PCB Tecnico - Utilizzare amplificatori operativi per ridurre l'EMI vicino al campo PCB

Uno dei modi migliori per ridurre l'EMI per la progettazione PCB è utilizzare gli amplificatori operativi in modo flessibile. Purtroppo, in molte applicazioni, il ruolo degli amplificatori operativi per la riduzione dell'EMI viene solitamente ignorato...

Uno dei modi migliori per ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI) per la progettazione di PCB è utilizzare gli amplificatori operativi (OP Amp) in modo flessibile. Purtroppo, in molte applicazioni, il ruolo degli amplificatori operativi per ridurre l'EMI è spesso trascurato. Ciò può essere dovuto al pregiudizio che "gli amplificatori operativi sono suscettibili all'EMI, e devono essere prese più misure per migliorare la capacità anti-interferenza contro il rumore". Anche se questo è vero per molti componenti prodotti in precedenza, i progettisti potrebbero non rendersi conto che gli amplificatori operativi recenti di solito hanno prestazioni anti-interferenza migliori rispetto alle generazioni precedenti. I progettisti potrebbero anche non comprendere o considerare i vantaggi chiave che i circuiti operativi degli amplificatori possono fornire per la progettazione di sistemi e PCB per ridurre il rumore. Questo articolo esamina le fonti di EMI e discute le caratteristiche degli amplificatori operativi che possono aiutare a mitigare EMI near-field per progetti PCB sensibili.

Sorgente EMI, circuito disturbato e meccanismo di accoppiamento

EMI è un'interferenza causata da fonti di rumore elettrico, che di solito sono involontarie e indesiderabili. In varie situazioni, il segnale di rumore perturbante è uno di tensione, corrente e radiazione elettromagnetica, o la sorgente di rumore è accoppiata al circuito disturbato in una combinazione di queste tre forme.

L'IME non si limita alle interferenze a radiofrequenza (RFI). Nella gamma di frequenze "più bassa", ci sono potenti sorgenti EMI nella banda di frequenza al di sotto della frequenza radio, come regolatori di commutazione, circuiti LED e driver motori che operano nell'intervallo da decine a centinaia di KHz. Un altro esempio è il rumore di linea 60Hz. La sorgente di rumore trasmette il rumore al circuito disturbato attraverso uno o più dei quattro meccanismi di accoppiamento.

Tre di questi quattro metodi sono considerati accoppiamento vicino-campo, compreso accoppiamento conduttivo, accoppiamento campo elettrico e accoppiamento campo magnetico. Il quarto meccanismo è l'accoppiamento di radiazione a campo lontano, in cui l'energia elettromagnetica può essere irradiata a lunghezze d'onda multiple.

Filtrazione attiva del rumore in modalità differenziale

I filtri operativi attivi dell'amplificatore possono ridurre significativamente l'EMI e il rumore sul PCB all'interno della larghezza di banda del circuito, ma non sono completamente utilizzati in molti progetti. Il segnale desiderato in modalità differenziale (DM) può essere limitato dalla banda di frequenza e il rumore DM inutile può essere filtrato. La figura 1 mostra il rumore DM accoppiato al segnale di ingresso attraverso la capacità parassitaria (CP). Il segnale e il rumore combinati sono ricevuti da un filtro passa basso attivo di primo ordine. La frequenza di taglio passa-basso del circuito differenziale dell'amplificatore operativo è impostata per essere solo superiore alla larghezza di banda del segnale richiesta da R2 e C1.

Le frequenze più alte sono attenuate di 20dB/decennio. Se è richiesta una maggiore attenuazione, è possibile utilizzare un filtro attivo di ordine superiore (come -40 o -60dB/decennio). Si consiglia di utilizzare una resistenza con una tolleranza di <1%. Allo stesso modo, condensatori con coefficiente di temperatura eccellente (NPO, COG) e tolleranza del 5% (o <5%) possono ottenere le migliori prestazioni del filtro. Il rumore CM può essere descritto come la tensione di rumore condivisa (o la stessa) all'ingresso di due amplificatori op, e non fa parte del segnale DM previsto che l'amplificatore op sta cercando di misurare o regolare.

Un importante vantaggio di un amplificatore operativo risiede nella sua architettura differenziale dello stadio di ingresso e nella sua capacità di sopprimere il rumore CM quando configurato come amplificatore differenziale. Sebbene il rapporto di rigetto in modalità comune (CMRR) possa essere specificato per ogni amplificatore op, il CMRR totale del circuito deve includere anche gli effetti della resistenza all'ingresso e al feedback. Le variazioni di resistenza influenzano fortemente la CMRR. Pertanto, le resistenze corrispondenti con tolleranze dello 0,1%, dello 0,01% o superiori possono raggiungere il CMRR richiesto dall'applicazione. Anche se è possibile ottenere buone prestazioni utilizzando resistenze esterne, utilizzare strumenti o amplificatori differenziali con resistenze interne di trimming è un'altra opzione.

Come accennato in precedenza, il filtraggio attivo e CMRR possono ridurre in modo affidabile il rumore del circuito entro il limite della banda di frequenza del componente, inclusi DM e CM EMI fino alla gamma MHz. Tuttavia, l'esposizione al rumore RFI al di sopra della gamma di frequenze di funzionamento prevista può causare un comportamento non lineare del componente. Gli amplificatori operativi sono più sensibili all'RFI nella loro fase di ingresso differenziale ad alta impedenza, perché il rumore DM e CM RFI può essere rettificato da diodi interni (formati da giunzioni p-n su silicio). Dopo la rettifica, viene generata una piccola tensione in corrente continua (DC) o offset, che viene amplificata e può apparire come offset DC errato all'uscita. A seconda dell'accuratezza e della sensibilità del sistema, ciò può comportare scarse prestazioni o comportamenti del circuito.

Fortunatamente, utilizzando uno dei due metodi può migliorare la capacità anti-interferenza (o ridurre la sensibilità) dell'amplificatore op a RFI. La prima e migliore opzione è quella di utilizzare un amplificatore operativo temprato EMI, che include un filtro di ingresso interno in grado di sopprimere il rumore nell'intervallo di decine di MHz fino a GHz. TI attualmente fornisce più di 80 tipi di componenti di indurimento EMI. È possibile cercare l'indurimento EMI attraverso il motore di ricerca dei parametri dell'amplificatore operativo TI. La seconda opzione è quella di aggiungere un filtro EMI/RFI esterno all'ingresso dell'amplificatore op. Se la progettazione richiede solo componenti che non includono filtri EMI interni, questa potrebbe essere l'unica opzione.

Un'altra caratteristica importante di un amplificatore operativo è la sua impedenza di uscita estremamente bassa, che è solitamente di pochi ohm (Ω) o meno nella maggior parte delle configurazioni. Per capire come sia vantaggioso ridurre l'EMI, è necessario prima considerare come l'EMI influisce sui circuiti a bassa impedenza e ad alta impedenza.

Nei sistemi reali, l'orologio bus seriale I2C nell'intervallo 100-400kHz è molto comune negli ADC e nei circuiti audio. Sebbene l'orologio I2C sia solitamente guidato in modo burst (discontinuo), la simulazione mostra i possibili effetti quando l'orologio è guidato. Nel design PCB ad alta densità audio e infotainment, il routing dell'orologio può effettivamente apparire vicino a tracce audio sensibili. Solo pochi pF di capacità PCB parassitaria possono verificarsi accoppiamento capacitivo e iniettare corrente di rumore dell'orologio nel segnale audio disturbato. La Figura 3 è un esempio di simulazione che utilizza solo capacità parassitaria 1pF.

In che modo il circuito audio riduce il rumore? I fatti hanno dimostrato che ridurre l'impedenza del circuito disturbato è un modo per ridurne la sensibilità al rumore di accoppiamento. Per i circuiti con impedenza sorgente superiore (> 50Ω), il rumore di accoppiamento può essere ridotto minimizzando l'impedenza sorgente relativa al carico del circuito. Nella Figura 4, l'OPA350 nella configurazione in fase viene aggiunto al circuito per tamponare il segnale e isolare l'impedenza della sorgente dal carico. Rispetto a 600Ω, l'impedenza di uscita dell'amplificatore operativo è molto bassa, il che riduce significativamente il rumore dell'orologio.

L'aggiunta di un condensatore di disaccoppiamento al pin di alimentazione è molto utile per filtrare il rumore EMI ad alta frequenza e migliorare l'anti-interferenza del circuito operativo dell'amplificatore. Tutti i diagrammi in questo articolo mostrano che il CD condensatore di disaccoppiamento fa parte del circuito. Anche se il problema di esplorare il disaccoppiamento diventerà presto molto complicato, ci sono alcune "regole generali" ideali che si applicano a qualsiasi disegno. Soprattutto scegliere condensatori con le seguenti caratteristiche:

(a) coefficiente di temperatura eccellente, quale X7R, NPO o COG;

b) Induttanza di serie equivalente molto bassa (ESL);

c) l'impedenza più bassa all'interno della gamma di spettro richiesta;

(d) I valori di capacità nell'intervallo 1-100 nF sono generalmente applicabili, ma i criteri di cui sopra (b) e (c) sono più importanti del valore di capacità (d).

Il layout del condensatore e il collegamento di cablaggio sono importanti quanto il condensatore selezionato. Posizionare il condensatore il più vicino possibile al perno di alimentazione. Il collegamento tra il condensatore e l'alimentazione/messa a terra del PCB deve essere il più breve possibile e possono essere utilizzate tracce brevi o tramite connessioni.