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

Цена OPA350OPA350 на РадиоЛоцман.Цены — от 0,37 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;...
ПоставщикПроизводительНаименованиеЦена
5 элементMulticompMC0063W06035220Rот 0 руб.
AliExpressEspects лед opa350ua opa350 одного оу sop81 руб.
ТриомTexas InstrumentsOPA350EA/2K5144 руб.
LifeElectronicsTexas InstrumentsOPA350UA/SGM8653по запросу
Океан ЭлектроникиTexas InstrumentsOPA350EA/2K5по запросу
Все 44 предложений от 29 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
Форум  »
Обсуждение: Использование усилителя с АРУ как мягкого ограничителя уровня сигналов
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

При перепечатке материалов с сайта прямая ссылка на РадиоЛоцман обязательна.

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

Срезы ↓
Лазерный дальномер Leica Disto D1
Дальномер Leica Disto D1
Дальность измерения: 0.2 - 40 м
Цена: от 4 999 руб.
Доставка: Россия
Тепловизор Fluke TiX580
Тепловизор Fluke TiX580
Диапазон измеряемых температур: от 20 до +800 °C
Цена: от 1 458 000 руб.
Доставка: Россия
Источник питания Актаком APS-1303
Источник питания Актаком APS-1303
2 LED дисплея, 0…30 В, 0…3 А
Цена: от 9 700 руб.
Доставка: Россия и страны СНГ
Рейтинг@Mail.ru