Da elektromagnetische Interferenzen (EMI) die meisten elektronischen Geräte beeinträchtigen können, einschließlich Luftfahrt- und Medizingeräte, enthalten moderne Geräte EMI-Filter, um einen ordnungsgemäßen Betrieb in rauen EMI-Umgebungen sicherzustellen. Ein EMI-Filter wird häufig verwendet, um leitungsgebundene Interferenzen zu eliminieren, die auf Strom- oder Signalleitungen vorhanden sind. Sie können verwendet werden, um Störungen zu eliminieren, die vom Gerät selbst erzeugt werden, sowie um Störungen zu eliminieren, die von anderen Geräten erzeugt werden, um die Immunität eines Geräts gegenüber EMI-Signalen zu verbessern, die in seiner elektromagnetischen Umgebung vorhanden sind. Die Impedanz eines EMI-Filters hat eine hochreaktive Komponente. Das bedeutet, dass der Filter hochfrequenten Signalen einen viel höheren Widerstand entgegensetzt. Diese hohe Impedanz dämpft oder reduziert die Intensität dieser Signale, sodass sie andere Geräte weniger beeinflussen. EMI-Filter bestehen meist aus diskreten Komponenten; Der neueste Trend geht jedoch dahin, EMI-Filter in die integrierte Schaltung zu integrieren. Beispielsweise hat Microchip Technology mit der Entwicklung von Verstärkern begonnen
Betriebs- und andere lineare Geräte mit Eingangs-EMI-Filtern. Daher verfügt die MCP642x-Familie über eine verbesserte Abschirmung, um jegliche EMI von externen Quellen wie Stromleitungen, Funkstationen und Mobilkommunikation zu reduzieren.
Kopplungsmechanismen
Die wichtigste EMI-Klassifizierung für Elektronik- und Systemdesigner ist der Kopplungsmechanismus. Induktive Kopplungen treten auf, wenn eine EMI-Quelle die gleiche Masse wie das EMI-Opfer hat. Jeder von der EMI-Quelle erzeugte Strom wird in die Masseverbindung eingespeist und erzeugt eine Streuspannung am Eingang des EMI-Opfers. Hochfrequente, hohe di/dt-Signale am Ausgang der EMI-Quelle koppeln effizienter als das EMI-Opfer, da die Masseebene als Induktivität für diese Signale erscheint. Wenn zwischen diesen beiden Schaltungen ein Rückkopplungspfad besteht, können die parasitären Signale Schwingungen verursachen. Um dies zu verhindern, sollten die Masseverbindungen beider Stromkreise getrennt werden, um eine gemeinsame Impedanz zu verhindern.
Ablehnungsfaktor
Die primäre Reaktion eines Operationsverstärkers auf HF-EMI ist eine Offset-Fehlerspannung oder Offset-Spannungsvariation. Dieser Fehler wird am Ausgang des Operationsverstärkers widergespiegelt und verursacht eine Verschlechterung der Systemleistung. Die Schwankung der Offset-Spannung ist auf eine nichtlineare Umwandlung von AC-EMI in ein DC-Signal zurückzuführen. Das nichtlineare Verhalten tritt aufgrund der internen pn-Übergänge auf, die Dioden bilden und EMI-Signale gleichrichten, normalerweise an den Eingängen von ESD-Dioden. Das durch EMI verursachte Fehlersignal wird der vorhandenen DC-Offsetspannung überlagert. Der Parameter, der die Robustheit eines Operationsverstärkers gegenüber EMI beschreibt, ist der Unterdrückungsfaktor für elektromagnetische Störungen (Electro Magnetic Interference Rejection Ratio, EMIRR). Dieser Faktor beschreibt quantitativ die Auswirkung eines HF-Störsignals auf die Leistungsfähigkeit eines Operationsverstärkers. Neue Geräte mit internen passiven Filtern haben EMIRR gegenüber älteren Geräten ohne interne Filter verbessert. Dies bedeutet, dass die EMV mit guten Platinenlayouttechniken besser ist.
Stromsensoren
Der Gleichtakt-Eingangsbereich der Operationsverstärker MCP6421/2/4, bis zu 0,3 V über beiden Stromschienen, kann in Strommessanwendungen auf der Hoch- und Niederspannungsseite (High-Side) und Low-Side verwendet werden. beziehungsweise). Der niedrige Ruhestrom hilft, die Batterieautonomie zu verlängern, und der Ausgang zwischen den Schienen ermöglicht die Erkennung niedriger Ströme. Abbildung 1 zeigt eine Batteriestromerfassungsschaltung auf der Hochpotentialseite. Der 10-Ω-Widerstand wurde so dimensioniert, dass Leistungsverluste reduziert werden. Der durch den 10-Ω-Widerstand fließende Batteriestrom (IDD) bewirkt, dass sein oberer Anschluss negativer ist als sein unterer Anschluss. Dies hält die Gleichtakt-Eingangsspannung des Operationsverstärkers unter VDD, dh innerhalb des zulässigen Bereichs. Der Ausgang des Operationsverstärkers liegt auch unter VDD, deutlich innerhalb seiner maximalen Ausgangsspannungshubspezifikation. Selbst für Automobilanwendungen wird häufig eine Strommessung mit niedrigem Verbrauch verwendet. Aufgrund parasitärer Signale kann ein Operationsverstärker, der nicht EMI-verbessert wurde, einen falschen Ausgangsstromwert liefern. Der traditionelle Weg, um HF-Streusignale zu reduzieren oder zu verhindern, dass sie in die Eingangsstufe des Operationsverstärkers gelangen, ist die Verwendung eines Tiefpassfilters in der Nähe des Eingangs. Für den invertierenden Operationsverstärker von Fig. 2 befindet sich der Filterkondensator C zwischen zwei Widerständen mit gleichem Wert. Beachten Sie, dass C nicht direkt an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen werden kann, da dies zu Instabilität führen könnte. Um Signalverluste zu reduzieren, sollte die Filterbandbreite mindestens das 20- bis 30-fache der Signalbandbreite betragen. Für den nicht invertierenden Operationsverstärker in Abbildung 3 kann der Kondensator C wie gezeigt direkt an den Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen werden, und ein Eingangswiderstand mit einem Wert R liefert die Grenzfrequenz, die der Operationsverstärker invertiert. In beiden Fällen müssen Chip-Kondensatoren mit niedriger Induktivität verwendet werden. Der Kondensator muss frei von Widerstandsverlusten oder Problemen mit Spannungskoeffizienten sein. Anstelle des Widerstands kann auch ein Ferritkern verwendet werden. Die Impedanz des Ferritkerns wird jedoch nicht gut gesteuert, ist nichtlinear und übersteigt im Allgemeinen 100 Ω zwischen 10 und 100 MHz nicht. Dies erfordert einen Kondensator mit großem Wert, um die niedrigeren Frequenzen zu dämpfen. Präzisionsinstrumentenverstärker sind aufgrund des Vorhandenseins von Gleichtakt-EMI und RFI besonders empfindlich gegenüber DC-Offset-Fehlern. Dies ist dem Problem sehr ähnlich, das bei Operationsverstärkern auftritt, und wie bei Operationsverstärkern ist die Empfindlichkeit gegenüber EMI und RFI bei Eingangsverstärkergeräten mit niedriger Leistung ausgeprägter. Verstärkerausgänge müssen auch gegen EMI und RFI geschützt werden, insbesondere wenn lange Kabelwege vorhanden sind, die als Antennen fungieren. Auf einer Ausgangsleitung empfangene HF-Signale werden auf den Verstärkereingang zurückgekoppelt, wo sie gleichgerichtet werden und am Ausgang als Offset-Änderung wieder erscheinen. Die häufigste Reaktion eines Operationsverstärkers auf EMI ist eine Änderung der DC-Offsetspannung, die am Ausgang des Operationsverstärkers erscheint. Die Umwandlung eines hochfrequenten EMI-Signals in Gleichstrom ist das Ergebnis des nichtlinearen Verhaltens der internen Dioden, die durch die Silizium-pn-Übergänge im Inneren des Geräts gebildet werden, insbesondere in der ESD-Diode. Dieses Verhalten wird als Gleichrichtung bezeichnet, da ein Wechselstromsignal in Gleichstrom umgewandelt wird. Die Gleichrichtung des HF-Signals erzeugt eine kleine Gleichspannung in der Schaltung des Operationsverstärkers. Wenn diese Gleichrichtung im Signalpfad des Operationsverstärkers auftritt, wird der Effekt verstärkt und erscheint als DC-Offset am Ausgang des Operationsverstärkers.
Consejos y trucos
EMI im Normalmodus wird durch Rahmenantennen verbreitet, die versehentlich in Schaltkreise eingebaut wurden. Die Strommenge, die EMI-Frequenz und die Schleifenfläche bestimmen die Wirksamkeit der Antenne. Der induzierte Strom von EMI ist proportional zur Fläche der Schleife. Die meisten Gleichtakt-EMI werden durch kapazitiv gekoppelte (leitungsgebundene) Normalmodus-EMI erzeugt. Je höher die Frequenz des parasitären Signals ist, desto größer ist die Kopplung zwischen benachbarten Leitern auf der Platine. Somit können benachbarte Leiter als Antennen wirken. Leiterbahnen und Verdrahtungen auf der Platine, die Schleifenströme enthalten, können als Antennen fungieren und EMI und RFI in oder aus Schaltkreisen koppeln. Symmetrische Leitungen und symmetrische On-Board-Signalspuren können dazu beitragen, dass Gleichtakt-EMI, entweder leitungsgebunden oder induziert, nicht zu einem Differenzsignal wird. Wenn die Schaltung hinter der Leitung eine Gleichtaktunterdrückung (CMR) bei der EMI-Frequenz aufweist, wird die Gleichtakt-EMI bis zum verfügbaren CMR-Pegel unterdrückt. Die symmetrische Leitung wird durch zwei identische und separate Leiter gebildet, die äquidistant voneinander sind und dielektrische Eigenschaften aufweisen, so dass ihre Impedanz identisch ist und die EMI-Spannung und der EMI-Strom für jeden Leiter gleich sind. In einem unsymmetrischen Leitungskreis sieht jeder nicht identische Leiter eine andere elektrische Umgebung, wenn er Gleichtakt-EMI ausgesetzt ist. Die Impedanz zur Erde jedes Leiters ist unterschiedlich und die zwischen ihnen erzeugte Spannung ist ebenfalls unterschiedlich. Wenn die EMI den nächsten Stromkreis in der Leitung erreicht, erscheint sie als Differenzspannung. Wenn eine aktive Schaltung verwendet wird und über eine ausreichende Bandbreite verfügt, könnte sie die EMI verstärken und an den nachfolgenden Signalpfad weitergeben. Zwischen zwei beliebigen Leitern, die durch ein Dielektrikum getrennt sind, besteht eine Kapazität; Luft und Vakuum sowie alle festen oder flüssigen Isolatoren sind dielektrisch. Wenn es eine Spannungsänderung in einem Leiter gibt, gibt es eine Ladungsänderung in dem anderen und eine Stromverdrängung, die durch das Dielektrikum fließt. Wenn der magnetische Fluss, der sich aufgrund des in einem Stromkreis fließenden Stroms ändert, in einen anderen Stromkreis eingekoppelt wird, wird im zweiten Stromkreis ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Diese Gegeninduktivität kann eine problematische Quelle für eingekoppeltes Rauschen von Schaltungen mit hohen di/dt-Werten sein. Um Rauschen zu eliminieren oder zu reduzieren, das durch einen gemeinsamen Impedanzleitungspfad oder gemeinsames Impedanzrauschen verursacht wird, müssen Sie zuerst die Nieder- und Hochfrequenz-Leistungsanschlüsse des Operationsverstärkers entkoppeln. Reduzieren Sie die gemeinsame Impedanz, eliminieren Sie gemeinsam genutzte Pfade, verwenden Sie niederohmige (Niederfrequenz) Elkos und niederinduktive (Hochfrequenz) Shunts, Leistungs- und Masseebenen und optimieren Sie das Systemdesign. In Anwendungen, in denen Signale mit niedrigem Pegel und hohe Rauschpegel mit gemeinsamer Impedanz zusammenfallen, können Interferenzen nicht vermieden werden, und die Systemarchitektur muss möglicherweise geändert werden. Zu den möglichen Änderungen gehören das Übertragen von Signalen im Differenzformat, das Verstärken von Signalen auf höhere Pegel zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses, das Umwandeln von Signalen in Streams zur Übertragung und das direkte Umwandeln von Signalen in ein digitales Format. Übersprechen ist die zweithäufigste Form von Störungen. In der Nähe einer Rauschquelle werden Nahfeldstörungen nicht als elektromagnetische Welle übertragen, und der Begriff Übersprechen könnte sowohl auf induktiv als auch kapazitiv gekoppelte Signale angewendet werden. Kapazitiv gekoppeltes Rauschen könnte durch Verringern der gekoppelten Kapazität (durch Erhöhen des Leiterabstands) reduziert werden, ist jedoch leichter durch Abschirmung zu erreichen. Eine geerdete leitfähige Abschirmung (bekannt als Faraday-Abschirmung) zwischen der Signalquelle und dem betroffenen Knoten eliminiert dieses Rauschen, indem der Strom direkt zur Erde geleitet wird. Der Faraday-Schirm muss immer unbedingt geerdet werden.
Fazit
EMI ist heute ein echtes Problem und kann die meisten Geräte beeinträchtigen, einschließlich Luftfahrt- und Medizingeräte. Zu den modernen Geräten gehören EMI-Filter, um den korrekten Betrieb von Geräten in rauen Umgebungen aufgrund von EMI sicherzustellen. EMI-resistente Operationsverstärker sind bei der Unterdrückung hochfrequenter EMI effizienter als Standard-Operationsverstärker, aber Standard-Operationsverstärker können EMI auch mit externen Filtern unterdrücken.
