Источники питания Keen Side

Входной фильтр предотвращает выпрямление радиочастотных помех инструментальным усилителем

Analog Devices AD627 AD8221

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2020

Инструментальные усилители используются в различных приложениях, когда слабый дифференциальный сигнал необходимо извлекать из больших синфазных шумов или помех. Однако разработчики часто упускают из виду потенциальную проблему, связанную с тем, что радиочастотные шумы могут выпрямляться внутренними диодами, образованными p-n переходами на кремниевой подложке кристалла инструментального усилителя. Обычно инструментальные усилители значительно ослабляют входные синфазные сигналы. К сожалению, фактор выпрямления радиочастотных сигналов сохраняется, поскольку даже самые хорошие инструментальные усилители практически не способны подавлять синфазные сигналы на частотах выше 20 кГц. Входной каскад усилителя может выпрямлять сильные радиочастотные сигналы, что будет проявляться как ошибка смещения по постоянному напряжению. Если входной каскад выпрямит сигнал, никакая фильтрация нижних частот на выходе инструментального усилителя не сможет устранить ошибку. Наконец, если радиочастотные помехи непостоянны, ошибки измерения могут остаться незамеченными. Наилучшее практическое решение этой проблемы заключается в том, чтобы обеспечить подавление помехи перед инструментальным усилителем с помощью дифференциального фильтра нижних частот. Фильтр должен удалять из входных линий как можно больше радиочастотной энергии, сохранять «баланс» сигнала переменного тока между каждой линией и землей (общей шиной) и обеспечивать достаточно высокий входной импеданс во всей полосе измерений, чтобы не допустить нагрузки на источник сигнала. На Рисунке 1 представлен стандартный блок для широкого спектра дифференциальных фильтров радиопомех.

Hongfa разработала новое силовое реле HF36F-G для умного дома

Эта схема фильтра нижних частот предотвращает ошибки радиочастотного выпрямления в инструментальных усилителях.
Рисунок 1. Эта схема фильтра нижних частот предотвращает ошибки радиочастотного
выпрямления в инструментальных усилителях.

Номиналы компонентов типичны для инструментальных усилителей последних поколений, таких как AD8221, полоса пропускания которого по уровню –3 дБ составляет 1 МГц, а типовое напряжение шумов равно 7 нВ/√Гц. Помимо подавления радиопомех, фильтр также обеспечивает дополнительную защиту входов от перегрузки; резисторы R1A и R1B помогают изолировать входную цепь инструментального усилителя от внешнего источника сигнала. Упрощенный вариант фильтра радиопомех показан на Рисунке 2. Видно, что фильтр образует мостовую схему, выход которой подключен к входным выводам инструментального усилителя. Из-за такого включения любое несоответствие между постоянными времени C1A/R1A и C1B/R1B разбалансирует мост и ухудшает высокочастотное подавление синфазных сигналов. Поэтому сопротивления резисторов R1A и R1B, а также емкости конденсаторов C1A и C1B всегда должны быть равны. C2 подключен между «выходами моста», так что, фактически, C2 параллелен последовательной комбинации конденсаторов C1A и C1B. Включенный таким образом конденсатор C2 эффективно компенсирует ухудшение подавления синфазных сигналов. Например, если емкость конденсатора C2 в 10 раз больше емкости C1, ошибки коэффициента подавления синфазных сигналов, связанные с дисбалансом C1A/C1B, уменьшатся в 20 раз. Обратите внимание, что на постоянную составляющую синфазного сигнала фильтр не влияет.

Конденсатор C2 шунтирует цепь C1A/C1B и частично компенсирует ухудшение подавления высокочастотных сигналов, обусловленное рассогласованием номиналов компонентов.
Рисунок 2. Конденсатор C2 шунтирует цепь C1A/C1B и частично компенсирует
ухудшение подавления высокочастотных сигналов, обусловленное
рассогласованием номиналов компонентов.

Фильтр радиопомех имеет дифференциальную и синфазную полосы пропускания. Дифференциальная полоса пропускания определяет частотную характеристику фильтра с дифференциальным входным сигналом, приложенным между двумя входами схемы +IN и –IN. Параметры эквивалентной постоянной времени задаются суммой сопротивлений двух одинаковых входных резисторов R1A и R1B и дифференциальной емкости, образованной параллельным соединением C2 и последовательной комбинации C1A и C1B. Дифференциальная полоса пропускания этого фильтра по уровню –3 дБ равна

Синфазная полоса пропускания определяет, что «видит» синфазный радиочастотный сигнал между двумя входами, соединенными друг с другом и с землей. На полосу пропускания синфазного радиочастотного сигнала C2 не влияет, так как этот конденсатор включен между двумя входами, помогая поддерживать на них один уровень радиочастотного сигнала. Поэтому синфазная полоса пропускания является функцией параллельного импеданса двух RC-цепочек (R1A/C1A и R1B/C1B) относительно земли. Синфазная полоса пропускания по уровню –3 дБ равна

При использовании в схеме на Рисунке 1 конденсатора C2 емкостью 0.01 мкФ полоса пропускания дифференциального сигнала по уровню –3 дБ составляет примерно 1900 Гц. При работе с коэффициентом усиления, равным 5, измеренная приведенная ко входу ошибка постоянной составляющей в диапазоне частот от 10 Гц до 20 МГц была меньше 6 мкВ. При единичном усилении смещение постоянной составляющей было настолько мало, что не могло быть измерено. Некоторые инструментальные усилители более склонны к радиочастотному выпрямлению, чем другие, и могут нуждаться в более надежном фильтре. Хорошим примером является микромощный инструментальный усилитель AD627, имеющий низкий рабочий ток входного каскада. Простое увеличение сопротивлений двух входных резисторов, R1A/R1B, емкости конденсатора C2 или того и другого может обеспечить дополнительное ослабление радиочастотной помехи за счет уменьшения ширины полосы сигнала. Ниже перечислены некоторые этапы выбора номиналов компонентов фильтра радиопомех:

Определите сопротивление двух последовательных резисторов и убедитесь, что предшествующая схема может адекватно работать на эти сопротивления. При типичных значениях от 2 до 10 кОм эти резисторы не должны вносить больше шума, чем вносит сам инструментальный усилитель. Использование пары резисторов по 2 кОм увеличивает тепловой шум (шум Джонсона) на 8 нВ/√Гц. Это значение возрастает до 11 нВ/√Гц при сопротивлениях резисторов 4 кОм и до 18 нВ/√Гц при сопротивлениях 10 кОм.

Выберите подходящее значение емкости конденсатора C2, от которого зависит дифференциальная (сигнальная) полоса пропускания фильтра. Емкость C2 должна быть как можно меньше и не ослаблять входной сигнал. Обычно считается нормальным, если дифференциальная полоса пропускания в 10 раз шире наибольшей частоты сигнала.

Выберите емкости конденсаторов, которые определяют синфазную полосу пропускания. Для хорошего подавления высокочастотных синфазных сигналов емкости этих конденсаторов должны составлять 10% или меньше от емкости C2. Ширина синфазной полосы пропускания всегда должна составлять менее 10% от полосы инструментального усилителя при единичном усилении.

Изготавливать фильтр радиопомех следует на печатной плате со слоями земли с обеих сторон. Выводы всех компонентов должны быть как можно короче. R1 и R2 могут быть обычными металлопленочными резисторами с допустимым отклонением сопротивления 1%. Однако все три конденсатора должны иметь достаточно высокую добротность и низкие потери. Чтобы не ухудшать подавление схемой синфазных сигналов, конденсаторы C1A и C1B должны иметь допуски 5%. Хорошим выбором будут традиционные 5-процентные слюдяные конденсаторы с серебряными обкладками или новые 2-процентные пленочные конденсаторы Panasonic серии PPS.

Материалы по теме

  1. Datasheet Analog Devices AD627
  2. Datasheet Analog Devices AD8221

EDN

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Input filter prevents instrumentation-amp RF-rectification errors

61 предложений от 34 поставщиков
Инструментальный усилитель, Ку=5..1000, Uсдв=25мкВ, 0.1мкВ/°С, Iвх=2нА, Rвх=20ГОм, КОСС=90дБ, 80кГц, шум=38нВ/VГц, Iп=0.6мА, Uп=2.2..36В, -40..+85°С
EIS Components
Весь мир
AD627BN
Analog Devices
80 ₽
ЗУМ-СМД
Россия
AD627ARZ
Analog Devices
94 ₽
СПИ-Групп
Россия
AD627ARZ
по запросу
Augswan
Весь мир
AD627ARZ-REEL7
Analog Devices
по запросу
Электронные компоненты. Скидки, кэшбэк и бесплатная доставка от ТМ Электроникс
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Решение, описанное в статье, известное. Знаем и используем на ура. Но, говоря правду, часто это помогает только при сильном сужении полосы пропускания. О чём в статье честно сказано: И потом, при подборе с простыми керамическими конденсаторами X7R фильтр хорошо работает только при отношении С2 к С1А/B не меньше 10. Т.е. конденсаторы должны быть хорошими во всех смыслах, о чём опять же сказано в статье.
  • Написано же:"...Хорошим выбором будут традиционные 5-процентные слюдяные конденсаторы с серебряными обкладками или новые 2-процентные пленочные конденсаторы Panasonic серии PPS..." При чём тут керамика с её пьезоэффектом?
  • Потому что Специалист это реалист, реальные исследования проводит, а Новичок всегда максималист, который слышал звон ... По странному стечению обстоятельства я вчера СГМ-3 паял.
  • Замечательно, не вижу ничего плохого в слюде, КСО(Г), КСГ, СГМ. Напряжения, частоты и рабочие параметры на высоте. Но номиналы маловаты, если честно. И, конечно, герметичные СГМ кажутся в некотором смысле избыточным архаизмом во времена SMD. Ну, говоря в общем, не так страшен пьезоэффект керамики вдалеке от частот собственного резонанса. Ведь статья не о блоках питания, а о фильтрации наведённых помех и прецизионном усилении. Тут в статье немного другие параметры конденсаторов имеются ввиду: высокая добротность (низкий тангенс угла потерь) и стабильность параметров (в зависимости от частоты, напряжения и т.д.) А чисто механически получить микрофонный эффект - так ведь постоянно стучать по плате никто не будет :-). Хотя всё зависит от того, в каких условиях будет использоваться устройство. И если ничего другого нет, кроме дешёвой керамики, то у конденсаторов с диэлектриком NP0(C0G) параметры лучше, чем у X7R, если последние для конкретной задачи не подходят. Вот, кстати, интересная статья [URL="https://www.doeeet.com/content/eee-components/replacing-mlccs-with-polymer-capacitors/"]"Replacing MLCCs with polymer capacitors".[/URL] Ещё запомнившиеся интересные материалы по MLCC и их альтернативам. [URL="https://www.newark.com/wcsstore/ExtendedSitesCatalogAssetStore/cms/asset/pdf/common/panasonic/Polymers_Optimal_Replacement.pdf"]Polymer capasitors - an optimal replacement for MLCCs.[/URL] [URL="https://nepp.nasa.gov/files/29931/NEPP-BOK-2018-Teverovsky-Paper-NEPPWeb-BOK-Cracking-MLCC-TN65668.pdf"]Cracking Problems in Low-Voltage Chip Ceramic Capacitors. NASA Guidelines for Selection of Ceramic Capacitors for Space Applications[/URL]. [URL="https://www.avx.com/docs/techinfo/CeramicCapacitors/parasitc.pdf"]Parasitic Inductance of Multilayer Ceramic Capacitors.[/URL]
  • Можно использовать как подслушивающее устройство...
  • Думаю, все мы читали вот эту статью в РадиоЛоцмане [URL="https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=506603"]Искажения сигналов конденсаторами с высокой диэлектрической проницаемостью керамики.[/URL] В последовавшем обсуждении правильно было сказано об использовании этих конденсаторов в импульсных схемах и о искажениях, вносимых MLCC в схемах активных фильтров. Но активный фильтр на ОУ и фильтр радиопомех перед ОУ в обсуждаемой статье - немного разные цепи. Тут ФНЧ должен лишь подавить помеху с двумя условиями: а) не внести существенного смещения постоянной составляющей сигнала на входе ОУ и б) обеспечить хорошую симметрию и постоянство синфазной части фильтра. Поэтому следующие рекомендации позволяют довольно свободно выбирать конденсаторы исходя из конкретной задачи или проблемы:
  • Вдогонку к теме - полезный симулятор с генератором SPICE моделей конденсаторов. [url]https://ksim3.kemet.com/capacitor-simulation[/url]
Полный вариант обсуждения »