用輸入濾波器防止儀表放大器射頻整流誤差
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作者：Moshe Gerstenhaber
時(shí)間：2005-11-10
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儀表放大器用于需要從大共模噪聲或干擾中提取微弱差分信號(hào)的各種設(shè)備。但是，設(shè)計(jì)師常常會(huì)忽視儀表放大器內(nèi)存在的潛在射頻整流問(wèn)題。放大器的共模抑制通常能大大減小儀表放大器輸入端的共模噪聲。但遺憾的是，射頻整流仍然會(huì)發(fā)生，這是因?yàn)榧词棺詈玫?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/儀表放大器">儀表放大器在頻率高于20kHz時(shí)實(shí)際上也不能抑制共模噪聲。放大器的輸入級(jí)可能會(huì)對(duì)強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行整流，然后以直流偏移誤差的形式出現(xiàn)。一旦輸入級(jí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行整流，儀表放大器輸出端的低通濾波就無(wú)法消除這種誤差。再說(shuō)，如果射頻干擾是間歇干擾，則測(cè)量誤差就可能檢測(cè)不出來(lái)。解決這一問(wèn)題的最佳實(shí)用方案是利用差分低通濾波器在儀表放大器之前對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行衰減。差分低通濾波器必須盡可能多地消除輸入線路中的射頻能量，在每條輸入線路與地（公用）之間保持交流信號(hào)的“平衡”，并在測(cè)量帶寬內(nèi)保持足夠大的輸入阻抗，以避免信號(hào)源增加負(fù)載。圖1是各種各樣的差分射頻干擾（RFI）濾波器的基本方框圖。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/9678.htm
元件值均是最新一代儀表放大器元件的典型值，如AD8221，其-3dB帶寬典型值為1MHz，電壓噪聲電平典型值為7nV/ Hz。濾波器除了抑制RFI之外，還具有輸入過(guò)載保護(hù)功能；電阻器R1A和R1B有助于將儀表放大器的輸入電路與外部信號(hào)源隔離開(kāi)來(lái)。圖2示出了簡(jiǎn)化的RFI濾波電路。圖2表明，濾波器組成一個(gè)其輸出信號(hào)加在儀表放大器輸入引腳上的電橋電路。由于這種連接方法的緣故，C1A/R1A和C1B/R1B兩個(gè)時(shí)間常數(shù)之間的任何失配都會(huì)使橋路失去平衡，從而降低高頻共模抑制功能。因此，電阻器R1A和R1B，電容器C1A和C1B，都應(yīng)始終相等。電容器C2跨接在電橋的輸出端，以便與C1A和C1B的串聯(lián)組合有效地并聯(lián)。這樣連接的C2就能有效降低由失配引起的任何交流共模抑制誤差，例如，使C2的電容量為C1的10倍，就能將C1A/R1A失配引起的共模抑制誤差降低到二十分之一。要注意的是，該濾波器不影響直流共模抑制功能。
RFI濾波器有兩種帶寬，即差分帶寬和共模帶寬。差分帶寬確定濾波器在電路兩個(gè)輸入端+IN和-IN加有差分信號(hào)時(shí)的頻率響應(yīng)。兩個(gè)阻值相等的電阻器R1A和R1B之和以及差分電容，即與C1A和C1B串聯(lián)組合并聯(lián)的C2，確定了這一RC時(shí)間常數(shù)。該濾波器的-3dB差分帶寬等于BWDIFF=[1/(2πR(2C2+C1))]。共模帶寬確定在兩個(gè)連接在一起的輸入端和接地之間“看到”的共模射頻信號(hào)。C2不影響共模射頻信號(hào)的帶寬，因?yàn)檫@一電容連接在兩個(gè)輸入端之間，有助于兩個(gè)輸入端保持相同的射頻信號(hào)電平。因此，兩個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)（R1A/C1A和R1B/C1B）的對(duì)地并聯(lián)阻抗可確定共模帶寬。-3dB共模帶寬等于BWCM=1/(2πR1C1)。
使用圖1所示電路，如果C2=0.01μF，則-3dB差分信號(hào)帶寬約為1900Hz。當(dāng)該電路增益為5時(shí)，其已測(cè)得的直流偏移在10Hz～20MHz頻率范圍內(nèi)小于6μV（以輸入端為基準(zhǔn)）。當(dāng)增益為1時(shí)，就不存在可測(cè)量的直流偏移漂移。有些儀表放大器要比另一些儀表放大器更容易發(fā)生射頻整流現(xiàn)象，也許需要用一個(gè)更可靠的濾波器。輸入級(jí)電流很小的微功耗儀表放大器，如AD627，就是一個(gè)范例。加大兩個(gè)輸入電阻器R1A / R1B的阻值、加大C2的電容值或者兩者同時(shí)加大這種簡(jiǎn)便方法，能進(jìn)一步使射頻信號(hào)衰減，但卻會(huì)減小信號(hào)帶寬。選擇RFI濾波器元件值的一些步驟如下：
1、確定兩只串聯(lián)電阻器的阻值，確保前面的電路足以驅(qū)動(dòng)這一阻抗。這兩只電阻器在其典型阻值為2~10kΩ時(shí)產(chǎn)生的噪聲不應(yīng)大于儀表放大器本身的噪聲。使用兩只2kΩ的電阻器，會(huì)增加8nV/ Hz的約翰遜噪聲。使用4kΩ電阻器和使用10kΩ電阻器，會(huì)使約翰遜噪聲分別增加到11nV/ Hz和18nV/ Hz。
2、選擇合適的C2電容值，因?yàn)镃2電容值決定濾波器的差分（信號(hào)）帶寬。在不衰減輸入信號(hào)的情況下，這一電容值要選得盡可能小。10倍于最高信號(hào)頻率的差分帶寬通常綽綽有余。
3、選擇電容器C1A和C1B的電容值。這兩只電容器的電容值決定共模帶寬。為了獲得較好的交流共模抑制性能，這兩電容器的電容值應(yīng)為C2電容值的10%或10%以下。共模帶寬應(yīng)始終小于增益為1時(shí)儀表放大器帶寬的10%。
你應(yīng)當(dāng)使用一塊兩面都有地平面的印制電路板來(lái)制造RFI濾波器。所有元件引線應(yīng)盡可能短。電阻器R1A和R1B可采用普通1%金屬膜電阻器。但是，所有三只電容器都必須是Q值相當(dāng)大的低損耗電容器。C1A和C1B必須是公差為
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