醫療設備、汽車(chē)儀器儀表和工業(yè)控制等科技領(lǐng)域中，當設備設計涉及應變計、傳感器接口和電流監控時(shí)，通常需要采用精密模擬前端放大器，以便提取并放大非常微弱的真實(shí)信號，并抑制共模電壓和噪聲等無(wú)用信號。首先，設計人員將集中精力確保器件級噪聲、失調、增益和溫度穩定性等精度參數符合應用要求。
然后，設計人員根據上述特性，選擇符合總誤差預算要求的前端模擬器件。不過(guò)，此類(lèi)應用中存在一個(gè)經(jīng)常被忽視的問(wèn)題，即外部信號導致的高頻干擾，也就是通常所說(shuō)的“電磁干擾(EMI)”。EMI可以通過(guò)多種方式發(fā)生，主要受最終應用影響。例如，與直流電機接口的控制板中可能會(huì )用到儀表放大器，而電機的電流環(huán)路包含電源引線(xiàn)、電刷、換向器和線(xiàn)圈，通常就像天線(xiàn)一樣可以發(fā)射高頻信號，因而可能會(huì )干擾儀表放大器輸入端的微小電壓。
另一個(gè)例子是汽車(chē)電磁閥控制中的電流檢測。電磁閥由車(chē)輛電池通過(guò)長(cháng)導線(xiàn)來(lái)供電，這些導線(xiàn)就像天線(xiàn)一樣。該導線(xiàn)路徑中連接著(zhù)一個(gè)串聯(lián)分流電阻，然后通過(guò)電流檢測放大器來(lái)測量該電阻上的電壓。該線(xiàn)路中可能存在高頻共模信號，而該放大器的輸入端容易受到這類(lèi)外部信號的影響。一旦受到外部高頻干擾影響，就可能導致模擬器件的精度下降，甚至可能無(wú)法控制電磁閥電路。這種狀態(tài)在放大器中的表現就是放大器輸出精度超過(guò)誤差預算和數據手冊中的容差，甚至在某些情況下可能會(huì )達到限值，從而導致控制環(huán)路關(guān)斷。
EMI是如何造成較大的直流偏差呢？可能是以下一種情形：根據設計，很多儀表放大器可以在最高數十千赫的頻率范圍內表現出極佳的共模抑制性能。但是，非屏蔽的放大器接觸到數十或數百“兆赫”的RF輻射時(shí)，就可能會(huì )出現問(wèn)題。此時(shí)放大器的輸入級可能會(huì )出現非對稱(chēng)整流，從而產(chǎn)生直流失調，進(jìn)一步放大后，會(huì )非常明顯，再加上放大器的增益，甚至達到其輸出或部分外部電路的上限。
關(guān)于高頻信號如何影響模擬器件的示例
本例將詳細介紹一種典型的高端電流檢測應用。圖1所示為汽車(chē)應用環(huán)境中用于監控電磁閥或其它感性負載的常見(jiàn)配置。
圖1. 高端電流監控
我們采用兩個(gè)具有類(lèi)似設計的電流檢測放大器配置，研究了高頻干擾的影響。這兩個(gè)器件的功能和引腳排列完全相同；不過(guò)，其中一個(gè)內置EMI濾波器電路，而另一個(gè)則沒(méi)有。
圖2. 電流傳感器輸出（無(wú)內置EMI濾波器，前向功率 = 12 dBm, 100 mV/分頻，3 MHz時(shí)直流輸出達到峰值）
圖2所示為輸入在較寬頻率范圍內變化時(shí)電流傳感器的直流輸出與其理想值的偏差情況。從圖中可以看出，在1 MHz至20 MHz的頻率范圍內，偏差最為顯著(zhù)(>0.1 V)，且3 MHz時(shí)直流誤差達到最大值(1 V)，這在放大器0 V至5 V的輸出電壓范圍中占據很大比例。
圖3所示為采用另一種引腳兼容電流傳感器時(shí)相同實(shí)驗和配置的測試結果，其中電流傳感器具有與之前示例相同的電路架構和類(lèi)似的直流規格，但是內置輸入EMI濾波電路。注意，電壓范圍擴大了20倍。
圖3. 電流傳感器輸出（內置EMI濾波器，前向功率 = 12 dBm, 5 mV/分頻，>100 MHz時(shí)直流輸出達到峰值）
這種情況下，40 MHz時(shí)誤差僅為3 mV左右，且峰值誤差（大于100 MHz時(shí)）小于30 mV，性能提高35倍。這點(diǎn)清楚地表明，內置EMI濾波電路有助于顯著(zhù)提高電流傳感器防護性能，使其免受輸入端存在的高頻信號影響。在實(shí)際應用中，盡管并不清楚EMI的嚴重程度，但是如果使用內置EMI濾波功能的電流傳感器，實(shí)際上控制環(huán)路將會(huì )保持在其容差范圍內。
這兩種器件都在完全相同的條件下進(jìn)行測試。唯一不同就是AD8208（參見(jiàn)“附錄”）在輸入引腳和電源引腳上都配有內部低通RF輸入濾波器。在芯片上增添這樣的部件似乎微不足道，但是由于應用通常由PWM進(jìn)行控制，這種情況下電流檢測放大器必須能夠承受最高45 V的連續開(kāi)關(guān)共模電壓。因此，要保持精確的高增益和共模抑制性能，輸入濾波器必須嚴格匹配。
設計和測試時(shí)為何以及如何保證EMI兼容性
汽車(chē)應用對EMI事件尤其敏感，而在由中央電池、捆綁線(xiàn)束、各種感性負載、天線(xiàn)以及與汽車(chē)相關(guān)的外部干擾構成的嘈雜電氣環(huán)境中，后者卻是無(wú)法避免的。由于安全氣囊配置、巡航控制、剎車(chē)和懸架等多種關(guān)鍵功能控制都涉及到電子設備，因此必須保證EMI兼容性，絕不容許因外部干擾而出現誤報或誤觸發(fā)。早先，EMI兼容性測試是汽車(chē)應用中的最后一項測試。如果出現差錯，設計人員就必須在倉促之間找出解決方案，而這往往涉及到改變電路板布局、額外添加濾波器，甚至是更換器件。
這種不確定性極大提高了設計成本，并給工程師造成了很多麻煩。一直以來(lái)，汽車(chē)行業(yè)都在采取切實(shí)措施來(lái)改善EMI兼容性。由于設備必須符合EMI標準，汽車(chē)OEM廠(chǎng)商現在要求半導體制造商（如ADI公司）必須在器件級執行EMI測試，然后才會(huì )考慮采用其生產(chǎn)的器件�，F在，這一流程已經(jīng)普及，所有IC制造商都使用標準規格來(lái)測試器件的EMI兼容性。
如欲了解各類(lèi)型集成電路的標準EMI測試要求，請向國際電工委員會(huì )(IEC)購買(mǎi)獲取相關(guān)文檔。通過(guò)IEC 62132和IEC 61967等文檔則可以了解EMI和EMC，其中非常詳細地描述了如何使用業(yè)界公認的標準來(lái)測試特定集成電路。上述各種測試都是根據這些指南說(shuō)明進(jìn)行的。
具體而言，這些測試都采用 “直接功率注入法”完成，這是一種通過(guò)電容將RF信號耦合至特定器件引腳的方法。根據待測IC的類(lèi)型，針對不同的RF信號功率水平和頻率范圍，測試器件的每路輸入。圖4顯示了在特定引腳上執行直接功率注入測試的原理示意圖。
圖4. 直接功率注入
這些標準中包含電路配置、布局方法和監控技術(shù)方面的大量必要信息，有助于正確理解器件測試成功與否。更為完整的IEC標準原理圖如圖5所示。
圖5. EMI耐受性測試原理圖
總結
集成電路的EMI兼容性是電子設計能否成功的關(guān)鍵所在。本文僅從放大器是否內置EMI濾波器出發(fā)，介紹了兩款非常類(lèi)似的放大器執行直流測量時(shí)，在RF環(huán)境中的直流性能有何顯著(zhù)差別。在汽車(chē)應用中，考慮到安全性和可靠性時(shí)，EMI是一個(gè)非常重要的方面。如今，在設計和測試針對關(guān)鍵應用的器件時(shí)，IC制造商（如ADI公司）日益重視EMI耐受性方面的考慮因素。IEC標準非常詳細地說(shuō)明了有用的相關(guān)指導原則。對于汽車(chē)應用市場(chǎng)，AD8207, AD8208和AD8209等電流檢測器件都通過(guò)了EMI測試。鋰離子電池安全監控器AD8280 和數字式可編程傳感器信號放大器AD8556等新款器件經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設計和測試，符合EMI相關(guān)要求。
附錄
AD8208的更多詳情：AD8203（圖A）是一款單電源差動(dòng)放大器，非常適合在大共模電壓情況下放大和低通濾波小差分電壓。采用+5 V單電源供電時(shí)，輸入共模電壓范圍為-2 V至+45 V。該款放大器提供增強的輸入過(guò)壓和ESD保護，并內置EMI濾波功能。
圖A. AD8208差動(dòng)放大器
AD8208具有出色的交流和直流性能，且通過(guò)相關(guān)認證，適合要求采用穩定可靠的精密器件來(lái)改善系統控制的汽車(chē)應用。失調和增益漂移典型值分別小于5 µV/°C和10 ppm/°C。該器件提供SOIC和MSOP兩種封裝，在DC至10 kHz范圍內共模抑制比(CMR)最小值為80 dB。
另外提供一個(gè)外部可用的100kΩ電阻，可用來(lái)進(jìn)行低通濾波以及建立20以外的增益。 |
