Радиолоцман Электроника en
расширенный поиск +
  

24-05-2017

Использование операционных усилителей для снижения уровня помех на печатных платах. Часть 1

Texas Instruments » OPA350, INA188

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2017

Todd Toporski, Texas Instruments

Analog Applications Journal

Введение

В автомобильных, промышленных, медицинских и многих других приложениях используются чувствительные аналоговые схемы, которые должны выполнять свои функции, оставаясь невосприимчивыми к шумовым помехам, создаваемым цепями, расположенными в их ближайшем окружении. Источниками многих из этих помех являются цепи, расположенные по соседству на той же печатной плате, в то время как другие могут приходить на плату по интерфейсным кабелям.

Один из лучших способов снижения уровня электромагнитных помех на печатной плате основан на умелом использовании операционных усилителей (ОУ). К сожалению, об операционных усилителях часто забывают как о средстве, с помощью которого можно снизить уровень помех во многих приложениях. Возможно, это объясняется представлениями об ОУ, как о приборах, чувствительных к воздействию электромагнитных помех, и поэтому требующих дополнительных усилий для повышения их нечувствительности к шумам. Хотя в отношении многих более старых устройств это действительно справедливо, разработчики могут не знать, что новые операционные усилители по уровню помехозащищенности часто намного превосходят приборы предыдущих поколений. Кроме того, конструкторы могут не понимать или не учитывать те важные преимущества, которые может дать схема на ОУ для снижения шумов в их системе и на печатной плате. В этой статье рассматриваются источники электромагнитных помех и обсуждаются те характеристики ОУ, которые определяют их способность к снижению уровня помех в ближней зоне чувствительных конструкций печатных плат.

Источники электромагнитных помех, схемы, подверженные их влиянию, и механизмы проникновения

Электромагнитные помехи создаются источниками электрических шумов, влияющими на вторичные электрические цепи непреднамеренным, и часто нежелательным образом. Во всех случаях мешающим шумовым сигналом являются напряжение, ток или электромагнитное излучение, либо некоторая комбинация этих трех факторов, воздействующих на схему.

Электромагнитные излучения не ограничены диапазоном радиочастот. Мощными источниками «низкочастотных» помех являются импульсные стабилизаторы, схемы управления светодиодами и драйверы электродвигателей с частотами коммутации от десятков до сотен килогерц. Еще один пример – сеть 60 Гц. Проникновение шумов источника в схему происходит под влиянием одного или более из четырех возможных механизмов связи. Три из них – гальваническая, емкостная и индуктивная – считаются связью ближней зоны. Четвертый механизм связан с излучением в дальней зоне, где электромагнитная энергия передается на нескольких длинах волн.

Активная фильтрация дифференциальных шумов

Значительно снизить уровни помех и шумов на печатной плате в полосе рабочих частот схемы могут активные фильтры на ОУ, но во многих конструкциях их возможности недоиспользуются. Полезный дифференциальный сигнал можно ограничить по полосе, а нежелательный дифференциальный шум отфильтровать. Рисунок 1 демонстрирует дифференциальный шум, проникающий на вход схемы через паразитную емкость CP и смешивающийся с входным сигналом. Смесь сигнала и шума принимается активным фильтром нижних частот первого порядка. Схема на дифференциальном усилителе имеет собственную частоту среза, чуть более высокую, чем полезная полоса сигнала, значение которой определяется номиналами компонентов R2 и C1. Высшие частоты ослабляются со скоростью 20 дБ на декаду. Если потребуется, для большего ослабления можно использовать активные фильтры более высоких порядков, например, с крутизной спада –40 или –60 дБ/декада. Рекомендуется использовать резисторы с допускаемым отклонением сопротивления 1% или лучше. Аналогично, для обеспечения наилучших характеристик фильтра, желательно, чтобы конденсаторы имели хорошие ТКЕ (NPO, COG), а допускаемое отклонение емкости не превышало 5%.

Снижение входных синфазных шумов

Наряду с дифференциальными шумами, на входе схемы Рисунок 1 присутствуют также источники синфазных шумов. Синфазный шум можно охарактеризовать как напряжение шумов, общее (или одинаковое) для обоих входов операционного усилителя и не являющееся частью дифференциального сигнала, который ОУ пытается измерить или обработать. Причины возникновения синфазного шума могут быть самыми разными. В качестве одного из примеров можно привести ситуацию, когда потенциал «земли» одной из цепей отличается от потенциала «земли» связанной с ней другой цепи. Разница в напряжениях «земли» может составлять как единицы милливольт, так и многие вольты, и проявлять себя на многих различных частотах. Эти различия в напряжениях приводят к непредусмотренным падениям напряжений и появлению токов, способных влиять на подключенные цепи. Воздействию таких помех часто подвержены автомобили, самолеты и крупные здания с большим количеством цепей.

Главным преимуществом ОУ является дифференциальная архитектура их входов и способность подавлять синфазные в шумы в дифференциальном включении. Значение коэффициента ослабления синфазного сигнала (CMRR) обязательно приводится в техническом описании каждого ОУ, однако в общем CMRR схемы следует обязательно учитывать эффекты, привносимые резисторами, включенными на входе и в цепи обратной связи. Разброс сопротивлений резисторов очень сильно влияет на CMRR. По этой причине, для того, что получить в приложении требуемую величину CMRR, необходимо использовать согласованные резисторы с допускаемыми отклонениями сопротивлений 0.1%, 0.01% или лучше. Альтернативой решениям, основанным на использовании внешних резисторов, могут быть инструментальные или дифференциальные усилители с внутренними согласованными резисторами. Например, инструментальный усилитель INA188 с согласованными сопротивлениями внутренних резисторов имеет очень высокий CMRR, равный 104 дБ.

Если синфазные шумы (VCM_Шум = VCM1 = VCM2) схемы на Рисунке 1 находятся внутри активной полосы частот устройства, их может подавить CMRR операционного усилителя. Уровень подавления зависит от точности согласования сопротивлений используемых резисторов обратной связи R2/R1. Для вычисления общего коэффициента подавления синфазного сигнала схемы CMRRTOTAL можно использовать Формулу 1, которая учитывает влияние разброса сопротивлений (RTOL) и приведенное в справочных данных значение CMRR ОУ. Так, если указанная в документации величина CMRR (дБ) равна 90 дБ, то (1/CMRRAMP) = 0.00003. Во многих схемах допускаемое отклонение сопротивлений является основным фактором, ограничивающим возможность достижения требуемой величины CMRRTOTAL.

Использование операционных усилителей для снижения уровня помех на печатных платах
Рисунок 1. Дифференциальные и синфазные входные шумы на входе активного
фильтра на операционном усилителе.

Формула 1 получена на основании выражения для CMRR идеального ОУ, приведенного в [1], в котором член CMRRAMP полагается очень большим (бесконечным). Для идеального ОУ член (1/CMRRAMP) равен нулю, и CMRRTOTAL определяется только сопротивлениями резисторов и значением AV. Преобразовать CMRRTOTAL в дБ можно с помощью Формулы 2.

  (1)
  (2)

где

AV – коэффициент усиления операционного усилителя с замкнутой петлей обратной связи,
RTOL – допускаемое отклонение сопротивлений резисторов R1 и R2 в процентах (например, 0.1%, 0.01%, 0.001%),
CMRRAMP – значение CMRR в десятичной форме (не в дБ), взятое из технического описания микросхемы.

Окончание

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Using op amps to reduce near-field EMI on PCBs. Part 1

    OPA350 на РадиоЛоцман.Цены — от 1,40 до 214 руб.
    Исполнение: SO8. OP AMP, HIGH SPEED RRI/O, SOIC, 350; Amplifiers, No. of:1; Op Amp Type:High Speed; Gain, Bandwidth -3dB:38MHz; Slew Rate:22;...
    Цена OPA350
    ПоставщикПроизводительНаименованиеЦена
    AliExpressEspects лед opa350ua opa350 одного оу sop81 руб.
    5 элементNXPUBA3070T/N1.118от 29 руб.
    ЭлитанTexas InstrumentsOPA350UA93 руб.
    ИнтерияTexas InstrumentsOPA350UA/2K5118 руб.
    ДессиTexas InstrumentsОперационный усилитель OPA350UA214 руб.
    Все 43 предложений от 27 поставщиков »
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Рекомендуемые публикации по теме:
Статьи  »
Использование операционных усилителей для снижения уровня помех на печатных платах. Часть 2
Новости  »
Операционные усилители компании Texas Instruments обеспечивают самый низкий в отрасли уровень искажений
Новости  »
Analog Devices предлагает операционные усилители с самыми низкими уровнями шумов и искажений и током потребления 1.1 мА
Схемы  »
Использование операционного усилителя в качестве RS-триггера
Схемы  »
Использование усилителя с АРУ как мягкого ограничителя уровня сигналов

При перепечатке материалов с сайта прямая ссылка на РадиоЛоцман обязательна.

Приглашаем авторов статей и переводов к публикации материалов на страницах сайта.

Срезы ↓
Датчики влажности и температуры ДВТ-03
Датчики влажности и температуры ДВТ-03
Цена: от 3 168 руб.
Доставка: Россия и страны СНГ
Осциллограф Rohde Schwarz RTB2002
Осциллограф Rohde&Schwarz RTB2002
2 канала, 70 МГц, память 20 Мб, частота дискретизации 2,5 ГГц. Емкостной цветной сенсорный, диагональю 10.1 дюймов
Цена: от 128 тыс. руб.
Доставка: Россия и страны СНГ
DC-DC повышающий регулируемый преобразователь питания на MT3608
DC-DC регулируемый преобразователь питания
на MT3608
Входное напряжение: 2В-24В
Выходное напряжение: 4В-28В
Входной ток: 2А
Цена: от 22 руб.
Доставка: Весь мир / Россия
радиолоцман вконтакте радиолоцман одноклассники радиолоцман facebook радиолоцман twitter радиолоцман google плюс
Рейтинг@Mail.ru