Technologie PCB - Réduire l'EMI en champ proche PCB avec un amplificateur opérationnel

L'un des meilleurs moyens de réduire l'EMI dans la conception de PCB est l'utilisation flexible des amplificateurs opérationnels. Malheureusement, le rôle des amplificateurs opérationnels dans la réduction de l'EMI est souvent négligé dans de nombreuses applications...

L'un des meilleurs moyens de réduire les interférences électromagnétiques (EMI) dans la conception de PCB est l'utilisation flexible d'amplificateurs opérationnels (Op Amp). Malheureusement, le rôle des amplificateurs opérationnels dans la réduction de l'EMI est souvent négligé dans de nombreuses applications. Cela peut être dû au fait que « les amplificateurs opérationnels sont vulnérables aux EMI et que davantage doit être fait pour améliorer leur résistance au bruit. » Bien que cela soit le cas pour de nombreux composants précédemment fabriqués, les concepteurs ne se rendent peut - être pas compte que les amplificateurs opérationnels récents ont généralement une meilleure résistance au bruit que leurs prédécesseurs. Les concepteurs peuvent également ne pas comprendre ou prendre en compte les avantages clés que les circuits d'amplification opérationnelle peuvent offrir pour la réduction du bruit des systèmes et des conceptions de PCB. Cet article passe en revue les sources de l'EMI et discute des caractéristiques des amplificateurs opérationnels qui aident à atténuer l'EMI en champ proche pour les conceptions de PCB sensibles.

Sources EMI, circuits brouillés et mécanismes de couplage

Emi est une perturbation causée par une source de bruit électrique, qui est souvent involontaire et indésirable. Dans divers cas, le signal de bruit perturbateur est l'un des types de tension, de courant et de rayonnement électromagnétique, ou la source de bruit est couplée au circuit perturbé sous une certaine combinaison de ces trois formes.

EMI ne se limite pas aux interférences radiofréquences (RFI). Dans la gamme de fréquences « inférieure», il existe de puissantes sources EMI dans les bandes de fréquences inférieures aux RF, telles que les régulateurs de commutation, les circuits LED et les variateurs de moteur fonctionnant dans des dizaines à des centaines de kHz. Le bruit de ligne à 60 Hz est un autre exemple. La source de bruit transmet le bruit au circuit brouillé par un ou plusieurs des quatre mécanismes de couplage.

Trois de ces quatre méthodes sont considérées comme un couplage en champ proche, comprenant un couplage conducteur, un couplage en champ électrique et un couplage en champ magnétique. Le quatrième mécanisme est le couplage radiatif en champ lointain, dans lequel l'énergie électromagnétique peut être rayonnée à plusieurs longueurs d'onde.

Filtrage actif du bruit en mode différentiel

Les filtres d'amplificateur opérationnel actifs peuvent réduire considérablement l'EMI et le bruit sur les PCB dans la bande passante du circuit, mais ils ne sont pas pleinement utilisés dans de nombreuses conceptions. Le signal de mode différentiel (DM) désiré peut être limité par la bande de fréquence et le bruit DM inutile peut être filtré. La figure 1 représente le bruit DM couplé au signal d'entrée par une capacité parasite (CP). Le signal et le bruit combinés sont reçus par un filtre passe - Bas actif du premier ordre. La fréquence de coupure passe - bas du circuit amplificateur opérationnel différentiel est fixée à une largeur de bande de signal supérieure à celle requise pour R2 et C1 seulement.

Les fréquences plus élevées diminuent de 20 décibels / Décennie. Si une atténuation plus importante est nécessaire, on peut utiliser un filtre actif d'ordre supérieur (par example - 40 ou - 60dB / 10decade). Il est recommandé d'utiliser des résistances avec une tolérance inférieure à 1%. De même, des condensateurs avec d'excellents coefficients de température (NPO, COG) et une tolérance de 5% (ou < 5%) permettent d'obtenir des performances de filtre optimales. Le bruit cm peut être décrit comme une tension de bruit partagée (ou identique) à l'entrée de deux amplificateurs opérationnels, et il ne fait pas partie du signal DM attendu que l'amplificateur opérationnel cherche à mesurer ou à ajuster.

Un avantage important de l'amplificateur opérationnel réside dans son architecture d'étage d'entrée différentiel et dans sa capacité à supprimer le bruit cm lorsqu'il est configuré en Amplificateur différentiel. Bien qu'il soit possible de spécifier un taux de réjection de mode commun (CMRR) pour chaque amplificateur opérationnel, le CMRR total du circuit doit également inclure l'influence des résistances d'entrée et de contre - réaction. Les variations de résistance affectent fortement le CMRR. Ainsi, des résistances adaptées avec des tolérances de 0,1%, 0,01% ou mieux permettent d'obtenir le CMRR nécessaire à l'application. Bien que de bonnes performances puissent être obtenues avec des résistances externes, l'utilisation d'instruments ou d'amplificateurs différentiels avec des résistances internes finement ajustées est une autre option.

Comme indiqué précédemment, le filtrage actif et le CMRR permettent de réduire de manière fiable le bruit du circuit dans les limites de la bande de fréquence du composant, y compris DM et CM EMI jusqu'à MHz. Cependant, l'exposition au bruit RFI au - dessus de la plage de fréquences de fonctionnement prévue peut entraîner un comportement non linéaire du composant. Les amplificateurs opérationnels sont les plus sensibles aux RFI dans leurs étages d'entrée différentiels à haute impédance, car les bruits DM et CM RFI peuvent être redressés par des diodes internes (formées de jonctions P - N sur silicium). Après redressement, une petite tension continue (DC) ou un décalage est généré qui est amplifié et peut se comporter comme un mauvais décalage continu en sortie. Selon la précision et la sensibilité du système, cela peut entraîner de mauvaises performances ou un mauvais comportement du circuit.

Heureusement, l'utilisation de l'une des deux méthodes peut améliorer la résistance aux interférences (ou réduire la sensibilité) de l'amplificateur opérationnel au RFI. La première et la meilleure option est d'utiliser un amplificateur opérationnel renforcé EMI, qui comprend un filtre d'entrée interne qui peut supprimer le bruit de quelques dizaines de MHz jusqu'à GHz. Ti propose actuellement plus de 80 éléments durcis EMI. Vous pouvez rechercher le durcissement EMI via le moteur de recherche de paramètres d'amplificateur opérationnel ti. La deuxième option consiste à ajouter un filtre EMI / rfi externe à l'entrée de l'amplificateur opérationnel. Si la conception ne nécessite que des composants qui n'incluent pas de filtre EMI interne, cela peut être la seule option.

Une autre caractéristique importante d'un amplificateur opérationnel est sa très faible impédance de sortie, qui est généralement de quelques ohms ou moins dans la plupart des configurations. Pour comprendre les avantages de la réduction de l'EMI, vous devez d'abord considérer comment l'EMI affecte les circuits à basse et Haute impédance.

Dans les systèmes réels, les horloges de bus série I2C dans la gamme 100 - 400 kHz sont très courantes dans les ADC audio et les circuits. Bien que les horloges I2C soient généralement pilotées en rafale (discontinue), les simulations montrent les effets possibles lors du pilotage des horloges. Dans les conceptions de circuits imprimés audio et d'infodivertissement haute densité, le routage d'horloge peut en effet apparaître à proximité de pistes audio sensibles. Seules quelques PF de capacités PCB parasites peuvent être couplées capacitivement et injecter un courant de bruit d'horloge dans le signal audio perturbé. La figure 3 est un example de simulation utilisant uniquement une capacité parasite de 1 PF.

Comment les circuits audio réduisent - ils le bruit? Il s'avère que la réduction de l'impédance d'un circuit perturbé est un moyen de réduire sa sensibilité au bruit de couplage. Pour les circuits à impédance de source plus élevée (> 50 îlots), le bruit de couplage peut être réduit en minimisant l'impédance de source liée à la charge du circuit. Sur la figure 4, un opa350 configuré en phase est ajouté au circuit pour tamponner le signal et isoler l'impédance source de la charge. L'impédance de sortie de l'amplificateur opérationnel est très faible par rapport à 600 îlots, ce qui réduit considérablement le bruit d'horloge.

L'ajout d'un condensateur de découplage sur la broche d'alimentation est utile pour filtrer le bruit EMI haute fréquence et renforcer l'anti - interférence du circuit de l'amplificateur opérationnel. Tous les diagrammes de cet article montrent que le condensateur de découplage CD fait partie du circuit. Bien que la question de l'exploration du découplage puisse rapidement devenir très complexe, il existe des « règles de base» idéales qui s'appliquent à toute conception. On choisit en particulier un condensateur présentant les caractéristiques suivantes:

A) excellent coefficient de température, par exemple x7r, NPO ou COG;

B) Inductance série équivalente très faible (ESL);

C) impédance minimale dans la gamme spectrale requise;

D) Les valeurs de capacité comprises entre 1 et 100 NF sont généralement applicables, mais les critères b) et c) ci - dessus sont plus importants que les valeurs de capacité d).

La disposition et le câblage des condensateurs sont aussi importants que le condensateur choisi. Placez le condensateur le plus près possible de la broche d'alimentation. La connexion entre le condensateur et l'alimentation / la masse du PCB doit être aussi courte que possible et peut être connectée à l'aide de traces courtes ou de trous.