利用平衡式MLCC抑制RF干扰-Read.doc

利用平衡式MLCC抑制RF干扰 窗体底端 仪表放大器通常工作在噪声嘈杂的环境中。传感器端的线缆可能会拾取大量的RF辐射，尤其是当线缆很长或者没有屏蔽措施。当输入仪表放大器时，RF AC共模电压可能导致产生DC整流和由此引发的仪表放大器输出工作点漂移。 本文比较了传统的和一种新的解决方案。新方案使用一种平衡式多层陶瓷电容(MLCC)来提高共模抑制和防止仪表放大器(In-amps)中的DC整流。 传统解决方案 传统共模滤波方法包括由电容和共模扼流器组成的低通滤波器。理想RF干扰抑制滤波器的特性如下：1. 在信号通频带中没有插入衰减或者相位失真。 2. 在信号通频带外插入无限衰减。 3. 极佳的平衡性，不会导致任何的共模噪声到差分信号的转换，反之亦然。 选择滤波器时，如果使用电容，那么介质材料是需要认真考虑的。例如，X7R型的介质材料内部的颤噪(压电)效应会产生有害的信号失真。为了保持信号保真度，放大器生产商通常指定使用高质量的塑料薄膜电容。 通常的起点是简单地使用一对电容作为低通滤波器；每个电容分别接入到差分输入线路两端。每只引脚上的电容滤波器抑制高于截止频率的RF干扰。 共模和差分通频带简化为： 但是，R1A/C1A之间、R1B/C1B之间不匹配会导致在滤波器截止频率附近响应不相等。该不匹配会将 大量共模噪声转化为差分噪声。此滤波器电路的模式转化能够轻易地将标明为80-140dB CMRR(共模抑制比)的高质量仪表放大器的CMRR减少到30dB或者更少。此问题的传统解决方案是在2个‘Y’电容之间连接1个大容量的‘X’跨接电容。大容量的‘X’电容有效地短接了信号输出(sig_out)节点，从而补偿了R1A/C1和AR1B/C1B在共模截止频率附近不同响应(图2和图3)。 图1：‘Y’共模RFI滤波器。 图2：‘X’+2‘Y’共模RFI滤波器。 如50~150Ω传输接口。与扼流器实际生产精度和PCB应用一样，高负载阻抗会引入有限的衰减。进一步需要关注的问题是高Q容性负载。相应的滤波器能够在截止频率附近保持很强的峰值，这能够产生噪声增益(图4，如图4所示)。 图3：信号vs. RFI滤波: 4kHz=“X”+2“Y”, 220pF“Y.” 。 ‘X’并联电容有两种效应： 1. 想要得到的共模平衡效应；2. 不希望得到的差分信号被过滤的副效应。 为了减少失衡效应，需要C2C1。差分信号极点应为： 两个R1X/C1X网络之间的不匹配越大，所要求的 C2和C1之间的比值越大，因此更多的差分信号带宽以RFI滤波的名义损失了。当电阻精度为0.1%或者更好，是容易获得的，典型地，高质量的薄膜电容的容值精度限制在+/2%的。另外，来自电路板结构的任何不匹配，制造精度，或者残留物都能够破坏高精度元器件带来的价值。 共模扼流器 作为RC低通滤波器的替代方案，使用一个共模(CM)扼流器。在基于CM扼流器滤波器内部，扼流器在每只引脚上引入了串联感抗。各自电感之间的耦合抵消了来自差分电流的通量并且增加了来自共模电流的通量。理想共模扼流器，线圈之间完全匹配和耦合，对差分信号完全透明，而且对共模噪声表现出非常高的阻抗。 CM扼流器的主要优点是信号通频带能够延伸到CM抑制带。为了达到这种效果，源和负载必须同时是低阻抗如50-150欧姆(Ohm)传输接口。与扼流器实际生产精度和PCB应用一样，高负载阻抗会引入有限的衰减。进一步需要关注的问题是高Q容性负载。相应的滤波器能够在截止频率附近保持很强的峰值，这能够产生噪声增益(如图4所示)。 一种平衡式MLCC的解决方案 1个X2Y电容是一种平衡的MLCC解决方案，其内部有三条不同的电信号通道，有四个外部连接端口(图5)。 G1和G2端口内部连接到器件内一个共用参考(屏蔽)电极，并且AB板由此参考电极隔离。根据静电学理论，三个电节点由两个共用同一G1/G2参考电极的半个电容形成，所有电极封装在一个陶瓷体中。其结果是一个平衡器件，它能发挥独有的优势用于那些要求低失真和高共模抑制的电路，将这些优势列出如下：1. 两半个电容都自动匹配；2. 电压和温度的偏置相同；3. 电介质的老化效应相同；4. 器件内电介质应力(压电效应)相反。 这一独有的单部件构造使得平衡式PCB板面设计变得容易；不同的滤波器通过不同的通路旁路有害电流到PCB板地层，而平衡器件则通过共用一条线路旁路有害电流；首先到内部G1/G2参考电极，然后通过平行的G1/G2终端连接到板层中的单个焊点。 平衡MLCC解决方案的内部极板结构形成了一个集成的无源电路(Integrated Passive Circuit，IPC)，该电路具有非常有趣的电磁属性。该器件结构像一个自耦变压器/共模扼流器有效地起作用。该变