《電子技術(shù)應(yīng)用》
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縮放濾波器元件改善雜信號衰減
摘要: 在DC到低頻率感測器訊號調(diào)節(jié)應(yīng)用中,僅依靠儀表放大器的共模抑制比(common mode rejection ratio; CMRR),不足以在惡劣的工業(yè)環(huán)境中發(fā)揮穩(wěn)固的雜訊抑制效用。
Abstract:
Key words :

 

在DC到低頻率感測器訊號調(diào)節(jié)應(yīng)用中,僅依靠儀表放大器共模抑制比(common mode rejection ratio; CMRR),不足以在惡劣的工業(yè)環(huán)境中發(fā)揮穩(wěn)固的雜訊抑制效用。若要避免不必要的雜訊傳播,必須對儀表放大器輸入端低通濾波器中的各個(gè)元件進(jìn)行正確的匹配和調(diào)節(jié),才能以內(nèi)部電磁干擾/無線射頻干擾(EMI/RFI)濾波和CMRR使其他雜訊衰減,達(dá)到可以接受的訊號雜訊比(signal-to-noise ratio; SNR)。

  以圖1所示的低通濾波器實(shí)作為例。電阻感測器透過一個(gè)由RSX及CCM組成的低通濾波器網(wǎng)路,連接至一個(gè)高阻抗儀表放大器。在理想情況下,如果每條輸入接腳的CCM都完全匹配,則兩個(gè)輸入端共有的雜訊量將在到達(dá)INA輸入端之前降低。

  信號鏈基礎(chǔ)知識:縮放濾波器元件改善雜信號衰減

  共模濾波器電容(Ccm)完全匹配時(shí),雜訊幾乎完全衰減。圖2顯示TINA SPICE模擬中的這個(gè)結(jié)果,其中將一個(gè)100mVpp、100kHz的共模誤差訊號注入INA333輸入端。

  共模濾波器電容(Ccm)完全匹配時(shí),雜訊幾乎完全衰減。

  這種方法的問題是現(xiàn)成電容都有5%到10%的一般容差,如果各個(gè)接腳的Ccm反向不匹配,總差動容差便會高達(dá)20%。圖3更明確表示電容不匹配的情形,同時(shí)顯示電阻感測器輸出端的共模雜訊輸入(eN)情況。

 

這種輸入不匹配(?C)形成截止(cutoff)頻率誤差,使得共模雜訊eN差動進(jìn)入INA輸入

  這種輸入不匹配(?C)形成截止(cutoff)頻率誤差,使得共模雜訊eN差動進(jìn)入INA輸入,隨后經(jīng)過增益輸出而成為誤差電壓。等式1至3顯示到達(dá)輸入端的共模雜訊量:

  等式1

  等式2

  等式3

  假設(shè)感測器訊號Vsensor的頻率,遠(yuǎn)低于所有共模濾波器的雜訊截止頻率(cut-off frequency)(亦即fC≥100*fsensor),而且RS1=RS2,則轉(zhuǎn)換為差動雜訊訊號(eIN),成為VIN一部份的共模雜訊訊號(eN),如等式4所示:

  等式4

  等式4進(jìn)一步表明,輸入一個(gè)100mVpp、100kHz共模誤差訊號到INA333,而且1.6kHz濾波器截止頻率(cut-off frequency)RC錯(cuò)配(mismatch)為10%時(shí),所產(chǎn)生的誤差如下:

  顯示一種更有效且更常見的輸入濾波方法

  圖5顯示一種更有效且更常見的輸入濾波方法,其中是在儀表放大器輸入之間加入一個(gè)差動電容Cdiff。

 

加入這個(gè)電容還不能徹底解決問題,必須按照如下兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對Cdiff進(jìn)行調(diào)節(jié)

  加入這個(gè)電容還不能徹底解決問題,必須按照如下兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對Cdiff進(jìn)行調(diào)節(jié):

  差動截止頻率(cut-off frequency)必須夠高,才能遠(yuǎn)離訊號頻寬,并確實(shí)充分穩(wěn)定濾波。

  差動截止頻率(cut-off frequency)必須夠低,才能將共模雜訊降至可接受的程度,使得儀表放大器CMRR能夠進(jìn)行剩余雜訊抑制,最終達(dá)到可以接受的SNR。等式5呈現(xiàn)進(jìn)行這種調(diào)節(jié)的一般塬則:

  等式5

  圖6顯示VinP及VinN曲線圖與無Cdiff及Cdiff=1μF時(shí)兩種頻率的對比情況。必須注意的是,在沒有差動電容的情況下,INA333的輸出程度會有差別。如此的差別被放大至輸出,成為最終降低SNR的雜訊。Cdiff=1μF時(shí),VinP及VinN之間的差別最小。

  圖7顯示Cdiff=1μF時(shí)INA333輸出的整體雜訊效能改善情況

  圖7顯示Cdiff=1μF時(shí)INA333輸出的整體雜訊效能改善情況。

  概括而言,安裝于儀表放大器前端的低通濾波器應(yīng)該有一個(gè)差動電容,其程度至少應(yīng)該比共模電容高10倍

  概括而言,安裝于儀表放大器前端的低通濾波器應(yīng)該有一個(gè)差動電容,其程度至少應(yīng)該比共模電容高10倍。如此即可透過減小Ccm錯(cuò)配(mismatch)的影響,使得共模雜訊變?yōu)椴顒与s訊,而大幅提升濾波器的效率。

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