Microchip Technology Inc
Avtor: Dragos-George Ducu
2018_260_22
Načini preprečevanja elektromagnetnih motenj v vezjih z ojačevalniki.
Preprečimo motnje
Ker lahko elektromagnetne motnje (EMI: electromagnetic interference) vplivajo na večino elektronskih naprav, vključno z medicinsko in letalsko opremo, so v sodobnih napravah vgrajeni filtri, ki zagotavljajo njihovo pravilno delovanje tudi v težjih pogojih, torej okoljih, kjer se takšne motnje redno ali vsaj pogosto prisotne. EMI filtri se običajno uporabljajo za zmanjševanje motenj, ki se inducirajo na katerikoli od napajalnih ali signalnih linij.
Po eni strani se taki filtri lahko uporabljajo za preprečevanje motenj, ki jih ustvari sama naprava. Na drugi strani pa za preprečevanje motenj, ki jih sicer povzroča druga oprema, vendar za izboljšanje odpornosti naprave proti elektromagnetnim motnjam, ki so prisotne v njenem elektromagnetnem okolju.
Impedanca EMI filtra ima zelo reaktivno komponento. To pomeni, da filter zagotavlja veliko večjo upornost za signale višjih frekvenc. Ta visoka impedanca zniža ali zmanjša moč takih signalov, tako da imajo manj učinka na druge naprave. Pri večini EMI filtrov gre za diskretne komponente; vendar je najnovejši trend na tem področju integriranje EMI filtrov znotraj integriranega vezja.
Podjetje Microchip Technology je začelo načrtovati in proizvajati operacijske ojačevalnike in ostala linearna integrirana vezja z vgrajenimi vhodnimi EMI filtri. Kot primer tokrat omenimo le družino MCP642x, ki ima izboljšano zaščito pred motnjami, s katero so zmanjšali možnost vpliva na delovanje naprave zaradi zunanjih virov elektromagnetnih motenj, kot so daljnovodi, radijske postaje in mobilne komunikacije.
Mehanizmi povezovanja
Najpomembnejša razvrstitev elektromagnetnih motenj za načrtovanje sistemov in elektronike so mehanizmi povezovanja. Induktivno povezovanje motenj se pojavi, kadar ima vir teh motenj enak položaj kot opazovana naprava. Vsak tok, ki nastane zaradi motenj, ki jih povzroča nek vir, vstopi v ozemljitveno povezavo in ustvari parazitno napetost na vhodu naprave, ki je žrtev teh motenj. Signali z visoko frekvenco in visokim di/dt na izhodu iz vira motenj se bodo bolj učinkovito povezali z žrtvijo, ker se ozemljitvena impedanca pojavlja kot induktivnost teh signalov. Če obstaja tudi povratna pot med temi vezji, pa lahko parazitni signali povzročijo nihanje. Če se želimo temu izogniti, je treba ločiti ozemljitvene povezave med vezji in se izogibati skupni impedanci.
Razmerje izločanja
Primarni odziv operacijskega ojačevalnika na RF motnje je napaka napetosti odmika ali premik te napetosti. Ta napaka se odraža na izhodu operacijskega ojačevalnika, kar povzroča degradacijo zmogljivosti sistema. Premik napetosti odmika je posledica nelinearne pretvorbe izmeničnih motenj v enosmerni signal. Nelinearno obnašanje se pojavi zaradi notranjih P-N prehodov diod, ki usmerjajo izmenične signale motenj in se običajno nahajajo na vhodih za ESD (statična elektrika) zaščito. Usmerjen signal napake, ki ga povzročajo motnje, se tako prišteje obstoječi enosmerni napetosti odmika.
Parameter, ki opisuje robustnost operacijskega ojačevalnika na motnje imenujemo razmerje izločanja elektromagnetnih motenj (EMIRR). Ta parameter kvantitativno opisuje učinek, ki ga ima RF motilni signal na zmogljivost operacijskega ojačevalnika. Novejša integrirana vezja z vgrajenimi notranjimi pasivnimi filtri imajo znatno boljši EMIRR glede na starejše različice vezja napravah, ko so bila še brez teh notranjih filtrov. To hkrati pomeni, da bo z dobro tehniko načrtovanja tiskanega vezja tudi elektromagnetna združljivost (EMC) boljša.
Tokovni senzorji
Običajen razpon delovanja MCP6421 / 2/4 operacijskih ojačevalnikov v skupnem načinu delovanja, ki za 0,3 V presega napetosti obeh napajanj (VDD in VSS) preko napajalnih vodil, podpira njihovo uporabo pri aplikacijah zaznavanja toka na visoki in nizki strani priključkov baterije. Nizek tok v stanju mirovanja pomaga podaljšati življenjsko dobo baterije, izhod pa podpira odkrivanje nizkih tokov med obema napajalnima točkama. Slika 1 prikazuje zaznavanje toka baterije na njeni visoki strani.
Izbrana vrednost upora je 10 Ω , s čimer zmanjšamo izgubo moči na njem. Tok, ki teče iz baterije (IDD) preko upora 10Ω povzroči, da je zgornji priključek upora bolj negativen kot spodnji priključek. To ohranja vhodno napetost v skupnem načinu delovanja operacijskega ojačevalnika pod VDD, kar je znotraj njenega dovoljenega območja. Izhod iz operacijskega ojačevalnika bo prav tako pod VDD in sicer v okviru specifikacije glede maksimalnega nihanja izhodne napetosti. Zaznavanje majhnih tokov se pogosto uporablja tudi v avtomobilskih aplikacijah. Zaradi parazitskih signalov lahko operacijski ojačevalnik, ki nima izboljšane zaščite pred motnjami, vrednost toka v napajalnem vodu izmeri čisto napačno.
Tradicionalni način za zmanjšanje parazitskih RF signalov za preprečitev vstopa v vhodno stopnjo operacijskega ojačevalnika je uporaba nizko pasovnega filtra (LPF) čim bliže vhodu. Pri invertirajočem operacijskem ojačevalniku, ki ga vidimo na sliki 2, je filtrski kondenzator C nameščen med dvema uporoma enakih vrednosti.
Treba je upoštevati, da C ne more biti neposredno povezan z invertirajočim vhodom operacijskega ojačevalnika, ker bi to povzročilo nestabilnost. Za zmanjšanje izgube signala mora biti pasovna širina filtra vsaj 20 ali 30-krat večja od pasovne širine signala.
Za neinvertirni operacijski ojačevalnik, ki je prikazan na sliki 3, se lahko kondenzator C poveže neposredno na vhod operacijskega ojačevalnika (kot vidimo s sheme) in vhodni upor z vrednostjo R daje enako kotno frekvenco kot invertirajoči operacijski ojačevalnik.
V obeh primerih je treba uporabiti čip kondenzatorje z nizko induktivnostjo. Kondenzator mora biti brez uporovnih izgub ali težav v zvezi z napetostnimi koeficienti. Namesto upora se lahko uporabi feritni obroček, vendar moramo računati s tem, da impedanca feritnega obročka ni točno določena, je nelinearna in na splošno ne presega 100 Ω pri 10 do 100 MHz. To zahteva uporabo kondenzatorja z veliko kapacitivnostjo, s katerim lahko zmanjšamo nižje frekvence.
Precizijski ojačevalniki za instrumente (INA) so še posebej občutljivi na napake z napakami DC zaradi prisotnosti običajnih EMI in RFI. To je zelo podobno problemom v operacijskih ojačevalnikih in kot velja zanje, je občutljivost na EMI in RFI bolj akutna pri tistih, ki imajo sposobnost ojačenja šibkejših signalov.
Tudi izhode ojačevalnika je treba zaščititi pred EMI in RFI, še posebej, če so speljani prek dolgih kablov, ki delujejo kot antene. RF signali, sprejeti na izhodni liniji, se vrnejo nazaj na vhod ojačevalnika, kjer se usmerijo in potem pojavijo na izhodu kot premik napetosti odmika.
Najpogostejši odziv operacijskega ojačevalnika na EMI je premik enosmerne napetosti odmika, ki se pojavi na njegovem izhodu. Pretvorba visokofrekvenčnega EMI signala v DC je posledica nelinearnega obnašanja notranjih diod, ki jih tvorijo P-N spoji v notranjosti integriranega vezja, zlasti ESD diod. To vedenje se imenuje usmerjanje, ker se pri tem izmenični signal pretvori v enosmerno napetost. Usmerjanje RF signala ustvari sicer majhno enosmerno napetost v vezju operacijskega ojačevalnika, vendar se ta učinek na svoji poti skozi posamezne stopnje ojači in na koncu pojavi kot premik napetosti odmika. Ta učinek je nezaželen, ker se prišteje napaki odmika.
Namigi in zvijače
Običajen način razprostiranja EMI je preko nenamernih zančnih anten, ki se oblikujejo znotraj vezij. Velikost toka, frekvenca EMI motenj in območje, ki ga tvorijo zanke, določajo učinkovitost teh anten. Tok, ki ga inducira EMI, je sorazmeren območju, ki ga zavzema zanka. Najpogostejši način elektromagnetnih motenj izhaja iz kapacitivno sklopljenega prej opisanega običajnega načina EMI. Višja je frekvenca parazitnega signala, večja je povezava med sosednjimi vodniki na PCB. Tako lahko tudi sosednji vodniki delujejo kot antene.
Bakrene vezi na tiskanem vezju in ožičenje, ki vsebuje tokovne zanke, lahko delujejo kot antene in posredujejo elektromagnetne EMI in radio frekvenčne RFI motnje v ali iz vezij. Uravnotežene vezi signalov na tiskanih vezjih in uravnoteženo ožičenje signala lahko pomagajo preprečiti, da bi bile skupne (asimetrične) motnje, sklopljene ali inducirane, sploh pretvorjene v diferencialni signal. Če ima vezje, ki sledi liniji, dušenje v skupnem načinu (CMR) pri frekvenci EMI, se EMI v skupnem načinu delovanja zadušijo v obsegu razpoložljivega CMR-ja. Uravnotežena linija je sestavljena iz dveh enakih in ločenih vodnikov, ki sta enako oddaljena drug od drugega in ki imata dosledne dielektrične značilnosti, tako da je njuna impedanca enaka, s čimer sta tudi EMI napetost in tok enaka za vsak posamezni vodnik.
V tokokrogu z neuravnoteženimi linijami vsak neenak prevodnik vidi drugačno električno okolje, ki je izpostavljeno EMI v skupnem načinu delovanja. Impedanca proti ozemljitvi je za vsak vodnik drugačna, zato je tudi inducirana napetost med njimi drugačna. Ko EMI dosežejo vezje, kamor te linije vodijo, se motnje pojavijo kot diferencialna napetost. Če se uporablja neko aktivno vezje, ki ima dovolj pasovne širine, lahko te EMI motnje ojači in kot signal prenese na vhod vezja, ki tej stopnji sledi.
Med dvema prevodnikoma, ki sta ločena z dielektrikom – zračnim ali vakuumskim, kot tudi s trdnimi ali tekočimi izolatorji, vedno obstaja tudi kapacitivnost. Če nastane sprememba napetosti na enem vodniku, bo na drugi strani prišlo do spremembe naboja, skozi dielektrik pa bo pri tem stekel izmenični tok.
Če se sprememba magnetnega pretoka zaradi toka, ki teče v tem tokokrogu na nek način prenese v drug tokokrog, bo v drugem tokokrogu induciral elektromagnetno polje (EMF). Takšna medsebojna induktivnost je lahko problematična povezava z motnjami iz vezij z visokim razmerjem vrednosti di/dt.
Če želite odpraviti ali vsaj zmanjšati motnje, ki nastanejo zaradi impedance med skupnima signalnima linijama ali skupne impedance, najprej blokirajte napajalne dovode pri nizki in visoki frekvenci. Zmanjšajte skupno impedanco, odpravite skupne poti, uporabite nizko-impedančne elektrolitske kondenzatorje (nizke frekvence) in lokalne nizko induktivne (visokofrekvenčne) premostitve, na tiskaninah uporabljajte območja, zalita z maso ali posebne plasti za napajanje pri večslojnih vezjih, obenem pa načrtovan sistem čim bolj optimizirajte.
V nekaterih aplikacijah, kjer signali nizkih ravni naletijo na visoke ravni motenj zaradi skupne impedance bo morda nemogoče preprečiti motnje in takrat bo najbrž najboljša rešitev sprememba sistemske arhitekture. Med možne spremembe spadajo prenos signalov v diferencialni obliki, ojačenje signalov na višje nivoje, s čimer pridobimo boljše razmerje med signalom in šumom, potem pretvorbo signalov v tokove za prenos in pretvorbo signalov neposredno v digitalno obliko.
Presluh je druga najpogostejša oblika motenj. V bližini vira motenj se motnje ne prenašajo naprej kot elektromagnetno valovanje in izraz presluh velja tako za induktivno kot tudi za kapacitivno sklopljene signale.
Vpliv kapacitivno sklopljenih motenj se lahko zmanjša z zmanjšanjem kapacitivne zveze (s povečanjem ločevanja te zveze), vendar ga je najlažje utrditi z zaščitnim opletom. Prevodni in ozemljen oplet (znan kot Faradayjeva kletka) med virom signala in neko oddaljeno točko bo odpravil te motnje tako, da usmeri tok premika neposredno na maso.
Treba pa je omeniti, da je pri tem nujno, da je Faradayev zaščitni oplet tudi ozemljen. Električno plavajoč ali odprt zaščitni oplet skoraj vedno celo poveča vpliv kapacitivno sklopljenih motenj.
Zaključek
Elektromagnetne motnje so resna težava in lahko vplivajo na delovanje večine elektronskih naprav, vključno z medicinsko in letalsko opremo. Sodobna integrirana vezja imajo vgrajene EMI filtre, ki zagotavljajo pravilno delovanje opreme v okoljih, kjer so prisotni tudi močnejši viri elektromagnetnih motenj.
Operacijski ojačevalniki zaščiteni pred EMI so učinkovitejši pri dušenju visokofrekvenčnih EMI kot standardni operacijski ojačevalniki, vendar tudi z uporabo standardnih lahko zadušimo EMI, pri tem pa uporabimo zunanje filtre.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
