Использование операционных усилителей для снижения уровня помех на печатных платах. Часть 2

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2017

Todd Toporski, Texas Instruments

Analog Applications Journal

Часть 1

Снижение восприимчивости к радиопомехам и другим высокочастотным излучениям

Как было показано в предыдущих разделах, активная фильтрация и CMRR могут надежно снижать шумы схемы в пределах диапазона частот устройства, включая синфазные и дифференциальные помехи с частотой до МГц. Однако воздействие радиочастотных шумов, находящихся за пределами диапазона рабочих частот, может стать причиной нелинейного поведения устройства. Операционные усилители наиболее чувствительны к радиопомехам со стороны высокоимпедансного входного каскада из-за того, что дифференциальные и синфазные радиочастотные шумы могут выпрямляться внутренними диодами, образованными p-n переходами на кремниевой подложке кристалла. Выпрямление создает небольшое постоянное напряжение или смещение, которое усиливается, и может проявляться в виде непредусмотренного постоянного сдвига выходного напряжения. В зависимости от точности и чувствительности системы, это в той или иной степени может ухудшить характеристики и поведение схемы.

К счастью, существуют два метода, с помощью которых можно повысить невосприимчивость (или снизить чувствительность) ОУ к радиопомехам. Первый, и лучший, основан на использовании помехоустойчивых операционных усилителей, которые содержат внутренние входные фильтры, подавляющие шумы в диапазоне от десятков мегагерц до гигагерц. На сегодня результат поиска по запросу «EMI Hardened» («Помехоустойчивые») в таблице параметров производимых TI операционных усилителей будет содержать более 80 приборов. Подробности, связанные с устойчивыми к помехам ОУ, можно найти в [2] и [3].

Второй вариант предполагает добавление на вход операционного усилителя внешних фильтров радиопомех. Этот вариант может быть единственным, если в конструкции требуется использовать микросхему, не содержащую внутренних фильтров электромагнитных помех. На Рисунке 2 изображена стандартная конфигурация дифференциального усилителя, в которой применяются дифференциальный и синфазный фильтры, рассчитанные на более высокие частоты помех. Коэффициент усиления схемы без входных фильтров равен |R2/R1|. При подключении к входу пассивных фильтров обычно приходится добавлять резисторы R3, компенсирующие снижение запаса устойчивости по фазе из-за реактивного сопротивления конденсатора C_DM. Дифференциальный фильтр нижних частот состоит из двух резисторов R1, конденсатора C_DM и двух конденсаторов C_CM. Синфазный фильтр образован двумя резисторами R1 и двумя конденсаторами C_CM.

Рисунок 2.	Пассивные входные фильтры улучшают невосприимчивость к высокочастотным помехам.

Ниже показаны формулы для частот среза по уровню –3 дБ дифференциального и синфазного фильтров (f_{C_DM} и f_{C_CM}, соответственно). Частота f_{C_DM} устанавливается выше полосы пропускания схемы ОУ, и первой, как правило, рассчитывается емкость C_DM. Затем выбираются конденсаторы C_CM таким образом, чтобы их емкость была хотя бы в десять раз меньше, чем C_DM, для минимизации влияния на частоту f_{C_DM} и потому, что они должны работать на более высоких частотах. В результате частота среза f_{C_CM} будет установлена более высокой, чем f_{C_DM}. Заметим, что выделенные красной рамкой компоненты можно исключить из схемы и упростить конструкцию, если использовать помехоустойчивые устройства.

(3)

(4)

Низкий выходной импеданс снижает уровень помех

Еще одной важной характеристикой операционных усилителей является их очень низкий выходной импеданс, типичное значение которого в большинстве конфигураций составляет несколько ом или меньше. Для того, чтобы понять, как зависит от этого параметра степень снижения электромагнитных помех, рассмотрим, влияние помех на низко- и высокоимпедансные цепи.

На Рисунке 3 показаны осциллограммы для двух схем. Первая моделирует вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) аудио схемы и состоит из генератора синусоидального сигнала с амплитудой 1 В пик-пик и частотой 2 кГц (V_S1), внутреннего импеданса генератора 600 Ом (R_S1) и сопротивления нагрузки 20 кОм (R_L1). Импедансы порядка 600 Ом характерны для таких источников сигналов, как микрофоны, а высокое входное сопротивление 20 кОм типично для аудио АЦП. Вторая схема представляет собой генератор 100-килогерцовых импульсов амплитудой 3.3 В (V_S2) с последовательным согласующим резистором 22 Ом (R_S2) и импедансом нагрузки 500 кОм (R_L2). Высокоимпедансная нагрузка имитирует вход следующего устройства.

Рисунок 3.	Аудио схема и влияющий на нее источник тактовых импульсов.

В реальных системах широко распространены аудио АЦП и другие схемы с последовательной шиной I²C, частота которой находится в пределах от 100 до 400 кГц. Несмотря на то, что обычно импульсы на шине I²C проходят пачками (не непрерывно), моделирование показывает, что в эти моменты времени они могут воздействовать на схему. Ситуация, когда импульсные сигналы проходят вблизи дорожек, идущих к чувствительным аудио цепям, вполне типична для плотных печатных плат современных звуковых и информационно-развлекательных систем. Для возникновения емкостной связи достаточно лишь нескольких пикофарад паразитной емкости платы, через которую шумовой ток будет проникать в аудио сигнал. В схеме на Рисунке 3 эта связь моделируется паразитной емкостью величиной всего 1 пФ.

Рисунок 4.	Операционный усилитель ослабляет помехи, создаваемые источником тактовых импульсов.

Каким образом можно уменьшить шум в аудио схеме? Как выяснилось, уменьшение импеданса защищаемой схемы может служить одним из способов снижения чувствительности к шумам. Для схем с относительно высоким импедансом источника (более 50 Ом) проникающие в них шумы можно уменьшить, снижая импеданс источника, наблюдаемый со стороны нагрузки. На Рисунке 4 к схеме добавлен усилитель OPA350 в неинвертирующем включении, буферизующий сигнал и изолирующий импеданс источника от нагрузки. По сравнению с 600 Ом выходной импеданс ОУ очень мал, благодаря чему происходит существенное ослабление шумов тактового генератора.

Не забывайте о важности развязывающих конденсаторов

Подключение развязывающих конденсаторов к выводам питания является исключительно эффективным способом фильтрации высокочастотных электромагнитных шумов и повышения помехоустойчивости схемы операционного усилителя. Развязывающий конденсатор C_D присутствует на всех схемах, представленных в данной статье. Хотя задача обеспечения развязки питания в процессе разработки быстро усложняется, есть несколько хороших общих правил, применимых к любой конструкции. В частности, основные характеристики используемых конденсаторов должны быть следующими:

1. Очень хороший температурный коэффициент, такой как X7R, NPO или COG.
2. Очень низкое эквивалентное последовательное сопротивление.
3. Минимально возможный импеданс в требуемом частотном диапазоне.
4. Хорошо выполняют свои функции конденсаторы в диапазоне емкостей от 1 до 100 нФ, однако условия (2) и (3) более важны, чем величина емкости.

Размещение и подключение конденсаторов имеет не меньшее значение, чем выбор их параметров. Располагайте конденсаторы как можно ближе к выводам питания. Печатные проводники, соединяющие их с шинами питания или земли, должны иметь минимально возможную длину.

Заключение

С помощью операционных усилителей можно снизить уровни влияющих на плату электромагнитных помех ближней зоны и улучшить характеристики системы. Вот некоторые ключевые моменты, которые надо учитывать в любой конструкции:

• Ослабляйте входные дифференциальные шумы, используя активные фильтры с хорошо подобранной конфигурацией (Рисунок 1).
• Ослабляйте входные синфазные шумы, выбирая ОУ с высоким CMRR и используя точно согласованные резисторы (Рисунок 1, Формулы 1 и 2)
• Для дальнейшего улучшения устойчивости к высокочастотным помехам (как дифференциальным, так и синфазным) выбирайте помехоустойчивые устройства или используйте внешние пассивные фильтры радиопомех (Рисунок 2).
• Для снижения уровня кондуктивных шумов при передаче сигнала другим цепям на печатной плате используйте преимущества низкоимпедансных выходов ОУ.
• И, наконец, снижайте шумы источника питания, выбирая правильную стратегию развязки ОУ и всех остальных схем.

Ссылки

Материалы по теме