《電子技術(shù)應(yīng)用》
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信號鏈基礎(chǔ)知識53 正確調(diào)節(jié)濾波器各組件以提高降噪效果
中電網(wǎng)
作者:Matthew Hann
德州儀器 (TI) 高精度模擬應(yīng)用經(jīng)理
摘要: 在DC到低頻傳感器信號調(diào)節(jié)應(yīng)用中,,僅依靠儀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的傳播,,對儀表放大器輸入端低通濾波器中各組件進行正確的匹配和調(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)。
Abstract:
Key words :

在 DC 到低頻傳感器信號調(diào)節(jié)應(yīng)用中,,僅依靠儀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的傳播,對儀表放大器輸入端低通濾波器中各組件進行正確的匹配和調(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,請思考圖 1 所示低通濾波器實施,。電阻傳感器通過一個低通濾波器網(wǎng)絡(luò)差動連接至一個高阻抗儀表放大器,,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。

Common Configuration wo Cdiff.bmp

圖 1 共模輸入濾波

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

TINAMatchVcm.bmp
圖 2 INA333 共模濾波的完全輸入 RC 匹配舉例仿真

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

Mismatch RC.bmp

圖 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 差動進入 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:

      
        方程式 1
      方程式2 2       方程式3

假設(shè)傳感器信號 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)換為差動噪聲信號 (eIN) 并成為 VIN 組成部分的共模噪聲信號 (eN)大小為:

 方程式 4

方程式 4 進一步表明,,通過向 INA333 注入一個 100 mVpp、100 kHz 共模誤差信號,,且1.6 kHz 濾波器截止頻率 RC 不匹配為 10% 時,,其所產(chǎn)生的誤差如下:
TINAVCMMistmatch.bmp

圖 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的輸入濾波方法,其改進是在儀表放大器輸入之間添加了一個差動電容 Cdiff,。


Diff Pluse Mismatch RC.bmp

圖 5 添加差動電容 (Cdiff) 提高共模噪聲抑制效果

添加這種電容并沒有徹底解決問題,,因為必須按照如下兩個標(biāo)準(zhǔn)對 Cdiff 進行調(diào)節(jié):
1、差動截止頻率必須足夠高,,以遠(yuǎn)離信號帶寬,,從而實現(xiàn)充分的濾波穩(wěn)定。
2,、差動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 Cdiff 和 Cdiff = QUOTE  F 時兩種頻率的對比情況。請注意,,沒有差動電容時,,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 = QUOTE  F 時,VinP 和 VinN 之間的差最小,。

TINA Filter Differences.bmp

圖 6 Cdiff = 0 和 Cdiff = 1 QUOTE  F 時,,VinP 和 VinN 的曲線圖

圖 7 顯示了 Cdiff = QUOTE  F 時 INA333 輸出的總噪聲性能改善情況。

TINADiffPlusRCMismatch.bmp

圖 7 INA333 使用 Cdiff 時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)該有一個差動電容,,且其大小至少應(yīng)比共模電容高 10 倍。這樣,,通過減小 Ccm 不匹配的影響,,讓共模噪聲變?yōu)椴顒釉肼?,從而極大地提高濾波器的效率。

下次,,我們將針對主/從系統(tǒng)中 I2S 時鐘存在的一些難點為您釋疑解惑,,敬請期待。

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