Технология PCB - использовать операционный усилитель для снижения поля PCB

One of the best ways to reduce EMI for PCB design is to use operational amplifiers flexibly. К сожалению, in many applications, Роль операционного усилителя в уменьшении EMI обычно игнорируется...

при проектировании PCB одним из наиболее эффективных методов сокращения электромагнитных помех (EMI) является гибкое использование операционных усилителей (транспозиция). К сожалению, во многих прикладных программах роль операционных усилителей в уменьшении EMI часто игнорируется. Это может быть вызвано предвзятым мнением о том, что « операционные усилители уязвимы к воздействию EMI и что необходимо принять дополнительные меры для повышения их способности противостоять шумовым помехам» Хотя это верно для многих ранее изготовленных компонентов, конструкторы, возможно, не понимают, что последние операционные усилители обычно обладают лучшими помехоустойчивыми свойствами, чем предыдущие поколения. Конструкторы могут также не понимать или не учитывать основные преимущества схем операционных усилителей для снижения шума при проектировании систем и PCB. В настоящем документе рассматриваются источники электромагнитных помех и обсуждаются характеристики операционных усилителей, которые помогают смягчить воздействие электромагнитных помех в ближних полях при проектировании чувствительных PCB.

EMI истоки, интерференционные схемы и механизмы связи

EMI is interference caused by sources of electrical noise, обычно это непреднамеренно и нежелательно. In various situations, шумовой сигнал помехи - один из сигналов напряжения, current, электромагнитное излучение, or the noise source is coupled to the disturbed circuit in some combination of these three forms.

EMI не ограничивается радиопомехами (RFI). в диапазоне частот « ниже» имеются мощные источники EMI в диапазоне частот ниже радиочастоты, такие, как переключатели регуляторов, схемы LED и электромашинные приводы, работающие в диапазоне от десятков до сотен кГц. 60Hz линейные шумы - еще один пример. источник шума передается в помехи через один или несколько из четырех механизмов связи.

три из этих четырех методов считаются близкими, including conductive coupling, полевая связь, магнитная связь. Четвертый механизм - это радиационная связь в дальнем поле, in which electromagnetic energy can be radiated at multiple wavelengths.

активная фильтрация шумов дифференциальных мод

Фильтры активных операционных усилителей могут значительно снизить EMI и шум на PCB в пределах полосы пропускания цепи, но они не используются в полной мере во многих конструкциях. ожидаемый разностный режим (дм) сигнала может быть ограничен полосой частот и может фильтровать ненужные шумы дм. На диаграмме 1 показаны шумы DM, связанные с входным сигналом через паразитную емкость (СР). комбинация сигналов и шумов принимается фильтром нижнего пропускания первого порядка. частота нижних запираний цепи дифференцирующего усилителя устанавливается на частоту сигнала, превышающую только R2 и C1.

более высокая частота затухания 20 децибел / десять лет. Если требуется большее затухание, можно использовать Активные фильтры более высокого порядка (например - 40 или - 60dB / decade). рекомендуется использовать резистор с допуском менее 1%. Аналогичным образом, конденсаторы с благоприятными температурными коэффициентами (NPS, COG) и 5 - процентным допуском (или < 5%) могут получить оптимальные фильтрующие свойства. шумы CM можно охарактеризовать как общее (или одинаковое) напряжение шума на входе двух операционных усилителей и не являются частью ожидаемого сигнала DM, который операционный усилитель пытается измерить или скорректировать.

одним из важных достоинств операционного усилителя является его разностная входная структура, а также его способность подавлять шумы в общей моде, когда он настроен как разностный усилитель. Хотя для каждого из операционных усилителей может быть указано отношение подавления общего модуля (CMRR), общий CMRR схемы должен также включать влияние входного и обратного сопротивлений. изменение устойчивости сильно влияет на CMRR. Таким образом, резисторы с допуском 0,1 процента, 0,01 процента или лучше согласуются с коэффициентом подавления сопутствующего типа, который необходим для применения. хотя использование внешних резисторов может обеспечить хорошую производительность, использование приборов с внутренним реостатом подстройки или дифференциального усилителя - это другой вариант.

Как отмечалось выше, эффективность активных фильтров и подавление сопутствующего модуля позволяет надежно снизить шумы в цепи в пределах диапазона частот элементов, включая DM и CM EMI в диапазоне МГц. Однако шумы RFI, которые подвергаются воздействию выше ожидаемой рабочей частоты, могут привести к нелинейному поведению компонентов. операционный усилитель наиболее уязвим к воздействию RFI на входе с высокой степенью импеданса, поскольку шумы DM и CM RFI могут корректироваться с помощью внутренних диодов (образующихся в результате p - n - переходов на кремний). После выпрямления возникает небольшое напряжение постоянного тока (DC) или смещение, которое может быть увеличено и которое может быть показано в конце вывода как отклонение постоянного тока. в зависимости от точности и чувствительности системы, это может привести к плохой характеристике цепи или плохому поведению.

К счастью, использование одного из двух методов может повысить сопротивляемость операционного усилителя помехам (или уменьшить чувствительность) RFI. в качестве первого и наилучшего варианта можно использовать операционный усилитель антиEMI, который включает внутренний входной фильтр, способный подавлять шумы от нескольких десятков МГц до до ГГц. TI в настоящее время обеспечивает более 80 усовершенствованных модулей EMI. поиск EMI можно усилить с помощью поисковой системы с параметрами операционного усилителя TI. Второй параметр - добавить внешний фильтр EMI / RFI на входе операционного усилителя. Если для проектирования нужно только не включать внутренние фильтры EMI, это может быть единственным выбором.

Другой важной особенностью операционного усилителя является его крайне низкое выходное сопротивление, которое в большинстве конфигураций обычно составляет несколько ом (отключение) или меньше. чтобы понять преимущества снижения EMI, необходимо прежде всего подумать о том, как EMI влияет на цепь с низким сопротивлением и высоким сопротивлением.

In actual systems, в диапазоне 100 - 400khz последовательные часы шины I2C очень часто встречаются в аудио ADC и цепи. Although the I2C clock is usually driven in a burst (discontinuous) manner, симуляция показывает возможные эффекты времени при приводе. In high-density audio and infotainment PCB design, маршрутизация часов действительно может появиться возле чувствительных звуковых дорожек. Only a few pF of parasitic емкость PCB возможная емкостная связь, и синхронизирующий ток. Figure 3 is an example of simulation using only 1pF parasitic capacitance.

как снизить шум в тональной цепи? Facts have proved that reducing the impedance of the disturbed circuit is a way to reduce its sensitivity to coupling noise. For circuits with higher source impedance (> 50Ω), the coupling noise can be reduced by minimizing the source impedance related to the circuit load. Диаграмма 4, the OPA350 in the in-phase configuration is added to the circuit to buffer the signal and isolate the source impedance from the load. по сравнению с 600, выходной импеданс операционного усилителя очень низкий, which significantly reduces the clock noise.

Добавьте развязывающую емкость на штырь питания очень полезно для фильтрации шумов EMI высокой частоты и усиления помехоустойчивости в цепи операционного усилителя. Все диаграммы в этом документе указывают на то, что диск развязывающего конденсатора является частью схемы. Несмотря на то, что изучение вопроса о развязывании вскоре станет очень сложным, есть несколько идеальных "эмпирических" правил, применимых к любому проектированию. в частности, необходимо выбрать конденсаторы, имеющие следующие характеристики:

A) отличные температурные коэффициенты, такие, как X7R, NPC или COG;

(b) Very low equivalent series inductance (ESL);

C) минимальное сопротивление в требуемом диапазоне частот;

(d) Capacitance values in the range of 1-100 nF are generally applicable, but the above criteria (b) and (c) are more important than the capacitance value (d).

схема и соединение конденсаторов столь же важны, как и выбранный конденсатор. Place the capacitor as close as possible to the power supply pin. соединение между конденсатором и конденсатором источник PCB/земля должна быть как можно короче, можно использовать короткий канал записи.