMI-Quelle, gestörter Schaltkreis und Kupplungsmechanismus

EMI sind Störungen, die durch Quellen von elektrischem Rauschen verursacht werden, die in der Regel unbeabsichtigt und unerwünscht sind. In verschiedenen Situationen ist das störende Rauschsignal eines von Spannung, Strom und elektromagnetischer Strahlung, oder die Rauschquelle ist in irgendeiner Kombination dieser drei Formen mit dem gestörten Stromkreis gekoppelt.

EMI ist nicht auf Funkfrequenzstörungen (RFI) beschränkt. Im "unteren" Frequenzbereich befinden sich leistungsstarke EMI-Quellen im Frequenzband unterhalb der Hochfrequenz, wie Schaltregler, LED-Schaltkreise und Motortreiber, die im Bereich von zehn bis hundert KHz arbeiten. 60Hz Zeilenrauschen ist ein weiteres Beispiel. Die Geräuschquelle überträgt das Geräusch über einen oder mehrere der vier Kupplungsmechanismen auf den gestörten Kreislauf.

Drei dieser vier Methoden gelten als Nahfeld-Kopplung, einschließlich leitfähiger Kupplung, elektrische Feldkupplung, und Magnetfeldkopplung. Der vierte Mechanismus ist die Fernfeld-Strahlungskopplung., bei dem elektromagnetische Energie auf mehrere Wellenlängen abgestrahlt werden kann.

Aktive Filterung von Differenzmoderauschen

Aktive Operationsverstärker-Filter können EMI und Rauschen auf der Leiterplatte innerhalb der Schaltungsbandbreite erheblich reduzieren, werden aber in vielen Designs nicht vollständig genutzt. Das gewünschte Differentialmodus (DM)-Signal kann durch das Frequenzband begrenzt und unnötiges DM-Rauschen herausgefiltert werden. Abbildung 1 zeigt das DM-Rauschen, das durch die parasitäre Kapazität (CP) mit dem Eingangssignal gekoppelt ist. Das kombinierte Signal und Rauschen werden von einem aktiven Tiefpassfilter erster Ordnung empfangen. Die Tiefpass-Abschaltfrequenz der differentiellen Operationsverstärker-Schaltung ist so eingestellt, dass sie nur höher ist als die von R2 und C1 benötigte Signalbandbreite.

Höhere Frequenzen werden um 20dB/Jahrzehnt abgeschwächt. Wenn eine größere Dämpfung erforderlich ist, kann ein aktiver Filter höherer Ordnung (wie -40 oder -60dB/Dekade) verwendet werden. Es wird empfohlen, einen Widerstand mit einer Toleranz von <1%. Ebenso können Kondensatoren mit ausgezeichnetem Temperaturkoeffizient (NPO, COG) und 5% (oder <5%) Toleranz die beste Filterleistung erzielen. CM-Rauschen kann als Rauschspannung beschrieben werden, die am Eingang von zwei OP-Verstärkern geteilt wird (oder dieselbe) und es ist nicht Teil des erwarteten DM-Signals, das der OP-Verstärker zu messen oder anzupassen versucht.

Ein wichtiger Vorteil eines Operationsverstärker liegt in seiner differenziellen Eingangsstufenarchitektur und seiner Fähigkeit, CM-Rauschen zu unterdrücken, wenn er als Differenzverstärker konfiguriert ist. Obwohl das Gleichtakt-Abstoßungsverhältnis (CMRR) für jeden OP-Verstärker angegeben werden kann, muss der gesamte CMRR der Schaltung auch die Auswirkungen des Eingangs- und Rückkopplungswiderstands beinhalten. Resistenzänderungen beeinflussen die CMRR stark. Daher können passende Widerstände mit Toleranzen von 0,1%, 0,01% oder besser die von der Anwendung geforderte CMRR erreichen. Obwohl eine gute Leistung durch den Einsatz externer Widerstände erreicht werden kann, ist der Einsatz von Instrumenten oder Differenzverstärkern mit internen Trimmwiderständen eine weitere Option.

Wie bereits erwähnt, können aktive Filterung und CMRR das Schaltungsrauschen innerhalb der Frequenzbandgrenze des Bauteils, einschließlich DM- und CM-EMI bis in den MHz-Bereich zuverlässig reduzieren. Allerdings kann eine Exposition gegenüber RFI-Rauschen über dem erwarteten Betriebsfrequenzbereich zu nichtlinearem Verhalten des Bauteils führen. Operationsverstärker sind in ihrer hochohmigen Differenzeingangsstufe am anfälligsten für RFI, da DM- und CM-RFI-Rauschen durch interne Dioden (gebildet durch p-n-Verbindungen auf Silizium) gleichgerichtet werden können. Nach der Gleichrichtung wird eine kleine Gleichstrom- (DC-) Spannung oder ein Offset erzeugt, der verstärkt wird und als fehlerhafter Gleichstrom-Offset am Ausgang erscheinen kann. Abhängig von der Genauigkeit und Empfindlichkeit des Systems kann dies zu schlechter Schaltungsleistung oder schlechtem Verhalten führen.

Glücklicherweise kann die Verwendung einer von zwei Methoden die Anti-Interferenz-Fähigkeit (oder die Empfindlichkeit) des Operationsverstärker auf RFI verbessern. Die erste und beste Option ist die Verwendung eines EMI-gehärteten Operationsverstärker, der einen internen Eingangsfilter enthält, der Rauschen im Bereich von zehn MHz bis zu GHz unterdrücken kann. TI bietet derzeit mehr als 80-Arten von EMI-Härtungskomponenten an. Sie können die EMI-Härtung über die TI Operational Amplifier Parameter Suchmaschine suchen. Die zweite Option besteht darin, einen externen EMI/RFI-Filter am Eingang des Operationsverstärker hinzuzufügen. Wenn das Design nur Komponenten erfordert, die keine internen EMI-Filter enthalten, kann dies die einzige Option sein.

Ein weiteres wichtiges Merkmal eines Operationsverstärker ist seine extrem niedrige Ausgangsimpedanz, die in den meisten Konfigurationen meist einige Ohm (Ω) oder weniger beträgt. Um zu verstehen, wie es vorteilhaft ist, EMI zu reduzieren, müssen Sie zuerst überlegen, wie EMI niederohmige und hochohmige Schaltungen beeinflusst.

In realen Systemen, Die serielle I2C-Busuhr im Bereich von 100-400kHz ist in Audio-ADCs und Schaltungen sehr verbreitet. Although the I2C clock is usually driven in a burst (discontinuous) manner, Die Simulation zeigt die möglichen Effekte, wenn die Uhr angetrieben wird. In High-Density Audio und Infotainment PCB-Design, Clock Routing kann tatsächlich in der Nähe empfindlicher Audiospuren erscheinen. Nur wenige pF von parasitären PCB-Kapazität Es kann kapazitive Kopplung auftreten und Taktrauschstrom in das gestörte Audiosignal einspeisen. Abbildung 3 ist ein Beispiel für Simulation mit nur 1pF parasitärer Kapazität.

Wie reduziert die Audioschaltung das Rauschen? Fakten haben bewiesen, dass die Verringerung der Impedanz des gestörten Schaltkreises eine Möglichkeit ist, seine Empfindlichkeit gegenüber Kupplungsrauschen zu verringern. Bei Schaltungen mit höherer Quellimpedanz (> 50Ω) kann das Kupplungsrauschen durch Minimierung der Quellimpedanz im Zusammenhang mit der Schaltungslast reduziert werden. In Abbildung 4 wird der OPA350 in der In-Phase-Konfiguration der Schaltung hinzugefügt, um das Signal zu puffern und die Quellimpedanz von der Last zu isolieren. Im Vergleich zu 600Ω, ist die Ausgangsimpedanz des Operationsverstärker sehr niedrig, was das Taktrauschen deutlich reduziert.

Das Hinzufügen eines Entkopplungskondensators zum Stromversorgungsstift ist sehr nützlich, um hochfrequente EMI-Rauschen zu filtern und die Interferenzsicherheit der Operationsverstärker-Schaltung zu verbessern. Alle Diagramme in diesem Artikel zeigen, dass der Entkopplungskondensator CD ein Teil der Schaltung ist. Obwohl das Problem der Entkopplung bald sehr kompliziert werden wird, gibt es einige ideale "Faustregeln", die für jedes Design gelten. Wählen Sie besonders Kondensatoren mit folgenden Eigenschaften:

(a) Ausgezeichneter Temperaturkoeffizient, wie X7R, NPO oder COG;

b) sehr niedrige äquivalente Reiheninduktivität (ESL);

c) die niedrigste Impedanz innerhalb des erforderlichen Spektrumbereichs;

(d) Kapazitätswerte im Bereich von 1-100 nF sind allgemein anwendbar, aber die obigen Kriterien b) und c) sind wichtiger als der Kapazitätswert d).

Das Layout des Kondensators und der Verdrahtungsanschluss sind genauso wichtig wie der gewählte Kondensator. Platzieren Sie den Kondensator so nah wie möglich an den Netzanschluss. Die Verbindung zwischen dem Kondensator und dem Leiterplattenleistung/Boden sollte so kurz wie möglich sein, und kurze Leiterbahnen oder über Anschlüsse können verwendet werden.