模擬電路的抗擾度設(shè)計(jì)

廣東省電子電器研究所 袁妙玲

1.引言

隨著各國對(duì)進(jìn)口的電子產(chǎn)品抗干擾性能的日益重視，模擬電路的抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)成為制約我國電子產(chǎn)品出口的瓶頸。很多制造商到了認(rèn)證階段才意識(shí)到抗干擾技術(shù)的重要性，但到了認(rèn)證階段才著手處理產(chǎn)品的抗干擾問題，往往是事倍功半。

本文針對(duì)上述問題，提出在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的抗干擾設(shè)計(jì)一般方法及在產(chǎn)品元器件選擇方面中要注意的問題，指導(dǎo)從元器件采購及產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段解決抗干擾的問題。

2.模擬回路抗干擾設(shè)計(jì)的問題

很多模擬IC最大的抗干擾問題在于解調(diào)和互調(diào)射頻噪聲超出工作的線性頻率范圍，而目前還沒有預(yù)測這一問題的數(shù)據(jù)庫。一般來說，雙極運(yùn)放的抗擾度比BiFET（雙極-場效應(yīng)晶體管）高20dB左右。本文所述的是傳統(tǒng)的一般運(yùn)放。即使是很“慢”的運(yùn)放，不管采用哪種反饋模式，每個(gè)管腳對(duì)射頻干擾都很敏感。

所有的半導(dǎo)體當(dāng)中都存在依據(jù)非線性統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行的射頻解調(diào)和互調(diào)。模擬電路不像數(shù)字電路那樣有設(shè)計(jì)良好的噪聲閾值，因此解調(diào)和互調(diào)是個(gè)常見的問題。一些低頻電路設(shè)計(jì)者并未意識(shí)到，即使是“慢”的運(yùn)放，它的解調(diào)噪聲也可能達(dá)到或超出手機(jī)頻率，圖1所示的是使用LM324的運(yùn)放設(shè)計(jì)電路的輻射抗擾度測試示例。使用1kHz調(diào)制的射頻測試信號(hào)。結(jié)果顯示盡管運(yùn)放的GBW僅為1MHz，它處在1GHz的射頻場中造成的輸出錯(cuò)誤，要比500MHz的嚴(yán)重。

圖1

歐洲市場上幾乎所有帶CE標(biāo)志的電子產(chǎn)品，都必須進(jìn)行射頻輻射場的抗擾度測試，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為IEC61000-4-6(頻率范圍150kHz～80MHz)和IEC61000-4-3(頻率范圍80MHz～1000MHz)。受此影響的產(chǎn)品包括手提電話、音視頻產(chǎn)品、儀器儀表等電子產(chǎn)品。

3.消除解調(diào)噪聲問題的設(shè)計(jì)方法

在低頻模擬電路中，可采用濾波和屏蔽措施抑制射頻干擾以消除解調(diào)噪聲問題。但是單單采用這些技術(shù)會(huì)造成產(chǎn)品變大變重，增加制造成本，降低產(chǎn)品競爭力。為避免解調(diào)噪聲問題及不必要的濾波和屏蔽，模擬電路暴露于射頻信號(hào)中時(shí)應(yīng)盡量線性和穩(wěn)定。

運(yùn)放的積分回路（輸出至輸入反相端的積分電容）是所有反饋結(jié)構(gòu)中最不穩(wěn)定的，也最容易引起射頻解調(diào)問題。這是由高頻相位裕量不足，以及IC引線框架和連接線電感和輸入晶體管電容造成的相位漂移和諧振引起的。采用單位穩(wěn)定增益的運(yùn)放通常可以掩飾這個(gè)問題，但無法根除。

要使暴露于射頻信號(hào)中的模擬電路盡量線性和穩(wěn)定通常采用圖2所示的方法進(jìn)行調(diào)試。將被測回路的所有輸入輸出濾波器及負(fù)載去掉，然后經(jīng)50歐的源從輸入端注入快速上升（上升時(shí)間小于1納秒）的方波。經(jīng)小電容從輸出或電源端注入亦可。在回路輸入端必須端接50歐電阻以保證方波形狀。設(shè)置測試信號(hào)幅值，使輸出的電壓峰-峰值為最大值的30%，為避免削波，基本頻率要接近設(shè)計(jì)通頻帶的中心頻率。使用至少300MHz的示波器和探頭來觀察回路輸出的壓擺率、超調(diào)和振蕩。對(duì)于高頻模擬電路，使用適合的高頻示波器及相應(yīng)的高速探頭技術(shù)。調(diào)整反饋回路使步進(jìn)速度最大，超調(diào)量最小（超出信號(hào)額定量的50%視為不穩(wěn)定。長時(shí)間振蕩如超過兩個(gè)周期或脈沖振蕩也視為不穩(wěn)定），使回路更快更具線性。

圖2

要使反饋回路達(dá)到穩(wěn)定，通常可以在反饋環(huán)外加小電阻或扼流圈補(bǔ)償容性負(fù)載。小的反饋電容比如4.7pF比較穩(wěn)定，積分型的反饋回路通常需要在每個(gè)超過10pF的積分反饋電容上串接小電阻。PCB的布板和走線也是很重要的因素，通常0V的地平面十分關(guān)鍵。

不同批次的IC穩(wěn)定性能相差很大，在比正常運(yùn)行溫度大得多的范圍中加熱和冷卻樣品，如-30至180度，可以估計(jì)IC的耐受極限，確保在整個(gè)溫度范圍IC都盡量快速和穩(wěn)定。如果制造商的電路樣品可在整個(gè)溫度范圍做到快速、線性和穩(wěn)定，就可以批量生產(chǎn)了。

4.其他模擬電路抗擾度設(shè)計(jì)技術(shù)

采用反饋環(huán)外的無源濾波，避免使用有源器件進(jìn)行EMC濾波和頻帶控制。在運(yùn)放開環(huán)增益大于回路要求的閉環(huán)增益的頻帶，采用積分反饋的方法比較有效。在快速、穩(wěn)定和線性的回路中，所有的線路都要采用無源濾波器或其他噪聲抑制措施。

模擬IC和數(shù)字IC一樣要在電源端和電壓參考管腳處用高質(zhì)量的射頻解耦器接地，模擬IC還需要低頻電源解耦。在運(yùn)放、比較器及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的模擬電源端都要加RC或LC濾波。電源濾波器的轉(zhuǎn)折頻率和斜率要補(bǔ)償設(shè)備PSRR的轉(zhuǎn)折頻率和斜率，才能在整個(gè)頻率范圍內(nèi)使PSRR達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。傳輸線技術(shù)一般只應(yīng)用于高頻模擬信號(hào)，此外，也可用于改善低頻信號(hào)的抗干擾性能。匹配良好的任何長度傳輸線就像性能很差的天線，不會(huì)從環(huán)境中引進(jìn)太多噪聲，但是要注意避免采用高阻輸入或輸出。

由于大多數(shù)的干擾都是由共模電壓和電流引起，而且大多數(shù)環(huán)境電磁場干擾也是共模的，所以在模擬電路中采用平衡輸入輸出不但有利于電磁兼容性能，而且能減少串?dāng)_。為避免由噪聲和干擾引起的錯(cuò)誤輸出變換以及搭接點(diǎn)附近的振蕩，必須使用有一定正反饋的比較器。

5.模擬器件的選擇

購買IC時(shí)，需要對(duì)器件進(jìn)行抗擾度測試評(píng)估，避免在項(xiàng)目初期選擇錯(cuò)誤的芯片。

不同批次的模擬IC在EMC干擾和抗擾特性方面都顯著不同，可以通過進(jìn)貨檢查來判斷新批次的IC是否發(fā)生了EMC性能改變，此外，大量生產(chǎn)的IC要采用樣品EMC測試的方法提前查出運(yùn)輸造成的損壞及殘次品，以便及早發(fā)現(xiàn)問題，避免經(jīng)濟(jì)損失。

對(duì)于敏感或高速的模擬器件通常需要向制造商索取EMC或信噪比方面的說明，以便于應(yīng)用于前期的電路設(shè)計(jì)和布板。

6.小結(jié)

模擬電路的抗干擾要從模擬器件的選擇階段著手，選擇EMC性能良好，參數(shù)穩(wěn)定的器件對(duì)保證產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。優(yōu)秀的器件加上良好的抗干擾設(shè)計(jì)才能保證批量生產(chǎn)的產(chǎn)品持續(xù)穩(wěn)定符合認(rèn)證要求。模擬電路的抗干擾技術(shù)主要是要解決模擬IC解調(diào)和互調(diào)射頻噪聲過高的問題，采用的方法可以是抑制或屏蔽干擾源，使暴露于射頻信號(hào)中的模擬線路盡量線性和穩(wěn)定，濾波，接地，采用匹配良好的傳輸線，采用平衡輸入輸出等方法。

[1]威廉斯(英國)著.電磁兼容設(shè)計(jì)與測試[M].電子工業(yè)出版社.

[2]尼曼(美國)著.電子電路分析與設(shè)計(jì)(第3版)模擬電子技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社.

[3]IEC61000-4-3:2006 Testing and measurement techniques-Radiated,radio-frequency, electromagnetic field immunity test.

[4]IEC61000-4-6:2003 Testing and measurement techniques-Immunity to conducted disturbances,induced by radio-frequency fields.