一种前端放大器提高 EMI 抑制的方法

电磁干扰 (EMI) 是我们生活的一部分，无论是否是工程师。电子解决方案的普及是一件好事，因为电子设备为我们的生活带来了舒适、安全和健康。然而，所有这些好东西继续使我们的传输空间变得混乱。对这种干扰的最佳防御是通过专门设计用于阻止干扰的解决方案将这个问题扼杀在萌芽状态。本博客展示了如何量化和快速解决传感器电路中的 EMI 问题。

EMI 信号来自各种来源。这些来源包括我们周围的标准电子设备;汽车、卡车和重型设备是 EMI 信号的固有发生器。对我们 21世纪的心而言，最亲近的东西就是手机。手机提供了在街上行走时与朋友、家人和商业伙伴交流的便利。然而，这个小工具有可能产生干扰我们电子设备的 EMI 信号。所以，把手机放在实验室外面。

称重传感器和 EMI 错误

EMI 信号中断的一个很好的候选者是具有极低电压或电流输出信号的传感器。EMI 信号的整流可能表现为间歇性直流电压和电流偏移。例如，称重传感器电桥会产生一类模拟信号，这些信号会带来复杂的采集问题。称重传感器信号输出可以在亚毫伏范围内，如果您对精度感兴趣，放大电子设备会使测量活动复杂化。

以电阻桥中配置的四元件称重传感器模型为例，假设对传感器施加负载，则传感器输出端的电压会产生小信号，最大值为数十 mV，出现在两个电阻腿的中点之间。

这种设计配置通常称为两运放仪表放大器。在这种分立设计中，TI 的OPA2187双路放大器具有良好的带宽和过温匹配。TI 的REF2025 2.5V 参考电平将 A2 的输出转换为中央电源电压。该仪表放大器通过使用运算放大器同相输入的高阻抗来减少源阻抗失配问题。

该电路的传递函数等于：

V OUT = (V IN+ – V IN- )(R 4 (1 + ½(R 2 /R 1 + R 3 /R 4 ) + (R 2 + R 3 )/R G )/R 3 ) + V CM (R 4 (R 3 /R 4 – R 2 /R 1 )/R 3 ) + 2.5V

当 R 1 = R 4且 R 2 = R 3时，传递函数变为：

V OUT = (V IN+ – V IN- )(1 + R 1 /R 2 + 2R 1 /R G ) + 2.5V

使用匹配的电阻器，电路增益会随着一个电阻器 R G的变化而变化。

例如，16 位模数转换器 (ADC) 中的满量程 5 V 产生 5V/2 16或 76.29 µV 的 1 LSB。失调电压为 500 µV 的放大器远高于 1 LSB。为保持线性度并避免量化误差，请选择产生 ½ LSB 的精密放大器。OPA2187 等零漂移放大器具有 10 µV 的失调电压和 0.001 µV/℃ 的失调电压漂移。

抗EMI运算放大器的优势

零漂移放大器(例如 OPA2187 双 0.001 零漂移运算放大器)具有低电压偏移和低 1/f 噪声。避免 EMI 问题的预防措施包括滤波、屏蔽和正确接地。OPA2187 具有 EMI 和射频干扰 (RFI) 过滤输入。一个简单的低通无源滤波器 RC 滤波器，无论是在输入端还是输出端，都会影响放大器的动态性能。抑制 EMI 和 RF 信号的最有效方法是使用集成方法。

OPA2187 中紧密匹配的硅集成滤波器减少了馈入 ADC 的信号路径误差。产品数据表中的 EMI 抑制比 (EMIRR) 图有助于更好地了解抗 EMI 放大器如何降低误差。

例如，假设提供 50 dB EMI 抑制的非 EMI 强化运算放大器的增益为 100。该放大器与 5V 满量程 16 位 ADC 接口。

在放大器的输入端，有一个 –20 dBV 或 0.1 V RF 信号。计算会在输入端产生 0.32 mV EMI 误差或 0.1 V / 10 (50 / 20)。0.32 mV 的 EMI 误差乘以 101 的增益会产生 31.9 mV 的误差。使用 5-V 满量程电压范围和 16 位 ADC，LSB 大小为 76.29 µV。大约 419 的数字计数损失等于 31.9 mV EMI 误差除以 76.29 µV。诸如 OPA2187 之类的零漂移放大器在 1 GHz 时提供约 100 dB 的 EMIRR。

新的计算误差会在输入端产生 1 µV 的 EMI 误差或 0.1 V / 10 (100 / 20)。1 µV 的 EMI 误差乘以 101 的增益会产生 101 µV 的误差。大约 1.4 的数字计数损失等于 101 µV EMI 误差除以 76.29 µV。

上述设计示例显示了 EMI 如何在没有警告的情况下潜入您的电路。在传感器电路中，EMI 表现为电压偏移和偏移电流。该博客提供了一种计算策略来预先评估损失。拿出你的铅笔和纸来量化潜在的 EMI 源。

对这种干扰的最佳防御始终是过滤、屏蔽和适当的接地技术，以将这个问题扼杀在萌芽状态。然后应用专门设计的设备来阻止干扰。

AEL是一种专有的边沿速率控制技术，集成到许多Maxim® D类放大器中。AEL 电路减少了窄带频谱组件，而不会降低音频性能。有关AEL电路的更详细说明，请参见应用笔记3973：“Maxim的有源辐射限制电路揭秘”。

快速输出转换通过最小化输出器件上升和下降时间的损耗来提高效率。然而，这些快速转换也引入了高频内容，对排放性能产生负面影响。借助 AEL，轨到轨输出摆幅可智能控制，以降低输出中不需要的快速开关频率，同时仍保持高效率。图2和图3显示了带AEL的MAX98314 D类放大器与不带AEL的D类放大器的效率和EMI性能(图4和 图5)。AEL 技术可显著降低 EMI 辐射，同时保持高达 93% 的效率。

图2.带AEL的MAX98314 D类放大器的典型音频效率。

图3.带AEL的MAX98314 D类放大器的EMI频谱。AEL 可降低 EMI，并消除了传统 D 类器件中对输出滤波的需求。EMI性能，60cm扬声器电缆，无输出滤波器。

图4.不带 AEL 的 D 类音频放大器的效率。

图5.不带 AEL 的 D 类音频放大器的 EMI 频谱。

结论

AEL 使设计人员能够从 D 类放大器的高效率中受益，而无需担心其开关拓扑产生的 EMI。AEL 技术可降低 EMI，并消除对滤波器和其他 EMI 抑制组件的需求。借助 D 类音频放大器和 AEL，设计人员可以降低 EMI，实现更小的应用，以更少的组件降低成本，并延长当今便携式应用中的电池寿命。