仪表放大器输入RFI保护(转载自ADI)

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小宇

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发表于2017-09-07 16:41:18 | 显示全部楼层

1# 电梯直达

在实际应用中，必须处理日益增多的射频干扰(RFI)，对于信号传输线路较长且信号强度较低的情况尤其如此，这是仪表放大器的典型应用，因为其本身具有共模抑制能力，所以该器件能从较强共模噪声和干扰中提取较弱的差分信号。但有个潜在问题却往往被忽视，即仪表放大器中存在的射频整流问题。当存在强射频干扰时，集成电路的内部结点可能对干扰进行整流，然后以直流输出失调误差表现出来。

仪表放大器输入端的共模信号通常被其共模抑制的性能衰减了。但遗憾的是，射频整流仍然会发生，因为即使最好的仪表放大器在信号频率高于20 kHz时，实际上也不能抑制共模噪声。放大器的输入级可能对强射频信号进行整流，然后以直流失调误差表现出来。一旦经过整流后，在仪表放大器输出端的低通滤波器将无法消除这种误差。如果射频干扰为间歇性，那么它会导致测量误差，但无法被觉察到。

对于仪表放大器的器件级应用需进行适当的滤波，通用方法如图1所示。在此电路中，仪表放大器可以是数种器件之一。仪表放大器前相对复杂的平衡RC滤波器负责执行所有高频滤波。仪表放大器则通过其增益设置电阻(图中未显示)设置为应用所需的增益。注意，该滤波器针对CM(R1-C1和R2-C2)以及差模(DM)信号(R1+R2和C3与串联的C1-C2并联)提供完全平衡的滤波。如果R1-R2和C1-C2匹配不佳，VIN处的某些输入共模信号将转换为仪表放大器输入端的差模信号。因此，C1和C2的匹配精度至少应达到5%。此外，R1和R2应该采用1%金属薄膜电阻，以便帮助实现这一匹配精度。此处假设VIN引脚处的源阻抗小于R1-R2，并且相互匹配。在此类滤波器中，所选的C3应该至少比C1或C2 (C3》10C1, 10C2)大10倍，以抑制因R1-C1和R2-C2时间常数不匹配所引起的CM-DM转换而导致的杂散差分信号。

假设C3 >> C1，由此得到CM滤波器带宽为1/2R1?C1，而DM滤波器带宽则大约为1/4R1?C3。总体DM滤波器带宽应至少为输入信号带宽的100倍。滤波器元件应对称安装在具有较大面积接地层的电路板上，并且应该靠近仪表放大器的输入端，以便获得最佳性能。图2显示了一系列适合各种不同仪表放大器的此类滤波器。RC元件应根据不同仪表放大器进行定制，具体如表中所示。选择这些滤波器元件是为了实现低EMI/RFI灵敏度和低噪声增长的合理平衡(与无滤波器的相应仪表放大器相比)。要测试配置的EMI/RFI灵敏度，可以向输入电阻施加1 V p-p CM信号，如上所述。当AD620等常用仪表放大器在增益为1000下工作时，20 MHz范围内观测到的最大RTI输入失调电压漂移为1.5 V。在AD620滤波器示例中，差分带宽约为400 Hz。

除了元件数较少之外，去除电阻后，基于扼流圈的滤波器还具有低噪声特性。不过，关键是要选择合适的共模扼流圈。上文图3所示电路中使用的扼流圈是Pulse Engineering B4001。G = 1000时，DC至20 MHz范围内测得的最大RTI失调漂移为4.5 V。针对该滤波器，用户既可以采用B4001等现成扼流圈，也可以自行构建扼流圈。线圈的平衡非常重要，因此建议使用双线。当然，磁芯材料必须能在预期频带内工作。注意，与图1中的RC系列滤波器不同，单纯的扼流圈滤波器不提供差分滤波。可以选择添加差模滤波功能，即在扼流圈之后的第二级添加图1中的R1-C3-R2连接。

采用X2Y®电容的共模滤波器
图4显示X2Y电容的连接图。这类器件尺寸非常小，配有三个引脚并具有四个外部连接——A、B、G1和G2。

G1和G2引脚在器件内部相连。X2Y电容的内部板结构形成一种集成电路，具有一些有趣的特性。从静电角度来看，三个电节点构成两个电容，这两个电容共享G1和G2引脚。制造工艺会自动严格匹配这两个电容。此外，X2Y结构包含有效的自动变压器/共模扼流圈。因此，当共模滤波器使用这类器件时，与类似RC滤波器相比，高于滤波器转折频率的共模信号衰减幅度更大。因此，通常无需电容C3，进而节省了成本和电路板空间。图5A所示为传统的RC共模滤波器，而图5B所示为采用X2Y器件的共模滤波器电路。图6比较了这两种滤波器的RF衰减性能。