logo
PCB设计用于减少EMI的最佳方法之一是灵活使用运算放大器。遗憾的是，在许多应用程序中，运算放大器通常忽略了用于减少EMI的这个角色。。
在汽车、工业、医疗等许多其他应用中，经常使用不受噪声影响而必须在工作环境中执行功能的敏感类比电路的产品。这些干扰中的许多来自相同印刷电路板PCB上的其他“噪声”电路，同时藕合杂讯～PCB及其电路的电缆也引起其他干扰。
PCB设计用于降低电磁干扰的最佳方法之一是灵活地使用运算放大器OPAmp。遗憾的是，在许多应用程序中，通常忽略运算放大器用于减少EMI的这个作用。这可能来源于“运算放大器容易受到EMI的影响，必须采取更多措施来强化对噪声的干扰防止能力”的先入为主的观念。以前制造的很多元件确实是这样的，但是最近的运算放大器可能设计师不知道通常比上一代具有更好的防干扰性能。设计师可能不理解运算放大器电路可提供来减少系统和PCB设计噪声的重要优点，或者可能不考虑。在本文中，我们回顾了EMI的起源，并讨论了有助于将近场EMI的运算放大器特性放宽到敏感PCB设计。
EMI的源极、扰频电路及莲藕机构
EMI是由电噪声的源引起的干扰，这样的杂讯源通常是有意而不期望的。在各种情况下，干扰噪声信号以电压、电流、电磁辐射三种形式之一或杂讯源三种形式的任何组合耦合到加扰电路。
EMI不限于射频干扰RFI。在“较低”频率范围内低于射频的频带中，开关稳压器、LED电路以及数十个尝试63？存在在数百kHz范围内动作的马达驱动器等强力EMI源。60Hz线路噪声是另一个例子。杂讯源噪声通过四个莲藕耦合机构中的一个或多个传递到加扰电路。这四种方案中的三种被认为是包括导电莲藕、电场莲藕和磁场莲藕的近场莲藕。第四种机制是一种可以在不同波长辐射电磁能量的远场辐射莲藕。
激活过滤差动模式噪声
有效运算放大器滤波器可以在电路频率范围内显著降低PCB上的EMI和噪声，但是在许多设计中没有充分利用。所希望的差动模式（DM）信号在频带上受到限制，可以对不需要的DM噪声进行滤波。图1表示通过寄生电容（CP）与输入信号结合的DM噪声。合成信号和噪声由主有源代理路径滤波器接收。差分运算放大器电路的低通截止频率被设定为比R2和C1所需的信号频率稍高。
更高的频率衰减了20dB/decade的幅度。如果需要更大的衰减，则可以使用更高阶的主动滤波器（例如，蝗虫63:40或蝗虫63:60dB/decade）。推荐使用lt；1%容许值的电阻。类似地，具有优秀温度系数（NPO、COG和5%（或lt；5%）公差的电容器可以获得最佳滤波器性能。
图1:DM以及CM输入噪声被施加到活动运算放大器滤波器
降低输入公共模式噪声
在图1中，公共模式CM杂讯源也在电路输入侧产生噪声。CM噪声可以在两个运算放大器输入端具有公共（或相同）噪声电压，并且运算放大器噪声可以不试图测量或调整预期DM信号的一部分。CM噪声可以以各种方式发生。一个示例是在一个系统中具有与连接有电路的接地基准电压的第二电路不同的电压电位的系统。“接地”电压的差可以是毫米伏特mV级或数伏特（V）级，并且可能在许多不同的频率范围内发生。电压的这些差异导致意外的压降，并且可能阻碍连接电路的电流流。汽车、飞机和大型建筑物内有很多电路，通常容易受到这种类型的干扰。
运算放大器的一个重要优点在于其差分输入电平架构和构成差分放大器时CM抑制噪声的能力。虽然可以对各运算放大器指定共模抑制比CMRR，但是在电路的合计CMRR中也必须包含输入电阻以及反馈电阻的影响。电阻变化强烈影响CMRR。因此，具有0.1%、0.01%以上的容许差的匹配电阻可以实现应用所需的CMRR。虽然通过使用外部电阻可以获得良好的性能，但是使用具有内部微调电阻的设备或差分放大器也是另一种选择。例如INA188是具有内部微调电阻和104dBCMRR的仪表放大器。
在图1中，在电路的有效频率范围内存在噪声的情况下，CM噪声VCMnoise=VCM1=VCM2）可以由运算放大器电路的CMRR抑制。抑制级别取决于R2/R1选择的精确匹配电阻。式1可以用于确定包含资料手册中规定的电阻容许差（RTOL）以及运算放大器CMRR的影响TOTAL。例如，在运算放大器手册中指定CMRRdB=90dB时，（1/CMRRAMP）=0.0标淮差分放大器。在许多电路中，电阻容许差是达成目标CMRRTOTAL的主要限制因素。
式1从理想运算放大器的CMRR式中汇中出来，假设CMRRAMP非常大无穷大。对于理想的运算放大器，（1/CMRRAMP是零，CMRRTOTAL仅由电阻和AV来决定。CMRRTOTAL可以使用式2转换成dB。
表达式（1）：
公式（2）：
这里，在AV＝运算放大器的闭路增益、RTOL=R1以及R2的容许差%（例如0.1%、0.01%、0.001%）、CMR＝数据表规格中以10进位形式表示CMRR（否dB。
RFI及其他高频EMI的干扰防止度的提高
如上所述，有源滤波和CMRR可以可靠地降低元件频带限制范围内的电路噪声，该电路噪声包括MHz的范围为止的DM和CM EMI。然而，如果暴露于高于期望操作频率范围RFI噪声，则可能引起元件的非线性行为。运算放大器在高阻抗差分输入电平中，DM和CM RFI噪声可以由内部二极体（由硅上的pω63；n结形成）整流，因此运算放大器和CM RFI噪声最容易受到影响。整流后可能产生、放大小直流（DC）电压或偏移，并在输出端表示为错误的DC偏移。根据系统的精度和灵敏度，这可能产生不良的电路性能和行为。
幸运的是，使用两种方法之一，可以提高运算放大器对RFI的干扰防止能力（或者可以降低灵敏度）。第一个最佳选择包括内部输入滤波器，并且可以抑制从几十MHz到GHz的范围内的噪声EMI？使用了harded运算放大器。TI现在提供了80种以上的EMI硬化元件，能够通过TI运算放大器参数检索引擎寻找“EMI硬化”。
第二个选择是在运算放大器的输入中追加外部EMI/RFI滤波器。如果设计成只使用不包含内部EMI滤波器的构成部品，这可能是唯一的选择。图2表示为了更高EMI频率而使用外部DM和CM滤波器的标淮差分放大器结构。
图2：被动式EMI/RFI输入滤波器高频化抗扰度
在没有输入滤波器的情况下，电路增益是|R2/R1|。当添加无源式输入滤波器时，通常为了防止CDM容量降低放大器的相位裕度，需要R3电阻。DM低通滤波器由R1电阻、CDM和2个CCM容量构成。CM低通滤波器使用R1电阻和2个CCM容量。
DM以及CM滤波器fCDM以及fCCM的？3dB截止频率的公式如下所示。fC_DM运算放大器被设定为电路的所希望的频率宽度以上的频率，通常先被决定CDM。接着，选择比CDM小至少10倍的CCM容量，fCDM的影响最小，CCM容量以较高的频率为对象。因此，fCCM被设定为比fC更高的值。DM的频率。注意，EMI硬化元件可以代替被红色引线框包围的元件来使用，并且设计简化。
公式（3）：
公式（4）：
低输出阻抗干扰降低
运算放大器的另一个重要特性是其极低的输出阻抗，在大多数配置中通常为数欧姆Omega；或者在那以下。为了理解如何对降低EMI有用，必须考虑EMI如何影响低阻抗和高阻抗电路。
图3是示出两个电路的图。第一种是1Vp？是包括p、2kHz正弦波（VS1）、600Omega的模拟数字转换器（ADC）的输入声音电路。源阻抗（RS1）和120kOmega；负载阻抗（RL1）。例如600Omega；的源阻抗在声音应用程序（例如，麦克风）中常见，并且在声音ADC的高度输入阻抗（例如20k）中常见。第二电路是驱动3.3V的脉冲信号（VS2）的100kHz的脉冲源，其串联终端电阻是22Omega。（RS2），负载阻抗是500kOmega；（RL2）。高阻抗负载表示另一元件的数字输入。
在实际系统中，100？400kHz范围内的I2C串列汇流排时脉在音信ADC或电路中常见。I2C时脉通常以突发（不连续）驱动，但是该模拟表示时脉驱动时可能产生的影响。在高密度音信和信息娱乐PCB设计中，时脉布线可能出现在接近高灵敏度的音信走线附近。只需几个pF的寄生PCB容量就产生电容莲藕，可以向扰频信号注入时脉噪声电流。图3是仅使用1pF寄生容量的模拟例。
图3：时脉杂讯源和音信扰频电路
音信电路如何降低噪声？已经证明，减少加扰电路的阻抗是降低藕合杂讯灵敏度的方法。比较高来源具有阻抗时（gt；50Omega；可以通过最小化与电路负载相关联的源阻抗来减少电路藕合杂讯。在图4中，为了缓冲信号并分离源阻抗和负载，将同相配置OPA350添加到电路中。与600Omega相比，运算放大器的输出阻抗非常低，这显著降低了时脉噪声。
图4：运算放大器电路减少来自时脉源的EMI
不要忘记莲藕的重要性
在电源销上添加莲藕去除容量对于提高高频EMI噪声的滤波和运算放大器电路的干扰防止度是非常有益的。这里的所有图都示出了莲藕去除电容CD是电路的一部分。研究莲藕的问题马上就会变得复杂，但是有适合任何设计的理想的“经验法则”。特别地，选择具有以下特性的容量。
（a）优秀温度系数，例如X7R、NPO或COG；（b）极低的等效串联电感（ESL；（c）所需光谱范围内的最低阻抗；（d）通常应用1~100nF的范围的容量值，但是上述标淮（b）（c）比容量值（d）重要。
容量的布局和走线连接就像所选择的容量一样重要。尽量把容量放在靠近电源插销的地方。容量和PCB电源/接地的连接尽可能短，可以通过短的走线或孔进行连接。
结论
运算放大器减少PCB上的近场EMI，有助于加强系统设计。以下是任何设计都必须考虑的要点。
使用慎重选择的激活滤波器结构，降低电缆/电路的输入DM噪声（图1）。
选择具有高CMRR的运算放大器，使用精密匹配电阻，降低电缆/电路的输入CM噪声（图1、式1、2）。
EMI选择硬化元件，或者使用外部被动式EMI/RFI滤波器，进一步强化对高频EMI或者RFIDM/CM噪声）的干扰防止度（图2）。
在将信号驱动到PCB上的其他电路的情况下，使用运算放大器输出的低阻抗降低藕合杂讯。
最后，使用适合于运算放大器和所有其他电路的莲藕消除策略来降低电源噪声。
