涉及應(yīng)變計、傳感器接口和電流監(jiān)測的設(shè)備設(shè)計，適用于醫(yī)療設(shè)備、汽車儀器儀表和工業(yè)控制等技術(shù)，通常需要一個精密模擬前端放大器，該放大器能夠提取和放大非常小的實際信號，同時抑制共模電壓和噪聲等不需要的信號。首先，設(shè)計人員將重點確保元件級噪聲、失調(diào)、增益和溫度穩(wěn)定性等精度參數(shù)適合應(yīng)用。

根據(jù)這些規(guī)格，設(shè)計人員選擇符合允許的總誤差預(yù)算的前端模擬元件。然而，在此類應(yīng)用中，經(jīng)常被忽視的問題是由外部信號的高頻干擾引起的。它通常被歸類為電磁干擾（EMI）。EMI主要受最終應(yīng)用的影響，可以通過多種方式發(fā)生。例如，儀表放大器可用于與直流電機(jī)接口的控制板。電機(jī)的電流環(huán)路由電源線、電刷、換向器和線圈組成，通常可以充當(dāng)天線，發(fā)射高頻信號，干擾儀表放大器輸入端的小電壓。

另一個例子是汽車電磁閥控制中的電流檢測。螺線管的電源由車輛電池通過可充當(dāng)天線的長線提供。在該導(dǎo)線路徑中連接一個串聯(lián)電阻分流器，其電壓由電流檢測放大器測量。放大器的輸入容易受到接線中可能存在的外部高頻共模信號的影響。如果模擬組件受到外部高頻干擾的影響，則可能會失去精度，甚至可能失去對螺線管電路的控制。這種情況表現(xiàn)為放大器的輸出精度超過誤差預(yù)算和數(shù)據(jù)手冊容差，或者在某些情況下達(dá)到限值，導(dǎo)致控制環(huán)路關(guān)斷。

EMI如何導(dǎo)致較大的直流偏差？這里有一種可能的機(jī)制：許多儀表放大器的設(shè)計和規(guī)格在高達(dá)數(shù)十千赫茲的頻率下具有出色的共模抑制。問題在于非屏蔽放大器暴露在數(shù)十或數(shù)百兆赫茲的RF場中。放大器的輸入級可能發(fā)生不對稱整流，產(chǎn)生直流失調(diào)，進(jìn)一步放大后，直流失調(diào)可能很大，考慮到放大器的增益，甚至?xí)⑵漭敵龌蛲獠侩娐返哪承┎糠烛?qū)動到極限。

模擬元件如何受高頻信號影響的示例

本例將仔細(xì)研究一個典型的高端電流檢測應(yīng)用。用于監(jiān)控汽車環(huán)境中螺線管或其他感性負(fù)載的常見配置如圖1所示。

圖1.高邊電流監(jiān)控。

我們研究了使用兩個類似設(shè)計的電流檢測放大器在這種設(shè)置中高頻干擾的影響。兩個部分的功能和引腳排列完全相同;但是，一個器件包含內(nèi)部EMI濾波器電路，而另一個器件則沒有。

圖2.不帶內(nèi)部EMI濾波器的電流傳感器輸出（正向功率= 12 dBm，100 mV/分頻，3 MHz時峰值直流輸出）。

圖2顯示了當(dāng)輸入受到很寬頻率范圍的影響時，電流傳感器的直流輸出如何從其理想值變化?？梢钥闯觯? MHz至20 MHz的頻率范圍內(nèi)會出現(xiàn)顯著偏差（>0.1 V），峰值直流誤差為1 V，這是放大器0 V至5 V范圍的重要組成部分，在3 MHz時。

圖3顯示了使用引腳兼容電流傳感器進(jìn)行相同實驗和設(shè)置的結(jié)果，該電流傳感器具有與前一種情況相同的電路架構(gòu)和類似的直流規(guī)格，但包括內(nèi)部輸入EMI濾波。請注意，電壓標(biāo)度擴(kuò)大了 20×。

圖3.帶內(nèi)部EMI濾波器的電流傳感器輸出（正向功率= 12 dBm，5 mV/分頻，峰值直流輸出為>100 MHz）。

在這種情況下，40 MHz時的誤差水平僅為3 mV左右，而100 MHz以上的峰值誤差小于30 mV，提高了35×。這清楚地表明，內(nèi)部EMI濾波在很大程度上幫助保護(hù)電流傳感器免受其輸入端存在的高頻信號的影響。在實際應(yīng)用中，EMI的程度未知，如果使用具有內(nèi)部EMI濾波的電流傳感器，則可以實際預(yù)期控制環(huán)路將保持在容差范圍內(nèi)。

兩個部件的測試是在完全相同的條件下進(jìn)行的。它們之間的唯一區(qū)別是AD8208（見附錄）在輸入和電源端子上集成了內(nèi)部低通RF輸入濾波器。這似乎是對硅的微不足道的補(bǔ)充，但在這種情況下，電流檢測放大器必須承受高達(dá)45 V的連續(xù)開關(guān)共模電壓，因為應(yīng)用通常由PWM控制。因此，為了保持精確的高增益和共模抑制，輸入濾波器必須緊密匹配。

為什么以及如何設(shè)計和測試EMI合規(guī)性

由于與普通電池、捆綁布線、各種電感負(fù)載、天線以及與汽車相關(guān)的外部干擾相關(guān)的嘈雜電氣環(huán)境，汽車應(yīng)用對EMI事件特別敏感。由于電子設(shè)備涉及控制關(guān)鍵功能，包括安全氣囊展開、巡航控制、制動和懸架，因此必須符合 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。不會因外部干擾而誤報或觸發(fā)。在早期，EMI一致性測試是汽車應(yīng)用中執(zhí)行的最后一次測試。如果出現(xiàn)問題，設(shè)計人員必須爭先恐后地尋找解決方案，這通常涉及更改電路板布局、添加額外的濾波器，甚至更換元件。

這種程度的不確定性對工程師來說代價高昂且令人擔(dān)憂，隨著時間的推移，汽車行業(yè)已經(jīng)采取了具體措施來提高EMI合規(guī)性。汽車原始設(shè)備制造商的設(shè)備必須符合EMI標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在要求半導(dǎo)體制造商（如ADI公司）在對器件進(jìn)行認(rèn)證之前進(jìn)行元件級EMI測試。這個過程正在變得普遍，因為所有IC制造商現(xiàn)在都被指示使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范測試組件的EMI合規(guī)性。

各種類型集成電路的標(biāo)準(zhǔn)EMI測試要求可以從國際電工委員會（IEC）購買。IEC 62132 和 IEC 61967 等文檔是了解 EMI 和 EMC 的非常好的工具;它們非常詳細(xì)地描述了如何使用行業(yè)認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)測試特定的集成電路。上述測試是使用這些指定的準(zhǔn)則執(zhí)行的。

特別是，這些測試是使用直接功率注入完成的，這是一種通過電容器將RF信號耦合到特定元件引腳的方法。根據(jù)被測IC的類型，測試器件的每個輸入，改變RF信號的功率電平和頻率范圍。圖4描述了如何在特定引腳上進(jìn)行直接功率注入測試的簡化原理圖。

圖4.直接注入功率。

這些標(biāo)準(zhǔn)包括有關(guān)電路設(shè)置、布局方法和監(jiān)控技術(shù)的大量信息，這些信息是了解器件是否通過或失敗所必需的?；贗EC規(guī)范的更完整原理圖如圖5所示。

圖5.EMI敏感性測試示意圖。

總結(jié)

集成電路的EMI合規(guī)性對于成功的電子設(shè)計至關(guān)重要。本文將介紹在RF環(huán)境中進(jìn)行直流測量的兩個非常相似的放大器在直流性能方面有何顯著差異，這僅取決于它們是否包含內(nèi)部EMI濾波器。在汽車應(yīng)用中，由于安全性和可靠性問題，EMI是一個特別重要的話題。ADI公司等IC制造商現(xiàn)在越來越多地在設(shè)計和測試用于關(guān)鍵應(yīng)用的器件時考慮EMI敏感性。IEC標(biāo)準(zhǔn)提供了有用的指南，具有重要的細(xì)節(jié)。對于汽車市場，AD8207、AD8208和AD8209等電流檢測器件已經(jīng)過EMI測試。 為滿足EMI要求而設(shè)計和測試的新型器件包括鋰離子電池安全監(jiān)控器AD8280和數(shù)字可編程傳感器信號放大器AD8556。

附錄

有關(guān)AD8208的更多信息：AD8208（圖A）是一款單電源差動放大器，非常適合在存在大共模電壓的情況下對小差分電壓進(jìn)行放大和低通濾波。輸入共模電壓范圍為–2 V至+45 V，采用+5 V單電源供電。該放大器提供增強(qiáng)的輸入過壓和ESD保護(hù)，并包括EMI濾波。

圖 A. AD8208差動放大器。

AD8208適用于汽車應(yīng)用，這些應(yīng)用需要可靠的精密元件來改善系統(tǒng)控制，具有出色的交流和直流性能。典型失調(diào)和增益漂移分別小于5 μV/°C和10 ppm/°C。該器件采用 SOIC 和 MSOP 封裝，在直流至 10 kHz 范圍內(nèi)提供 80 dB 的最小 CMR。外部可訪問的100 kΩ電阻可用于低通濾波和建立20以外的增益。

審核編輯：郭婷