在醫療設備、汽車儀器儀表和工業控制等科技領域中，當設備設計涉及應變計、傳感器接口和電流監控時，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信號，并抑制共模電壓和噪聲等無用信號。首先，設計人員將集中精力確保器件級噪聲、失調、增益和溫度穩定性等精度參數符合應用要求。
然后，設計人員根據上述特性，選擇符合總誤差預算要求的前端模擬器件。不過，此類應用中存在一個經常被忽視的問題，即外部信號導致的高頻干擾，也就是通常所說的“電磁干擾（EMI）”。EMI可以通過多種方式發生，主要受最終應用影響。例如，與直流電機接口的控制板中可能會用到儀表放大器，而電機的電流環路包含電源引線、電刷、換向器和線圈，通常就像天線一樣可以發射高頻信號，因而可能會干擾儀表放大器輸入端的微小電壓。
另一個例子是汽車電磁閥控制中的電流檢測。電磁閥由車輛電池通過長導線來供電，這些導線就像天線一樣。該導線路徑中連接著一個串聯分流電阻，然后通過電流檢測放大器來測量該電阻上的電壓。該線路中可能存在高頻共模信號，而該放大器的輸入端容易受到這類外部信號的影響。一旦受到外部高頻干擾影響，就可能導致模擬器件的精度下降，甚至可能無法控制電磁閥電路。這種狀態在放大器中的表現就是放大器輸出精度超過誤差預算和數據手冊中的容差，甚至在某些情況下可能會達到限值，從而導致控制環路關斷。
EMI是如何造成較大的直流偏差呢？可能是以下一種情形：根據設計，很多儀表放大器可以在最高數十千赫的頻率范圍內表現出極佳的共模抑制性能。但是，非屏蔽的放大器接觸到數十或數百“兆赫”的RF輻射時，就可能會出現問題。此時放大器的輸入級可能會出現非對稱整流，從而產生直流失調，進一步放大后，會非常明顯，再加上放大器的增益，甚至達到其輸出或部分外部電路的上限。
關于高頻信號如何影響模擬器件的示例
本例將詳細介紹一種典型的高端電流檢測應用。圖1所示為汽車應用環境中用于監控電磁閥或其它感性負載的常見配置。
圖1. 高端電流監控
我們采用兩個具有類似設計的電流檢測放大器配置，研究了高頻干擾的影響。這兩個器件的功能和引腳排列完全相同；不過，其中一個內置EMI濾波器電路，而另一個則沒有。
圖2. 電流傳感器輸出 （無內置EMI濾波器，前向功率 = 12 dBm， 100 mV/分頻，3 MHz時直流輸出達到峰值）
圖2所示為輸入在較寬頻率范圍內變化時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，偏差最為顯著（》0.1 V），且3 MHz時直流誤差達到最大值（1 V），這在放大器0 V至5 V的輸出電壓范圍中占據很大比例。
圖3所示為采用另一種引腳兼容電流傳感器時相同實驗和配置的測試結果，其中電流傳感器具有與之前示例相同的電路架構和類似的直流規格，但是內置輸入EMI濾波電路。注意，電壓范圍擴大了20倍。
圖3. 電流傳感器輸出 （內置EMI濾波器，前向功率 = 12 dBm， 5 mV/分頻，》100 MHz時直流輸出達到峰值）
這種情況下，40 MHz時誤差僅為3 mV左右，且峰值誤差（大于100 MHz時）小于30 mV，性能提高35倍。這點清楚地表明，內置EMI濾波電路有助于顯著提高電流傳感器防護性能，使其免受輸入端存在的高頻信號影響。在實際應用中，盡管并不清楚EMI的嚴重程度，但是如果使用內置EMI濾波功能的電流傳感器，實際上控制環路將會保持在其容差范圍內。
這兩種器件都在完全相同的條件下進行測試。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，但是由于應用通常由PWM進行控制，這種情況下電流檢測放大器必須能夠承受最高45 V的連續開關共模電壓。因此，要保持精確的高增益和共模抑制性能，輸入濾波器必須嚴格匹配。
在醫療設備、汽車儀器儀表和工業控制等科技領域中，當設備設計涉及應變計、傳感器接口和電流監控時，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信號，并抑制共模電壓和噪聲等無用信號。首先，設計人員將集中精力確保器件級噪聲、失調、增益和溫度穩定性等精度參數符合應用要求。
然后，設計人員根據上述特性，選擇符合總誤差預算要求的前端模擬器件。不過，此類應用中存在一個經常被忽視的問題，即外部信號導致的高頻干擾，也就是通常所說的“電磁干擾（EMI）”。EMI可以通過多種方式發生，主要受最終應用影響。例如，與直流電機接口的控制板中可能會用到儀表放大器，而電機的電流環路包含電源引線、電刷、換向器和線圈，通常就像天線一樣可以發射高頻信號，因而可能會干擾儀表放大器輸入端的微小電壓。
另一個例子是汽車電磁閥控制中的電流檢測。電磁閥由車輛電池通過長導線來供電，這些導線就像天線一樣。該導線路徑中連接著一個串聯分流電阻，然后通過電流檢測放大器來測量該電阻上的電壓。該線路中可能存在高頻共模信號，而該放大器的輸入端容易受到這類外部信號的影響。一旦受到外部高頻干擾影響，就可能導致模擬器件的精度下降，甚至可能無法控制電磁閥電路。這種狀態在放大器中的表現就是放大器輸出精度超過誤差預算和數據手冊中的容差，甚至在某些情況下可能會達到限值，從而導致控制環路關斷。
EMI是如何造成較大的直流偏差呢？可能是以下一種情形：根據設計，很多儀表放大器可以在最高數十千赫的頻率范圍內表現出極佳的共模抑制性能。但是，非屏蔽的放大器接觸到數十或數百“兆赫”的RF輻射時，就可能會出現問題。此時放大器的輸入級可能會出現非對稱整流，從而產生直流失調，進一步放大后，會非常明顯，再加上放大器的增益，甚至達到其輸出或部分外部電路的上限。
關于高頻信號如何影響模擬器件的示例
本例將詳細介紹一種典型的高端電流檢測應用。圖1所示為汽車應用環境中用于監控電磁閥或其它感性負載的常見配置。
圖1. 高端電流監控
我們采用兩個具有類似設計的電流檢測放大器配置，研究了高頻干擾的影響。這兩個器件的功能和引腳排列完全相同；不過，其中一個內置EMI濾波器電路，而另一個則沒有。
圖2. 電流傳感器輸出 （無內置EMI濾波器，前向功率 = 12 dBm， 100 mV/分頻，3 MHz時直流輸出達到峰值）
圖2所示為輸入在較寬頻率范圍內變化時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，偏差最為顯著（》0.1 V），且3 MHz時直流誤差達到最大值（1 V），這在放大器0 V至5 V的輸出電壓范圍中占據很大比例。
圖3所示為采用另一種引腳兼容電流傳感器時相同實驗和配置的測試結果，其中電流傳感器具有與之前示例相同的電路架構和類似的直流規格，但是內置輸入EMI濾波電路。注意，電壓范圍擴大了20倍。
圖3. 電流傳感器輸出 （內置EMI濾波器，前向功率 = 12 dBm， 5 mV/分頻，》100 MHz時直流輸出達到峰值）
這種情況下，40 MHz時誤差僅為3 mV左右，且峰值誤差（大于100 MHz時）小于30 mV，性能提高35倍。這點清楚地表明，內置EMI濾波電路有助于顯著提高電流傳感器防護性能，使其免受輸入端存在的高頻信號影響。在實際應用中，盡管并不清楚EMI的嚴重程度，但是如果使用內置EMI濾波功能的電流傳感器，實際上控制環路將會保持在其容差范圍內。
這兩種器件都在完全相同的條件下進行測試。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，但是由于應用通常由PWM進行控制，這種情況下電流檢測放大器必須能夠承受最高45 V的連續開關共模電壓。因此，要保持精確的高增益和共模抑制性能，輸入濾波器必須嚴格匹配。
設計和測試時為何以及如何保證EMI兼容性
汽車應用對EMI事件尤其敏感，而在由中央電池、捆綁線束、各種感性負載、天線以及與汽車相關的外部干擾構成的嘈雜電氣環境中，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鍵功能控制都涉及到電子設備，因此必須保證EMI兼容性，絕不容許因外部干擾而出現誤報或誤觸發。早先，EMI兼容性測試是汽車應用中的最后一項測試。如果出現差錯，設計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計成本，并給工程師造成了很多麻煩。一直以來，汽車行業都在采取切實措施來改善EMI兼容性。由于設備必須符合EMI標準，汽車OEM廠商現在要求半導體制造商（如ADI公司）必須在器件級執行EMI測試，然后才會考慮采用其生產的器件。現在，這一流程已經普及，所有IC制造商都使用標準規格來測試器件的EMI兼容性。
如欲了解各類型集成電路的標準EMI測試要求，請向國際電工委員會（IEC）購買獲取相關文檔。通過IEC 62132和IEC 61967等文檔則可以了解EMI和EMC，其中非常詳細地描述了如何使用業界公認的標準來測試特定集成電路。上述各種測試都是根據這些指南說明進行的。
具體而言，這些測試都采用 “直接功率注入法”完成，這是一種通過電容將RF信號耦合至特定器件引腳的方法。根據待測IC的類型，針對不同的RF信號功率水平和頻率范圍，測試器件的每路輸入。圖4顯示了在特定引腳上執行直接功率注入測試的原理示意圖。
圖4. 直接功率注入
這些標準中包含電路配置、布局方法和監控技術方面的大量必要信息，有助于正確理解器件測試成功與否。更為完整的IEC標準原理圖如圖5所示。
圖5. EMI耐受性測試原理圖
總結
集成電路的EMI兼容性是電子設計能否成功的關鍵所在。本文僅從放大器是否內置EMI濾波器出發，介紹了兩款非常類似的放大器執行直流測量時，在RF環境中的直流性能有何顯著差別。在汽車應用中，考慮到安全性和可靠性時，EMI是一個非常重要的方面。如今，在設計和測試針對關鍵應用的器件時，IC制造商（如ADI公司）日益重視EMI耐受性方面的考慮因素。IEC標準非常詳細地說明了有用的相關指導原則。對于汽車應用市場，AD8207，AD8208和AD8209等電流檢測器件都通過了EMI測試。鋰離子電池安全監控器AD8280 和數字式可編程傳感器信號放大器AD8556等新款器件經過專門設計和測試，符合EMI相關要求。
附錄
AD8208的更多詳情：AD8203（圖A）是一款單電源差動放大器，非常適合在大共模電壓情況下放大和低通濾波小差分電壓。采用+5 V單電源供電時，輸入共模電壓范圍為-2 V至+45 V。該款放大器提供增強的輸入過壓和ESD保護，并內置EMI濾波功能。
圖A. AD8208差動放大器
AD8208具有出色的交流和直流性能，且通過相關認證，適合要求采用穩定可靠的精密器件來改善系統控制的汽車應用。失調和增益漂移典型值分別小于5 µV/°C和10 ppm/°C。該器件提供SOIC和MSOP兩種封裝，在DC至10 kHz范圍內共模抑制比（CMR）最小值為80 dB。
另外提供一個外部可用的100kΩ電阻，可用來進行低通濾波以及建立20以外的增益。
關于作者
Henri Sino ［henri.sino@analog.com］是ADI公司馬薩諸塞州威爾明頓市集成放大器產品（IAP）部門的一名應用工程師。他擁有伍斯特理工學院電氣工程學士（BSEE）學位，畢業后就加入ADI公司，迄今已工作了六年。在此期間，Henri主要負責為汽車和通信應用市場方面的產品和客戶提供支持。