Teknik PCB - Guna penambah operasi untuk mengurangi EMI PCB dekat medan

Salah satu cara terbaik untuk mengurangi EMI untuk desain PCB adalah menggunakan penyembah operasi fleksibel. Malangnya, dalam banyak aplikasi, peran penyembah operasi untuk mengurangi EMI biasanya diabaikan...

Salah satu cara terbaik untuk mengurangi gangguan elektromagnetik (EMI) untuk desain PCB adalah menggunakan penyembah operasi (OP Amp) fleksibel. Malangnya, dalam banyak aplikasi, peran penyembah operasi untuk mengurangi EMI sering dilupakan. Ini mungkin disebabkan oleh prasangka bahawa "op amps adalah susah terhadap EMI, dan lebih banyak tindakan perlu diambil untuk meningkatkan kemampuan anti-gangguan terhadap bunyi." Walaupun ini benar untuk banyak komponen yang telah dihasilkan sebelumnya, desainer mungkin tidak sedar bahawa penyembah operasi baru-baru ini biasanya mempunyai prestasi anti-gangguan yang lebih baik daripada generasi sebelumnya. Penjana juga mungkin tidak memahami atau mempertimbangkan keuntungan kunci yang sirkuit penyampai operasi boleh menyediakan untuk reka sistem dan PCB untuk mengurangkan bunyi. Artikel ini meninjau sumber EMI dan membincangkan ciri-ciri penyembah operasi yang boleh membantu mengurangi EMI dekat medan untuk reka PCB sensitif.

Sumber EMI, sirkuit terganggu dan mekanisme sambungan

EMI adalah gangguan disebabkan oleh sumber bunyi elektrik, yang biasanya tidak sengaja dan tidak diinginkan. Dalam berbagai situasi, isyarat bunyi yang mengganggu adalah satu daripada tenaga, arus, dan radiasi elektromagnetik, atau sumber bunyi dipasang dengan sirkuit yang mengganggu dalam beberapa kombinasi dari tiga bentuk ini.

EMI tidak terbatas kepada gangguan frekuensi radio (RFI). Dalam julat frekuensi "rendah", terdapat sumber EMI yang berkuasa dalam band frekuensi di bawah frekuensi radio, seperti penyukar peraturan, sirkuit LED, dan pemandu motor yang berfungsi dalam julat dari puluh hingga ratusan KHz. Bunyi garis 60Hz adalah contoh lain. Sumber bunyi menghantar bunyi ke sirkuit yang mengganggu melalui salah satu atau lebih dari empat mekanisme sambungan.

Tiga dari empat kaedah ini dianggap sebagai sambungan dekat medan, termasuk sambungan konduktif, sambungan medan elektrik, dan sambungan medan magnetik. Mekanisme keempat adalah sambungan radiasi medan jauh, di mana tenaga elektromagnetik boleh radiasi pada panjang gelombang berbilang.

Penapisan aktif bunyi mod berbeza

Penapis penyampai operasi aktif boleh mengurangi EMI dan bunyi pada PCB dalam lebar banding sirkuit, tetapi ia tidak sepenuhnya digunakan dalam ramai rancangan. isyarat mod perbezaan (DM) yang diinginkan boleh dibatasi oleh band frekuensi, dan bunyi DM tidak perlu boleh ditapis keluar. Figure 1 menunjukkan bunyi DM yang disambung dengan isyarat input melalui kapasitasi parasit (CP). Isyarat dan bunyi bergabung diterima oleh penapis laluan rendah aktif tertib pertama. Frekuensi pemotongan laluan rendah bagi litar penyampai operasi berbeza ditetapkan hanya untuk lebih tinggi daripada lebar banding isyarat yang diperlukan oleh R2 dan C1.

Frekuensi yang lebih tinggi dipermalukan oleh 20dB/dekad. Jika perlukan penindasan yang lebih besar, penapis aktif tertib yang lebih tinggi (seperti -40 atau -60dB/dekad) boleh digunakan. Ia dicadangkan untuk menggunakan resistor dengan toleransi <1%. Sama seperti, kondensator dengan koeficien suhu yang baik (NPO, COG) dan toleransi 5% (atau <5%) boleh mendapatkan prestasi penapis terbaik. Bunyi CM boleh dijelaskan sebagai tekanan bunyi berkongsi (atau sama) pada input dua op amps, dan ia bukan sebahagian daripada isyarat DM yang dijangka yang op amp cuba untuk mengukur atau menyesuaikan.

Keuntungan penting bagi penyampai operasi terletak dalam arkitektur tahap input berbeza dan kemampuannya untuk menekan bunyi CM bila dikonfigur sebagai penyampai berbeza. Walaupun nisbah penolakan mod-biasa (CMRR) boleh dinyatakan untuk setiap op amp, jumlah CMRR sirkuit juga mesti termasuk kesan penentangan input dan balas balik. Perubahan tahan mempengaruhi CMRR dengan kuat. Oleh itu, sepadan resisten dengan toleransi 0.1%, 0.01% atau lebih baik boleh mencapai CMRR yang diperlukan oleh aplikasi. Walaupun prestasi yang baik boleh dicapai dengan menggunakan penentang luaran, menggunakan alat atau penyampai perbezaan dengan penentang pemotong dalaman adalah pilihan lain.

Seperti yang disebutkan tadi, penapisan aktif dan CMRR boleh mengurangkan bunyi sirkuit dalam had band frekuensi komponen, termasuk DM dan CM EMI sehingga julat MHz. Namun, eksposisi kepada bunyi RFI di atas julat frekuensi operasi yang dijangka boleh menyebabkan perilaku bukan linear komponen. Penampilkan operasi adalah paling susah terhadap RFI dalam tahap input berbeza impedance tinggi mereka, kerana bunyi RFI DM dan CM boleh diperbaiki oleh dioda dalaman (bentuk oleh sambungan p-n pada silikon). Selepas penyesuaian, tekanan arus langsung kecil (DC) atau ofset dijana, yang ditambah dan mungkin muncul sebagai ofset DC yang salah pada output. Bergantung pada ketepatan dan sensitiviti sistem, ini mungkin menyebabkan prestasi sirkuit atau perilaku yang buruk.

Untungnya, menggunakan salah satu daripada dua kaedah boleh meningkatkan kemampuan anti-gangguan (atau mengurangkan sensitiviti) operasi amp kepada RFI. Pilihan pertama dan yang terbaik ialah menggunakan amplifikator operasi yang keras EMI, yang termasuk penapis input dalaman yang boleh menekan bunyi dalam julat puluhan MHz hingga sebesar GHz. TI kini menyediakan lebih dari 80 jenis komponen penyekatan EMI. Anda boleh mencari penyekatan EMI melalui enjin gelintar parameter penyembah operasi TI. Pilihan kedua ialah menambah penapis EMI/RFI luaran ke input op amp. Jika desain hanya memerlukan komponen yang tidak termasuk penapis EMI dalaman, ini mungkin satu-satunya pilihan.

Karakteristik penting lain bagi penyampai operasi adalah impedance output yang sangat rendah, yang biasanya beberapa ohms (Ω) atau kurang dalam kebanyakan konfigurasi. Untuk memahami bagaimana ia berguna untuk mengurangi EMI, anda mesti pertama pertimbangkan bagaimana EMI mempengaruhi sirkuit impedance rendah dan impedance tinggi.

Dalam sistem sebenar, jam bas berantai I2C dalam julat 100-400kHz adalah sangat umum dalam ADC audio dan sirkuit. Walaupun jam I2C biasanya dipandu dengan cara letupan (berhenti), simulasi menunjukkan kesan yang mungkin bila jam dipandu. Dalam rekaan PCB audio dan maklumat densiti tinggi, penghalaan jam mungkin muncul berhampiran jejak audio sensitif. Hanya beberapa pF kapasitasi PCB parasitik boleh berlaku sambungan kapasitatif dan suntik suara jam ke dalam isyarat audio yang terganggu. Gambar 3 adalah contoh simulasi menggunakan kapasitasi parasit 1pF sahaja.

Bagaimana sirkuit audio mengurangi bunyi? Fakta telah membuktikan bahawa mengurangi pengendalian sirkuit terganggu adalah cara untuk mengurangi sensitifitas kepada bunyi sambungan. Untuk sirkuit dengan impedance sumber yang lebih tinggi (> 50Ω), bunyi sambungan boleh dikurangkan dengan mengurangkan impedance sumber berkaitan dengan muatan sirkuit. Dalam Figur 4, OPA350 dalam konfigurasi dalam fasa ditambah ke sirkuit untuk penimbal isyarat dan mengisolasi impedance sumber dari muatan. Berbanding dengan 600Ω, penghalang output penyembah operasi sangat rendah, yang mengurangkan bunyi jam secara signifikan.

Menambah kondensator pemisah ke pin bekalan kuasa sangat berguna untuk penapis bunyi EMI frekuensi tinggi dan meningkatkan anti-gangguan sirkuit penyampai operasi. Semua diagram dalam artikel ini menunjukkan bahawa CD kondensator penyahpautan adalah sebahagian dari sirkuit. Walaupun masalah mengeksplorasi pemisahan akan segera menjadi sangat rumit, terdapat beberapa "peraturan ibu jari" ideal yang berlaku untuk mana-mana rekaan. Terutama pilih kondensator dengan ciri-ciri berikut:

(a) Koeficien suhu yang hebat, seperti X7R, NPO atau COG;

(b) Induktansi seri yang sama rendah (ESL);

(c) impedance paling rendah dalam julat spektrum yang diperlukan;

(d) Nilai kapasitas dalam julat 1-100 nF secara umum berlaku, tetapi kriteria di atas (b) dan (c) lebih penting daripada nilai kapasitas (d).

Bentangan kondensator dan sambungan kabel adalah sama penting seperti kondensator yang dipilih. Letakkan kondensator yang paling dekat dengan pin bekalan kuasa. Sambungan antara kondensator dan kuasa/tanah PCB sepatutnya pendek yang mungkin, dan jejak pendek atau melalui sambungan boleh digunakan.