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(jì)涉及應(yīng)變計(jì),、傳感器接口和電流監(jiān)控時(shí),，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(shí)信號(hào)，并抑制共模電壓和噪聲等無用信號(hào),。首先,，設(shè)計(jì)人員將集中精力確保器件級(jí)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(jì)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(gè)經(jīng)常被忽視的問題,，即外部信號(hào)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(jī)接口的控制板中可能會(huì)用到儀表放大器,，而電機(jī)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(hào)，因而可能會(huì)干擾儀表放大器輸入端的微小電壓,。
另一個(gè)例子是汽車電磁閥控制中的電流檢測(cè),。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(gè)串聯(lián)分流電阻,，然后通過電流檢測(cè)放大器來測(cè)量該電阻上的電壓。該線路中可能存在高頻共模信號(hào),，而該放大器的輸入端容易受到這類外部信號(hào)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(cè)中的容差，甚至在某些情況下可能會(huì)達(dá)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(jì),，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(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)問題,。此時(shí)放大器的輸入級(jí)可能會(huì)出現(xiàn)非對(duì)稱整流,，從而產(chǎn)生直流失調(diào)，進(jìn)一步放大后,，會(huì)非常明顯,，再加上放大器的增益，甚至達(dá)到其輸出或部分外部電路的上限,。
關(guān)于高頻信號(hào)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(cè)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(gè)具有類似設(shè)計(jì)的電流檢測(cè)放大器配置,，研究了高頻干擾的影響,。這兩個(gè)器件的功能和引腳排列完全相同；不過,，其中一個(gè)內(nèi)置EMI濾波器電路,，而另一個(gè)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(shí)直流輸出達(dá)到峰值）
圖2所示為輸入在較寬頻率范圍內(nèi)變化時(shí)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(shí)直流誤差達(dá)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(shí)相同實(shí)驗(yàn)和配置的測(cè)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(kuò)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(shí)直流輸出達(dá)到峰值）
這種情況下,，40 MHz時(shí)誤差僅為3 mV左右，且峰值誤差（大于100 MHz時(shí)）小于30 mV,，性能提高35倍,。這點(diǎn)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(hù)性能,，使其免受輸入端存在的高頻信號(hào)影響,。在實(shí)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(shí)際上控制環(huán)路將會(huì)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(jìn)行測(cè)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(jìn)行控制,，這種情況下電流檢測(cè)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(jì)和測(cè)試時(shí)為何以及如何保證EMI兼容性
汽車應(yīng)用對(duì)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(bào)或誤觸發(fā),。早先，EMI兼容性測(cè)試是汽車應(yīng)用中的最后一項(xiàng)測(cè)試,。如果出現(xiàn)差錯(cuò),，設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(jí)執(zhí)行EMI測(cè)試,，然后才會(huì)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(cè)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(cè)試要求,，請(qǐng)向國際電工委員會(huì)（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(cè)試特定集成電路,。上述各種測(cè)試都是根據(jù)這些指南說明進(jìn)行的,。
具體而言，這些測(cè)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(hào)耦合至特定器件引腳的方法,。根據(jù)待測(cè)IC的類型，針對(duì)不同的RF信號(hào)功率水平和頻率范圍,，測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試原理圖
總結(jié)
集成電路的EMI兼容性是電子設(shè)計(jì)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(cè)量時(shí),，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(shí),，EMI是一個(gè)非常重要的方面,。如今，在設(shè)計(jì)和測(cè)試針對(duì)關(guān)鍵應(yīng)用的器件時(shí),，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(duì)于汽車應(yīng)用市場(chǎng),，AD8207,，AD8208和AD8209等電流檢測(cè)器件都通過了EMI測(cè)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(hào)放大器AD8556等新款器件經(jīng)過專門設(shè)計(jì)和測(cè)試，符合EMI相關(guān)要求,。