在醫(yī)療設(shè)備、汽車儀器儀表和工業(yè)控制等科技領(lǐng)域中，當(dāng)設(shè)備設(shè)計涉及應(yīng)變計、傳感器接口和電流監(jiān)控時，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信號，并抑制共模電壓和噪聲等無用信號。首先，設(shè)計人員將集中精力確保器件級噪聲、失調(diào)、增益和溫度穩(wěn)定性等精度參數(shù)符合應(yīng)用要求。
然后，設(shè)計人員根據(jù)上述特性，選擇符合總誤差預(yù)算要求的前端模擬器件。不過，此類應(yīng)用中存在一個經(jīng)常被忽視的問題，即外部信號導(dǎo)致的高頻干擾，也就是通常所說的“電磁干擾（EMI）”。EMI可以通過多種方式發(fā)生，主要受最終應(yīng)用影響。例如，與直流電機接口的控制板中可能會用到儀表放大器，而電機的電流環(huán)路包含電源引線、電刷、換向器和線圈，通常就像天線一樣可以發(fā)射高頻信號，因而可能會干擾儀表放大器輸入端的微小電壓。
另一個例子是汽車電磁閥控制中的電流檢測。電磁閥由車輛電池通過長導(dǎo)線來供電，這些導(dǎo)線就像天線一樣。該導(dǎo)線路徑中連接著一個串聯(lián)分流電阻，然后通過電流檢測放大器來測量該電阻上的電壓。該線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外部信號的影響。一旦受到外部高頻干擾影響，就可能導(dǎo)致模擬器件的精度下降，甚至可能無法控制電磁閥電路。這種狀態(tài)在放大器中的表現(xiàn)就是放大器輸出精度超過誤差預(yù)算和數(shù)據(jù)手冊中的容差，甚至在某些情況下可能會達到限值，從而導(dǎo)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(jù)設(shè)計，很多儀表放大器可以在最高數(shù)十千赫的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出極佳的共模抑制性能。但是，非屏蔽的放大器接觸到數(shù)十或數(shù)百“兆赫”的RF輻射時，就可能會出現(xiàn)問題。此時放大器的輸入級可能會出現(xiàn)非對稱整流，從而產(chǎn)生直流失調(diào)，進一步放大后，會非常明顯，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(xì)介紹一種典型的高端電流檢測應(yīng)用。圖1所示為汽車應(yīng)用環(huán)境中用于監(jiān)控電磁閥或其它感性負(fù)載的常見配置。
圖1. 高端電流監(jiān)控
我們采用兩個具有類似設(shè)計的電流檢測放大器配置，研究了高頻干擾的影響。這兩個器件的功能和引腳排列完全相同；不過，其中一個內(nèi)置EMI濾波器電路，而另一個則沒有。
圖2. 電流傳感器輸出 （無內(nèi)置EMI濾波器，前向功率 = 12 dBm， 100 mV/分頻，3 MHz時直流輸出達到峰值）
圖2所示為輸入在較寬頻率范圍內(nèi)變化時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(nèi)，偏差最為顯著（》0.1 V），且3 MHz時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(jù)很大比例。
圖3所示為采用另一種引腳兼容電流傳感器時相同實驗和配置的測試結(jié)果，其中電流傳感器具有與之前示例相同的電路架構(gòu)和類似的直流規(guī)格，但是內(nèi)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(nèi)置EMI濾波器，前向功率 = 12 dBm， 5 mV/分頻，》100 MHz時直流輸出達到峰值）
這種情況下，40 MHz時誤差僅為3 mV左右，且峰值誤差（大于100 MHz時）小于30 mV，性能提高35倍。這點清楚地表明，內(nèi)置EMI濾波電路有助于顯著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。在實際應(yīng)用中，盡管并不清楚EMI的嚴(yán)重程度，但是如果使用內(nèi)置EMI濾波功能的電流傳感器，實際上控制環(huán)路將會保持在其容差范圍內(nèi)。
這兩種器件都在完全相同的條件下進行測試。唯一不同就是AD8208（參見“附錄”）在輸入引腳和電源引腳上都配有內(nèi)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(yīng)用通常由PWM進行控制，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(xù)開關(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(yán)格匹配。
在醫(yī)療設(shè)備、汽車儀器儀表和工業(yè)控制等科技領(lǐng)域中，當(dāng)設(shè)備設(shè)計涉及應(yīng)變計、傳感器接口和電流監(jiān)控時，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信號，并抑制共模電壓和噪聲等無用信號。首先，設(shè)計人員將集中精力確保器件級噪聲、失調(diào)、增益和溫度穩(wěn)定性等精度參數(shù)符合應(yīng)用要求。
然后，設(shè)計人員根據(jù)上述特性，選擇符合總誤差預(yù)算要求的前端模擬器件。不過，此類應(yīng)用中存在一個經(jīng)常被忽視的問題，即外部信號導(dǎo)致的高頻干擾，也就是通常所說的“電磁干擾（EMI）”。EMI可以通過多種方式發(fā)生，主要受最終應(yīng)用影響。例如，與直流電機接口的控制板中可能會用到儀表放大器，而電機的電流環(huán)路包含電源引線、電刷、換向器和線圈，通常就像天線一樣可以發(fā)射高頻信號，因而可能會干擾儀表放大器輸入端的微小電壓。
另一個例子是汽車電磁閥控制中的電流檢測。電磁閥由車輛電池通過長導(dǎo)線來供電，這些導(dǎo)線就像天線一樣。該導(dǎo)線路徑中連接著一個串聯(lián)分流電阻，然后通過電流檢測放大器來測量該電阻上的電壓。該線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外部信號的影響。一旦受到外部高頻干擾影響，就可能導(dǎo)致模擬器件的精度下降，甚至可能無法控制電磁閥電路。這種狀態(tài)在放大器中的表現(xiàn)就是放大器輸出精度超過誤差預(yù)算和數(shù)據(jù)手冊中的容差，甚至在某些情況下可能會達到限值，從而導(dǎo)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(jù)設(shè)計，很多儀表放大器可以在最高數(shù)十千赫的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出極佳的共模抑制性能。但是，非屏蔽的放大器接觸到數(shù)十或數(shù)百“兆赫”的RF輻射時，就可能會出現(xiàn)問題。此時放大器的輸入級可能會出現(xiàn)非對稱整流，從而產(chǎn)生直流失調(diào)，進一步放大后，會非常明顯，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(xì)介紹一種典型的高端電流檢測應(yīng)用。圖1所示為汽車應(yīng)用環(huán)境中用于監(jiān)控電磁閥或其它感性負(fù)載的常見配置。
圖1. 高端電流監(jiān)控
我們采用兩個具有類似設(shè)計的電流檢測放大器配置，研究了高頻干擾的影響。這兩個器件的功能和引腳排列完全相同；不過，其中一個內(nèi)置EMI濾波器電路，而另一個則沒有。
圖2. 電流傳感器輸出 （無內(nèi)置EMI濾波器，前向功率 = 12 dBm， 100 mV/分頻，3 MHz時直流輸出達到峰值）
圖2所示為輸入在較寬頻率范圍內(nèi)變化時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(nèi)，偏差最為顯著（》0.1 V），且3 MHz時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(jù)很大比例。
圖3所示為采用另一種引腳兼容電流傳感器時相同實驗和配置的測試結(jié)果，其中電流傳感器具有與之前示例相同的電路架構(gòu)和類似的直流規(guī)格，但是內(nèi)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(nèi)置EMI濾波器，前向功率 = 12 dBm， 5 mV/分頻，》100 MHz時直流輸出達到峰值）
這種情況下，40 MHz時誤差僅為3 mV左右，且峰值誤差（大于100 MHz時）小于30 mV，性能提高35倍。這點清楚地表明，內(nèi)置EMI濾波電路有助于顯著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。在實際應(yīng)用中，盡管并不清楚EMI的嚴(yán)重程度，但是如果使用內(nèi)置EMI濾波功能的電流傳感器，實際上控制環(huán)路將會保持在其容差范圍內(nèi)。
這兩種器件都在完全相同的條件下進行測試。唯一不同就是AD8208（參見“附錄”）在輸入引腳和電源引腳上都配有內(nèi)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(yīng)用通常由PWM進行控制，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(xù)開關(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(yán)格匹配。
設(shè)計和測試時為何以及如何保證EMI兼容性
汽車應(yīng)用對EMI事件尤其敏感，而在由中央電池、捆綁線束、各種感性負(fù)載、天線以及與汽車相關(guān)的外部干擾構(gòu)成的嘈雜電氣環(huán)境中，后者卻是無法避免的。由于安全氣囊配置、巡航控制、剎車和懸架等多種關(guān)鍵功能控制都涉及到電子設(shè)備，因此必須保證EMI兼容性，絕不容許因外部干擾而出現(xiàn)誤報或誤觸發(fā)。早先，EMI兼容性測試是汽車應(yīng)用中的最后一項測試。如果出現(xiàn)差錯，設(shè)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(shè)計成本，并給工程師造成了很多麻煩。一直以來，汽車行業(yè)都在采取切實措施來改善EMI兼容性。由于設(shè)備必須符合EMI標(biāo)準(zhǔn)，汽車OEM廠商現(xiàn)在要求半導(dǎo)體制造商（如ADI公司）必須在器件級執(zhí)行EMI測試，然后才會考慮采用其生產(chǎn)的器件。現(xiàn)在，這一流程已經(jīng)普及，所有IC制造商都使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格來測試器件的EMI兼容性。
如欲了解各類型集成電路的標(biāo)準(zhǔn)EMI測試要求，請向國際電工委員會（IEC）購買獲取相關(guān)文檔。通過IEC 62132和IEC 61967等文檔則可以了解EMI和EMC，其中非常詳細(xì)地描述了如何使用業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)來測試特定集成電路。上述各種測試都是根據(jù)這些指南說明進行的。
具體而言，這些測試都采用 “直接功率注入法”完成，這是一種通過電容將RF信號耦合至特定器件引腳的方法。根據(jù)待測IC的類型，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(zhí)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(biāo)準(zhǔn)中包含電路配置、布局方法和監(jiān)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(biāo)準(zhǔn)原理圖如圖5所示。
圖5. EMI耐受性測試原理圖
總結(jié)
集成電路的EMI兼容性是電子設(shè)計能否成功的關(guān)鍵所在。本文僅從放大器是否內(nèi)置EMI濾波器出發(fā)，介紹了兩款非常類似的放大器執(zhí)行直流測量時，在RF環(huán)境中的直流性能有何顯著差別。在汽車應(yīng)用中，考慮到安全性和可靠性時，EMI是一個非常重要的方面。如今，在設(shè)計和測試針對關(guān)鍵應(yīng)用的器件時，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(biāo)準(zhǔn)非常詳細(xì)地說明了有用的相關(guān)指導(dǎo)原則。對于汽車應(yīng)用市場，AD8207，AD8208和AD8209等電流檢測器件都通過了EMI測試。鋰離子電池安全監(jiān)控器AD8280 和數(shù)字式可編程傳感器信號放大器AD8556等新款器件經(jīng)過專門設(shè)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，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壓和ESD保護，并內(nèi)置EMI濾波功能。
圖A. AD8208差動放大器
AD8208具有出色的交流和直流性能，且通過相關(guān)認(rèn)證，適合要求采用穩(wěn)定可靠的精密器件來改善系統(tǒng)控制的汽車應(yīng)用。失調(diào)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(nèi)共模抑制比（CMR）最小值為80 dB。
另外提供一個外部可用的100kΩ電阻，可用來進行低通濾波以及建立20以外的增益。
關(guān)于作者
Henri Sino ［henri.sino@analog.com］是ADI公司馬薩諸塞州威爾明頓市集成放大器產(chǎn)品（IAP）部門的一名應(yīng)用工程師。他擁有伍斯特理工學(xué)院電氣工程學(xué)士（BSEE）學(xué)位，畢業(yè)后就加入ADI公司，迄今已工作了六年。在此期間，Henri主要負(fù)責(zé)為汽車和通信應(yīng)用市場方面的產(chǎn)品和客戶提供支持。