Tecnología de PCB - Reducir el EMI de campo cercano de PCB con amplificador operativo

Una de las mejores maneras de reducir el EMI en el diseño de PCB es el uso flexible de amplificadores operativos. Desafortunadamente, en muchas aplicaciones, el papel de los amplificadores operativos en la reducción del EMI suele ser ignorado...

Una de las mejores maneras de reducir la interferencia electromagnética (emi) en el diseño de PCB es el uso flexible del amplificador operativo (op amp). Desafortunadamente, en muchas aplicaciones, el papel de los amplificadores operativos en la reducción del EMI a menudo se ignora. Esto puede deberse a que "los amplificadores operativos son vulnerables al EMI y se deben tomar más medidas para mejorar la resistencia al ruido". aunque muchos de los componentes producidos anteriormente son así, es posible que los diseñadores no se den cuenta de que los amplificadores operativos recientes suelen tener un mejor rendimiento de resistencia al ruido que las generaciones anteriores. También es posible que los diseñadores no entiendan o no tengan en cuenta las ventajas clave que los circuitos de amplificadores operativos pueden proporcionar para reducir el ruido en el diseño de sistemas y pcb. Este artículo revisa el origen del EMI y discute las características de los amplificadores operativos que ayudan a aliviar el EMI de campo cercano diseñado por PCB sensibles.

Fuentes emi, circuitos perturbados y mecanismos de acoplamiento

El EMI es una interferencia causada por una fuente de ruido eléctrico, que suele ser involuntaria e indeseable. En varios casos, la señal de ruido de interferencia es una de las tensiones, corrientes y radiación electromagnética, o la fuente de ruido se acopla al circuito perturbado en alguna combinación de estas tres formas.

El EMI no se limita a la interferencia de radiofrecuencia (rfi). En el rango de frecuencias "más bajo", hay potentes fuentes de EMI en bandas por debajo de la radiofrecuencia, como reguladores de interruptores, circuitos LED y conductores de motores que funcionan en un rango de decenas a cientos de khz. El ruido de la línea de 60 Hz es otro ejemplo. La fuente de ruido transmite el ruido al circuito perturbado a través de uno o más de los cuatro mecanismos de acoplamiento.

Tres de estos cuatro métodos se consideran acoplamiento de campo cercano, incluyendo acoplamiento conductor, acoplamiento de campo eléctrico y acoplamiento de campo magnético. El cuarto mecanismo es el acoplamiento de radiación de campo lejano, en el que la energía electromagnética puede irradiarse en varias longitudes de onda.

Filtro activo del ruido de modo diferencial

Los filtros de amplificador operativo activo pueden reducir significativamente el EMI y el ruido en los PCB dentro del ancho de banda del circuito, pero no se han aprovechado al máximo en muchos diseños. La señal esperada del modo diferencial (dm) puede estar limitada por la banda de frecuencia y puede filtrar el ruido DM innecesario. La figura 1 muestra el ruido DM acoplado a la señal de entrada a través de un capacitor parasitario (cp). La señal y el ruido combinados son recibidos por un filtro de paso bajo activo de primer orden. La frecuencia de corte de paso bajo del circuito amplificador operativo diferencial se establece solo por encima del ancho de banda de señal necesario para R2 y c1.

La frecuencia más alta se atenua en 20 decibelios por década. Si se necesita una mayor atenuación, se puede utilizar un filtro activo de orden superior (por ejemplo - 40 o - 60db / 10decade). Se recomienda usar resistencias con una tolerancia inferior al 1%. Del mismo modo, los condensadores con excelentes coeficientes de temperatura (npo, cog) y una tolerancia del 5% (o menos del 5%) pueden obtener el mejor rendimiento del filtro. El ruido cm puede describirse como un voltaje acústico compartido (o el mismo) en la entrada de dos amplificadores operativos y no forma parte de la señal DM esperada que el amplificador operativo intenta medir o ajustar.

Una ventaja importante del amplificador operativo es su arquitectura de nivel de entrada diferencial y su capacidad para inhibir el ruido cm cuando se configura como un amplificador diferencial. Aunque se puede especificar una relación de supresión de modo común (cmrr) para cada amplificador operativo, el cmrr total del circuito también debe incluir el impacto de la resistencia de entrada y retroalimentación. Los cambios en la resistencia afectan fuertemente a cmrr. Por lo tanto, resistencias de emparejamiento con tolerancia del 0,1%, 0,01% o mejor pueden lograr el cmrr necesario para la Aplicación. Aunque el uso de resistencias externas permite un buen rendimiento, el uso de instrumentos con resistencias de ajuste interno o amplificadores diferenciales es otra opción.

Como se mencionó anteriormente, el filtro activo y el cmrr pueden reducir de manera confiable el ruido del circuito dentro de las limitaciones de banda de frecuencia del componente, incluyendo DM y CM EMI en el rango de hasta mhz. Sin embargo, la exposición a ruido RFI por encima del rango de frecuencia de funcionamiento esperado puede conducir al comportamiento no lineal del componente. Los amplificadores operativos son los más vulnerables a RFI en sus etapas de entrada diferencial de alta resistencia, ya que los ruidos RFI DM y CM se pueden rectificar a través de diodos internos (formados por Unión P - N en silicio). Después de la rectificación, se produce un pequeño voltaje o desplazamiento de corriente continua (dc), que se amplifica y puede manifestarse como un desplazamiento de corriente continua incorrecto en la salida. Esto puede causar un mal rendimiento o comportamiento del Circuito en función de la precisión y sensibilidad del sistema.

Afortunadamente, el uso de uno de los dos métodos puede mejorar la capacidad anti - interferencia del amplificador operativo (o reducir la sensibilidad) a rfi. La primera y mejor opción es reforzar el amplificador operativo con emi, que incluye un filtro de entrada interno que puede suprimir el ruido en un rango de decenas de MHz a hasta ghz. Ti ofrece actualmente más de 80 tipos de componentes endurecidos emi. Puede buscar el endurecimiento del EMI a través del motor de búsqueda de parámetros de amplificador operativo ti. La segunda opción es agregar un filtro externo EMI / RFI a la entrada del amplificador operativo. Esta puede ser la única opción si el diseño solo requiere componentes que no incluyan filtros EMI internos.

Otra característica importante del amplificador operativo es su resistencia de salida extremadamente baja, que en la mayoría de las configuraciones suele ser de unos pocos ohms o menos. Para comprender los beneficios de reducir el emi, primero debe considerar cómo el EMI afecta a los circuitos de baja y alta resistencia.

En los sistemas reales, los relojes de bus serie i2c en el rango de 100 - 400 kHz son muy comunes en ADC de audio y circuitos. Aunque los relojes i2c suelen ser impulsados de manera repentina (discontinua), la simulación muestra posibles efectos al conducir el reloj. En el diseño de audio de alta densidad y PCB de infoentretenimiento, el enrutamiento del reloj puede aparecer cerca de la trayectoria de audio sensible. Solo unos pocos condensadores parasitarios de PCB de PF pueden acoplarse capacitivamente e inyectar la corriente de ruido del reloj en la señal de audio perturbada. La figura 3 es un ejemplo de simulación utilizando solo condensadores parasitarios 1pf.

¿¿ cómo pueden los circuitos de audio reducir el ruido? Se ha demostrado que reducir la resistencia del circuito perturbado es una forma de reducir su sensibilidad al ruido de acoplamiento. En el caso de los circuitos con una mayor resistencia de la fuente (> 50 islas), se puede reducir el ruido de acoplamiento minimizando la resistencia de la fuente relacionada con la carga del circuito. En la figura 4, el opa350 configurado en la misma fase se añade al circuito para amortiguar la señal y aislar la resistencia de la fuente de la carga. La resistencia de salida del amplificador operativo es muy baja en comparación con la isla 600, lo que reduce significativamente el ruido del reloj.

La adición de condensadores de desacoplamiento al pin de alimentación es muy útil para filtrar el ruido EMI de alta frecuencia y mejorar la resistencia a la interferencia del circuito amplificador operativo. Todos los gráficos de este artículo indican que el CD del condensadores de desacoplamiento forma parte del circuito. Aunque explorar el tema del desacoplamiento pronto se volverá muy complicado, hay algunas "reglas empíricas" ideales que se aplican a cualquier diseño. En particular, se deben seleccionar condensadores con las siguientes características:

Excelentes coeficientes de temperatura, como x7r, npo o cog;

B) inductores de serie equivalentes extremadamente bajos (esl);

C) la resistencia mínima dentro del rango espectral requerido;

(d) los valores de condensadores en el rango de 1 - 100nf son generalmente aplicables, pero los estándares anteriores (b) y (c) son más importantes que los valores de condensadores (d).

El diseño y la conexión de cableado de los condensadores son tan importantes como los condensadores seleccionados. Coloque el capacitor lo más cerca posible del pin de alimentación. La conexión entre el capacitor y la fuente de alimentación / tierra del PCB debe ser lo más corta posible, y se puede utilizar un rastro corto o una conexión a través del agujero.