《電子技術(shù)應(yīng)用》
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信號(hào)鏈基礎(chǔ)知識(shí) #53 正確調(diào)節(jié)濾波器各組件以提高降噪效果

Matthew Hann,,德州儀器 (TI) 高精度模擬應(yīng)用經(jīng)理
2011-12-07

    在DC 到低頻傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)應(yīng)用中,,僅依靠?jī)x表放大器的共模抑制比(CMRR) 并不足以在惡劣的工業(yè)使用環(huán)境中提供穩(wěn)健的噪聲抑制。要想避免多余噪聲信號(hào)的傳播,,對(duì)儀表放大器輸入端低通濾波器中各組件進(jìn)行正確的匹配和調(diào)節(jié)至關(guān)重要,。最終,才能讓內(nèi)部電磁干擾/無(wú)線電頻率干擾(EMI/RFI) 濾波和CMRR 共同作用,降低其他噪聲,,從而達(dá)到可以接受的信噪比(SNR),。

    例如,請(qǐng)思考1所示低通濾波器實(shí)施,。電阻傳感器通過(guò)一個(gè)低通濾波器網(wǎng)絡(luò)差動(dòng)連接至一個(gè)高阻抗儀表放大器,,而低通濾波器網(wǎng)絡(luò)由RSX 和CCM 組成。理想情況下,,如果每條輸入支線的CCM 都完全匹配,,則兩個(gè)輸入端共有的噪聲量將在到達(dá)INA 輸入端以前得到相應(yīng)的降低。

1共模輸入濾波

     共模濾波器電容(Ccm) 完全匹配時(shí),,噪聲幾乎被徹底消除,。2顯示了TINA SPICE 仿真的這一結(jié)果,其將一個(gè)100 mVpp,、100 kHz 的共模誤差信號(hào)注入到INA333 輸入端,。

2INA333 共模濾波的完全輸入RC 匹配舉例仿真

    這種方法存在的問(wèn)題是現(xiàn)貨電容都有一個(gè)5% 到10% 的典型容差,這就是說(shuō)如果每條支線的CCM 反向不匹配,,總差動(dòng)容差便會(huì)高達(dá)20%,。3 更好地表示了這種電容不匹配,同時(shí)還顯示了電阻傳感器輸出端的共模噪聲輸入(eN) 情況,。

3 RC 不匹配和共模噪聲注入共模濾波

    這種輸入不匹配(?C) 形成截止頻率誤差,,使共模噪聲eN 差動(dòng)進(jìn)入INA 輸入,之后被增益輸出,,成為誤差電壓,。方程式1-3 顯示了到達(dá)輸入端的共模噪聲量:

 

    假設(shè)傳感器信號(hào)Vsensor的頻率遠(yuǎn)低于所有共模濾波器的噪聲截止頻率(即fC ≥ 100*fsensor),并且RS1 = RS2,,則轉(zhuǎn)換為差動(dòng)噪聲信號(hào)(eIN) 并成為VIN 組成部分的共模噪聲信號(hào)(eN)大小為:

     方程式4 進(jìn)一步表明,,通過(guò)向INA333 注入一個(gè)100 mVpp、100 kHz 共模誤差信號(hào),,且1.6 kHz 濾波器截止頻率RC 不匹配為10% 時(shí),,其所產(chǎn)生的誤差如下:

4共模濾波器RC 不匹配引起的INA333 輸出誤差仿真(增益為101

    圖5 顯示了一種更好且更常見(jiàn)的輸入濾波方法,其改進(jìn)是在儀表放大器輸入之間添加了一個(gè)差動(dòng)電容Cdiff,。

5添加差動(dòng)電容(Cdiff) 提高共模噪聲抑制效果

    添加這種電容并沒(méi)有徹底解決問(wèn)題,,因?yàn)楸仨毎凑杖缦聝蓚€(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Cdiff 進(jìn)行調(diào)節(jié):

1、差動(dòng)截止頻率必須足夠高,,以遠(yuǎn)離信號(hào)帶寬,,從而實(shí)現(xiàn)充分的濾波穩(wěn)定。

2,、差動(dòng)截止頻率必須要足夠低,,以將共模噪聲降至可接受水平,讓儀表放大器CMRR 能夠?qū)崿F(xiàn)剩余噪聲抑制,最終達(dá)到可以接受的SNR,。方程式5 給出了進(jìn)行這種調(diào)節(jié)的一般原則:

 

方程式 5

 

     圖6 顯示了VinP 和VinN 曲線圖與無(wú)Cdiff 和Cdiff =1uF 時(shí)兩種頻率的對(duì)比情況,。請(qǐng)注意,沒(méi)有差動(dòng)電容時(shí),,INA333 的輸出大小有差別,。這種差別被放大至輸出,成為最終降低SNR 的噪聲,。Cdiff =uFF時(shí),,VinP 和VinN 之間的差最小。

6 Cdiff = 0 Cdiff = 1uF 時(shí),,VinP VinN 的曲線圖

 

    圖7 顯示了Cdiff =1uF 時(shí)INA333 輸出的總噪聲性能改善情況,。

7INA333 使用Cdiff 時(shí)獲得改善的噪聲濾波仿真情況

    總之,安裝于儀表放大器前部的低通濾波器應(yīng)該有一個(gè)差動(dòng)電容,,且其大小至少應(yīng)比共模電容高10 倍,。這樣,通過(guò)減小Ccm 不匹配的影響,,讓共模噪聲變?yōu)椴顒?dòng)噪聲,,從而極大地提高濾波器的效率。

    下次,,我們將針對(duì)主/從系統(tǒng)中I2S 時(shí)鐘存在的一些難點(diǎn)為您釋疑解惑,,敬請(qǐng)期待。

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