Introducere
Una dintre cele mai bune căi de a reduce interferenţele electromagnetice (EMI) asupra circuitelor de pe PCB este prin utilizarea inteligentă a amplificatoarelor operaţionale. Din nefericire, în numeroase aplicaţii, amplificatoarele operaţionale sunt adesea trecute cu vederea în ceea ce priveşte utilizarea ca unelte de reducere a EMI. Acest lucru poate fi cauzat de faptul că amplificatoarele operaţionale sunt percepute ca sensibile la EMI şi că trebuie urmați paşi suplimentari pentru a îmbunătăţi imunitatea la zgomot. Deşi este adevărat pentru multe dintre dispozitivele vechi, proiectanţii ar trebui să ştie că noile amplificatoare operaţionale au performanţe superioare de imunitate faţă de generaţiile anterioare. Proiectanţii pot de asemenea să nu înţeleagă sau să nu ia în considerare avantajele pe care un astfel de circuit le poate oferi pentru reducerea zgomotului în sistemele lor şi în circuitele de pe PCB. Acest articol trece în revistă sursele de EMI şi analizează caracteristicile amplificatoarelor operaţionale ce ajută la atenuarea EMI asupra circuitelor sensibile de pe PCB.
Figura 1: Intrări cu zgomot DM şi CM aplicate filtrului activ cu amplificator operaţional.
Surse EMI, circuite victimă şi mecanisme de cuplare
EMI este o perturbaţie cauzată de o sursă de zgomot electric, care are impact asupra unui al doilea circuit electric într-o manieră neintenţionată şi nedorită. În toate cazurile, semnalul de zgomot care interferează este fie o tensiune, fie un curent, radiaţie electromagnetică sau o combinaţie a acestora de la sursa de zgomot la circuitul victimă. EMI nu se limitează la interferenţele de frecvenţă radio (RFI). Surse puternice de EMI există sub banda radio în domeniul frecvenţelor “mai joase”, cum ar fi de exemplu stabilizatoare în comutaţie, circuite LED şi drivere de motoare operând în domeniul de la zeci la sute de kHz. Zgomotul de linie de 60-Hz (50Hz n.t.) este un alt exemplu. Sursele transferă zgomotul la circuitele victimă prin una până la patru mecanisme de cuplare. Trei din patru sunt considerate cuplare în apropiere, incluzând aici cuplare prin conducţie, cuplare prin câmp electric şi cuplare prin câmp magnetic. Al patrulea mecanism este cuplare la distanţă prin câmp radiat, în care energia electromagnetică este radiată pe multiple lungimi de undă.
Filtrarea activă a zgomotului de mod diferenţial
Filtrele active cu amplificatoare operaţionale pot reduce semnificativ EMI şi zgomotul pe un circuit PCB în cadrul lăţimii de bandă a circuitului, dar ele sunt sub-utilizate în numeroase proiecte. Semnalul dorit de mod diferenţial (DM) poate fi limitat în bandă, filtrându-se zgomotul nedorit. Figura 1 prezintă zgomotul DM cuplat cu un semnal de intrare printr-o capacitate parazită (CP). Combinaţia dintre semnal şi zgomot este recepţionată de un filtru activ trece jos de ordinul 1. Circuitul diferenţial cu amplificator operaţional are frecvenţa sa de tăiere trece jos stabilită deasupra benzii semnalului dorit cu ajutorul R2 şi C1. Frecvenţele mai ridicate sunt atenuate cu 20dB pe decadă.
Pot fi implementate filtre active de ordin mai ridicat (de exemplu –40 sau –60dB/ decadă) dacă este necesară o atenuare mai mare. Sunt recomandate toleranţe de rezistor de 1% sau mai joase. Pe de altă parte, pentru cele mai bune performanţe ale filtrului sunt preferate condensatoare cu un coeficient bun cu temperatura (NPO, COG) şi toleranţe de 5% sau mai reduse.
Reducerea zgomotului de intrare de mod comun
În Figura 1, la intrarea circuitului, este de asemenea prezent zgomot ce provine de la surse de zgomot de mod comun (CM). Zgomotul CM poate fi descris ca fiind un zgomot de tensiune comun (sau acelaşi) pe ambele intrări ale amplificatorului operaţional şi nu este parte a semnalului de mod diferenţial pe care amplificatorul operaţional încearcă să îl măsoare sau condiţioneze. Zgomotul CM poate apărea în numeroase moduri. Un exemplu este un sistem în care referinţa de masă a unui circuit se află la un potenţial diferit faţă de un al doilea circuit cu care se interfaţează. Diferenţa între tensiunile de “masă” poate fi în milivolţi sau în mai mulţi volţi, putând de asemenea apărea la multe frecvenţe diferite. Aceste diferenţe de tensiune cauzează căderi de tensiune neintenţionate şi curenţi ce pot interfera cu circuitele conectate. Maşinile, avioanele şi clădirile mari, având numeroase circuite, sunt adesea susceptibile la acest tip de interferenţe.
Un avantaj cheie al amplificatoarelor operaţionale este arhitectura lor de intrare diferenţială, precum şi abilitatea de a elimina zgomotul de mod comun când sunt configurate ca amplificator diferenţial. Raportul de eliminare de mod comun (CMRR) este specificat pentru fiecare amplificator operaţional, dar raportul CMRR total al circuitului trebuie să includă de asemenea efectul intrării şi rezistenţele de reacţie. Variaţia rezistenţei are un impact puternic asupra CMRR. De aceea, pentru a obţine un CMRR dorit pentru aplicaţie, este nevoie de rezistenţe potrivite cu toleranţe de 0.1%, 0.01% sau mai bune.
Utilizând rezistenţe externe se pot obţine performanţe bune. O altă opţiune o reprezintă însă utilizarea unor amplificatoare diferenţiale sau de instrumentaţie cu rezistenţe reglate interne. De exemplu, INA188 este un amplificator de instrumentaţie cu rezistenţe reglate intern şi un raport CMRR de 104dB.
În Figura 1 zgomotul CM (VCM_zgomot = VCM1 = VCM2) poate fi eliminat de CMRR-ul circuitului amplificator operaţional dacă zgomotul este în banda activă a circuitului. Nivelul de eliminare depinde de alegerea precisă a rezistenţelor din raportul R2/R1. Ecuaţia 1 poate fi utilizată pentru a determina CMRRTOTAL, care include efectele toleranţelor de rezistenţă (RTOL) şi CMRR-ul amplificatorului operaţional după cum este specificat în datele tehnice. De exemplu, dacă datele tehnice ale amplificatorului operaţional specifică un raport CMRR(dB) = 90dB, atunci (1/CMRRAMP) = 0.00003. În multe circuite, toleranţa rezistenţelor va fi limita principală în atingerea ţintei de CMRRTOTAL.
Ecuaţia 1 este derivată dintr-o ecuaţie din bibliografie [1] pentru CMRR al unui amplificator operaţional ideal, în care termenul CMRRAMP este presupus a fi foarte mare (infinit). Pentru un amplificator operaţional ideal, termenul (1/CMRRAMP) este nul, iar CMRRTOTAL se bazează doar pe 
rezistenţe şi AV. CMRRTOTAL poate fi convertit în dB utilizând Ecuaţia 2.
unde AV = câştigul în buclă închisă a amplificatorului operaţional, RTOL = % toleranţa pentru R1 şi R2 (de exemplu 0.1%, 0.01%, 0.001%), iar CMRRAMP = specificaţie din datele tehnice pentru CMRR în formă zecimală (nu dB).
Figura 2: Filtrele de intrare pasive EMI/RFI îmbunătăţesc imunitatea la frecvenţe ridicate.
Figura 3: Sursă de zgomot ceas şi circuit audio victimă.
Îmbunătăţirea imunităţii la RFI şi alte EMI de înaltă frecvenţă
După cum s-a putut observa în secţiunile anterioare, filtrarea activă şi CMRR pot reduce în siguranţă zgomotul în circuit în domeniul de bandă limitat al dispozitivului, inclusiv EMI DM şi CM EMI până în gama de MHz. Totuşi, expunerea la zgomotul RFI peste domeniul destinat frecvenţei de operare, poate cauza un comportament neliniar al dispozitivului. Amplificatoarele operaţionale sunt cele mai sensibile la RFI pe zona lor de intrare diferenţială de înaltă impedanţă, deoarece zgomotul RFI DM şi CM poate fi rectificat cu diode interne (formate din joncţiuni p-n pe cristal de siliciu). Această rectificare creează o mică tensiune continuă DC sau o derivă care este amplificată şi poate apărea la ieşire ca o derivă eronată. În funcţie de precizia şi sensibilitatea sistemului, aceasta poate crea comportamente sau performanţe nedorite ale circuitului. Din fericire, îmbunătăţirea imunităţii amplificatorului operaţional (sau reducerea sensibilităţii) la RFI poate fi realizată utilizând una dintre următoarele două metode.
Prima și cea mai bună opţiune este aceea de a utiliza un amplificator operaţional cu rezistenţă la EMI, care include filtrare internă a intrării pentru eliminarea zgomotului în domeniul de la MHz la GHz. Astăzi, există mai mult de 80 de dispozitive TI ce pot fi găsite căutând dispozitive “EMI Hardened” pe motorul de căutare parametrizată al amplificatoarelor operaţionale de la TI. Mai multe detalii despre aceste dispozitive pot fi găsite în materialele bibliografice [2] şi [3].
A doua opţiune este de a adăuga filtre externe EMI/RFI pe intrarea amplificatorului operaţional. Aceasta ar putea fi singura opţiune dacă proiectul necesită un dispozitiv ce nu include filtre EMI interne. Figura 2 prezintă o configuraţie standard de amplificator diferenţial utilizând filtre DM şi CM externe ţintite pe frecvenţe EMI ridicate. Fără filtre de intrare, câştigul circuitului este |R2/R1|. Dacă sunt adăugate filtre de intrare pasive, este nevoie în mod uzual de rezistenţele R3 pentru prevenirea reducerii marjei de fază a amplificatorului datorită condensatorului CDM. Filtrul trece jos DM constă din rezistenţele R1, CDM şi condensatoarele CCM. Filtrul trece jos CM utilizează ambele rezistenţe R1 şi condensatoarele CCM. În cele ce urmează sunt prezentate ecuaţiile pentru frecvenţele de tăiere –3-dB ale filtrelor DM şi CM (fC_DM şi fC_CM). fC_DM este stabilită la o frecvenţă peste lăţimea de bandă dorită a amplificatorului operaţional, iar CDM este uzual determinat primul. Condensatoarele CCM sunt apoi 
alese să fie de cel puţin 10 ori mai mici decât CDM pentru a minimiza impactul lor asupra fC_DM şi 
pentru că aceste condensatoare au ca ţintă frecvenţele mai ridicate. Ca rezultat, fC_CM va fi stabilită la o frecvenţă mai mare decât fC_DM. Trebuie observat că dispozitivele cu rezistenţă la EMI pot fi utilizate pentru a elimina componentele din marcajele roşii, ceea ce simplifică proiectarea.
Impedanţa joasă de ieşire reduce interferenţele
O altă caracteristică importantă a amplificatoarelor operaţionale este impedanţa lor de ieşire foarte redusă, uzual de câţiva ohmi sau mai puţin în majoritatea configuraţiilor. Pentru a înţelege cât de benefic este acest lucru pentru reducerea EMI, trebuie analizat impactul EMI asupra circuitelor cu impedanţe joase şi ridicate. Diagrama din Figura 3 reprezintă două circuite. Primul este un circuit audio ce reprezintă intrarea unui convertor analog-digital (ADC), ce este compus din 1-VP-P, o sinusoidă de 2-kHz (VS1), impedanţă sursă de 600-Ω (RS1) şi o impedanţă de sarcină de 20-kΩ (RL1). Impedanţele sursă precum cea de 600Ω sunt uzuale în aplicaţii audio pentru surse precum microfoane, iar impedanţele mari precum cea de 20kΩ sunt uzuale pentru convertoare ADC audio. Al doilea circuit este o sursă de ceas de 100-kHz care comandă un semnal de ceas de 3.3-V (VS2) cu o rezistenţă terminală serie de 22Ω (RS2) şi o impedanţă de sarcină de 500kΩ (RL2). Sarcina de impedanţă ridicată reprezintă intrarea digitală a unui alt dispozitiv. Într-un sistem real, ceasurile pe magistrala serială I2C în domeniul 100 – 400-kHz sunt uzuale în ADC-uri audio şi alte circuite. Cu toate că ceasurile I2C sunt tipic comandate în pulsuri (nu continuu), această simulare prezintă posibilul impact pe durata de timp în care ceasul este comandat. Un ceas rutat în apropierea unui traseu audio sensibil este inevitabil în proiectele PCB de infotainment şi audio de înaltă densitate. Pentru apariţia unei cuplări capacitive este nevoie de numai câţiva pF de capacitate parazită pe PCB, injectând zgomotul ceasului în semnalul audio victimă. Acest lucru este simulat utilizând o capacitate parazită de numai 1pF, după cum se poate observa în Figura 3. Cum poate fi redus zgomotul în circuitul audio? După cum se poate dovedi, reducerea impedanţei circuitului victimă este una dintre căile de a reduce sensibilitatea la zgomotul cuplat. Pentru circuite cu impedanţă sursă relativ ridicată (> 50Ω), zgomotul cuplat poate fi redus prin minimizarea impedanţei sursei văzută dinspre circuitul de sarcină. În Figura 4 este adăugat în circuit un OPA350 într-o configuraţie ne-inversoare, asigurând un tampon pentru semnal şi izolând impedanţa sursei de sarcină. Prin comparaţie cu 600Ω, impedanţa de ieşire a amplificatorului operaţional este foarte mică. Ceea ce reduce semnificativ zgomotul de ceas.
Figura 4: Circuitul cu amplificator operaţional reduce EMI de la sursa de ceas.
Nu uitaţi de importanţa decuplării
Adăugarea de condensatoare de decuplare pe sursele de alimentare este extrem de benefică pentru filtrarea zgomotului EMI de înaltă frecvenţă şi îmbunătăţirea imunităţii circuitului amplificator operaţional. Schemele din acest articol conțin condensatoare de decuplare CD. Câtă vreme subiectul decuplării poate deveni repede foarte complex, se prezintă doar câteva “reguli” bune pentru orice proiect. Trebuie selectate condensatoare cu următoarele caracteristici:
(a) Coeficient foarte bun cu temperatura, precum X7R, NPO, sau COG
(b) Inductanţe serie echivalente foarte reduse (ESL)
(c) Impedanţa cea mai mică posibilă pe spectrul dorit de frecvenţă
(d) Valorile condensatoarelor în domeniul de la 1 la 100-nF operează în general bine, dar criteriile (b) şi (c) de mai sus sunt mult mai importante decât valoarea condensatoarelor. Plasarea condensatorului trebuie făcută cât mai aproape posibil de sursa de alimentare. Conexiunile de alimentare/împământare ale PCB-ului trebuie să fie cât de scurte posibil cu trasee scurte sau prin conexiuni.
Concluzie
Amplificatoarele operaţionale pot ajuta la reducerea influenţei EMI din circuitele apropiate de pe un PCB. Iată câteva puncte cheie de luat în considerare pentru orice proiect:
• Reduceţi zgomotul de intrare DM de la cabluri/circuite utilizând o configuraţie de filtru activ (Figura 1).
• Reduceţi zgomotul de intrare CM de la cabluri/circuite prin selectarea unui amplificator operaţional cu raport CMRR ridicat, utilizând rezistenţe potrivite de înaltă precizie (Figura 1, Ecuaţiile 1, 2).
• Obţineţi o îmbunătăţire şi mai mare a imunităţii la EMI sau RFI de înaltă frecvenţă (zgomot DM/CM) prin selectarea unor dispozitive cu rezistenţă la EMI, sau prin utilizarea unor filtre externe pasive EMI/RFI (Figura 2).
• Utilizaţi impedanţa joasă a ieşirii amplificatorului operaţional pentru a reduce zgomotul, atunci când se transmite semnalul către alte circuite de pe PCB
• În final, reduceţi zgomotul de alimentare prin utilizarea unei strategii de decuplare potrivite pentru amplificatorul operaţional şi pentru toate celelalte circuite.
Autor: Todd Toporski – Analog Applications
Bibliografie
1 S. Franco, “Circuits with Resistive Feedback,” Design with Operation Amplifiers and Analog Integrated Circuits, 3rd ed. New York: McGraw-Hill, 2002, Ch. 2, pp 75-76
2 Chris Hall and Thomas Kuehl, “EMI Rejection Ratio of Operational Amplifiers,” Texas Instruments Application Note (SBOA128), August 2011
3 “A Specification for EMI Hardened Operational Amplifiers,” Texas Instruments Application Note (SNOA497B), Aprilie 2013
4 Jerry Freeman, “Techniques to enhance op amp signal integrity in low-level sensor applications, Part 4,” EETimes, 18 decembrie 2008
Website-uri de referinţă:
TINA-TI™ – unealtă de proiectare amplificatoare: www.ti.com/tool/tina-ti
Informaţii produs: INA188 OPA350
Abonare AAJ: www.ti.com/subscribe-aaj
Texas Instruments | www.ti.com