减少运放和仪表电路中RFI整流 - RFI整流原理详解

　　减少运算放大器和仪表放大器电路中的RFI整流

　　EMI和RFI会严重影响高精度模拟电路的直流性能。由于带宽相对较低，精密运算放大器和仪表放大器不会精确放大MHz范围内的RF信号。但是，如果这些带外信号能够通过精密放大器的输入、输出或电源引脚耦合至精密放大器，这些信号就会通过各种放大器结点进行内部整流，并最终在输出端导致不必要的直流失调。之前关于该现象的理论探讨已经说明其基本机制。下一步要介绍合适的滤波如何减少或消除这些误差。

　　合适的电源去耦可以将IC电源引脚上的RFI降至最低。放大器输入和输出还需要在器件级进一步探讨。此时，假定系统级EMI/RFI方法已经实现，如紧凑的RFI外形、正确接地的屏蔽层、电源轨滤波等。这些后续步骤可视为电路级EMI/RFI防护。

　　运算放大器输入

　　防止输入级整流的最佳方法是采用靠近运算放大器输入的低通滤波器，如图3所示。

　　

　　图3：用于运算放大器电路的简单EMI/RFI噪声滤波器

　　在左侧示意图的反相运算放大器中，滤波器电容C位于等值电阻R1-R2之间。由此可以得出简单的转折频率表达式，如图所示。在极低频率或直流情况下，电路的闭环增益为–R3/（R1+R2）。注意，C不能直接连接至运算放大器的反相输入，否则会产生不稳定性。所选的滤波器带宽至少为信号带宽的100倍，以便将信号损失降至最低。

　　在右侧示意图的同相运算放大器中，电容C可以直接连接至运算放大器输入，阻值为“R”的输入电阻会和反相运算放大器产生相同的转折频率。两种情况下都应采用低电感芯片式电容，如NP0陶瓷电容。电容在任何情况下都不应出现损耗或电压系数问题，因此只能选用上述NP0陶瓷电容或薄膜型电容。

　　需要注意的是，可以用铁氧体磁珠代替R1，但是，铁氧体磁珠阻抗无法精确控制，一般不超过100Ω（10 MHz至100 MHz时）。因此，需要采用容值较大的电容来衰减低频。

　　仪表放大器输入

　　由于存在共模（CM）EMI/RFI，精密仪表放大器对直流失调误差尤为敏感。这和运算放大器中存在的问题很像。而且，和运算放大器相比，采用低功耗仪表放大器时，EMI/RFI灵敏度问题尤为严重。

　　图4所示为仪表放大器器件级应用正确的通用滤波方法。实际上，该电路中的仪表放大器可以采用各种器件中的任何一种。仪表放大器之前相对复杂的平衡RC滤波器可以处理所有的高频滤波。仪表放大器可以通过其增益设置电阻，针对应用所需的增益进行编程（图中未显示）。

　　

　　图4：仪表放大器通用共模/差模RC EMI/RFI滤波器

　　注意，在滤波器中，共模（R1-C1和R2-C2）和差模（DM）信号（R1+R2，以及C3 || 串联的C1-C2）均受到完全平衡的滤波。如果R1-R2和C1-C2匹配不佳，VIN的部分输入共模信号就会转换为仪表放大器输入端的差模信号。因此，C1和C2相互间至少有5%匹配。R1和R2应为1%金属薄膜电阻，以利于匹配。假定从VIN端获得的源阻抗相对R1-R2较低，且能够匹配。在这种滤波器中，所选的C3应远大于C1或C2（C3≥C1、C2），以便抑制由于R1-C1和R2-C2时间常数不匹配引起共模（CM）-差模（DM）转换，从而导致的杂散差分信号。

　　整体滤波器带宽应至少为输入信号带宽的100倍。实际上，滤波器元件应对称安装在具有大面积接地层的PC电路板上，而且必须靠近仪表放大器输入端，以便实现最佳性能。

　　图5所示为该滤波器系列，适合各种不同的仪表放大器。RC元件应按照表中要求，根据不同的仪表放大器量身定制。选择这些滤波器元件是为了使低EMI/RFI灵敏度和低噪声增加量达到适度平衡（与无滤波器的相关仪表放大器相比）。

　　

　　图5：适用于AD620系列、AD623、AD627和其它仪表放大器的灵活共模和差模RC EMI/RFI滤波器

　　为了测试配置的EMI/RFI灵敏度，可以向输入电阻施加1 Vp-p的共模信号，如图所示。采用常用的仪表放大器（如AD620），在增益为1000的条件下工作时，获得的最大RTI输入失调电压偏移在20 MHz范围内为1.5μV。在AD620滤波器示例中，差分带宽约为400 Hz。

　　共模扼流圈提供简单的单器件EMI/RFI保护，可以替代无源RC滤波器，如图6所示。

　　

　　图6：为简明起见，以及实现最低噪声EMI/RFI滤波操作，共模扼流圈适用于AD620系列仪表放大器

　　除了采用的元件数量较少以外，通过电阻的消除作用，基于扼流圈的滤波器还具有低噪声。但是，选择合适的共模扼流圈至关重要。图6所示电路中采用的扼流圈是Pulse Engineering B4001。从DC至20 MHz（G = 1000）测得的最大RTI失调偏移为4.5μV。可以采用现成的扼流圈（如B4001），也可以另行制造。绕组的平衡非常重要，因此，建议采用双线绕组。当然，磁芯材料必须能够在预期频带内工作。注意，和图5中的RC滤波器系列不同，只采用扼流圈的滤波器无法提供差分滤波。通过增加图5所示的R1-C3-R2连接，可以在扼流圈后采用第二级设置选择增加差模滤波。