„Megállj” az elektromágneses zavarásnak
Mivel az elektromágneses interferencia (EMI) a legtöbb elektronikus készülék működését zavarja, beleértve olyan létfontosságúakat is, mint az orvosi és repüléstechnikai berendezések, a modern eszközökbe EMI-szűrőket építenek be, hogy még erősen zavart elektromágneses környezetben is helyesen működhessenek.
Néhány módszer erősítők EMI-problémáinak megoldására
Egy elektromágneses zavarszűrő (EMI-szűrő) tipikusan arra szolgál, hogy csökkentse a táp- és/vagy jelvezetékeken terjedő, vezetett elektromágneses zavarok hatását. Arra is gyakran használják, hogy megakadályozzák magában a készülékben keletkező elektromágneses zavarójelek kijutását éppúgy, mint az idegen készülékekből eredő zavarok befogadását. Ezzel elősegítik, hogy a készülék elektromágnesesen kompatibilis legyen (EMC, azaz viseljen el egy bizonyos, elfogadható szintű, külső eredetű zavart, ugyanakkor ne állítson elő más készülékek számára kezelhetetlen mértékű zavaró hatást – A szerk. megj.)
Egy EMI-szűrőnek jelentős mértékű reaktív impedanciát kell tartalmaznia. Ez azt jelenti, hogy a szűrőnek a frekvencia növekedtével egyre nagyobb csillapító hatást kell képviselnie. Ez a nagy impedancia lecsökkenti, csillapítja ezeket a nagyfrekvenciás jeleket, hogy azok minél kisebb mértékben zavarják a külső elektronikai egységek működését. A legtöbb EMI-szűrőt diszkrét elemekből építik fel, de a legújabb trend abba az irányba mutat, hogy az EMI-szűrőt magába az integrált áramkörbe építik be. A Microchip Technology is elkezdett olyan műveleti erősítőket és más lineáris elektronikai elemeket fejleszteni, amelyek bemenetén beépített EMI-szűrő található. Például az MCP642-család fokozott védelemmel rendelkezik a külső forrásokból érkező elektromágneses zavarok ellen, érkezzen az akár a hálózati energiaellátó rendszer, rádióállomások vagy mobilkommunikációs eszközök felől.
Csatolási mechanizmusok
A rendszer- és elektronikai áramkörtervezők számára az elektromágneses zavarforrások kategorizálásának legfontosabb módja azon alapul, milyen úton csatolódik a zavarójel az elektronikus áramkörhöz. Induktív csatolásról akkor beszélünk, ha az elektromágneses zavarforrás és az azt elszenvedő áramkör ugyanarra a földelési pontra csatlakozik. Bármilyen áram, ami az EMI-forrásból ebbe a közös földpontba befolyik, zavarófeszültséget kelt az EMI által zavart készülék bemenetén. Azok a jelek, amelyeknek jelentős nagyfrekvenciás komponensei is vannak, tehát nagy az áramváltozás sebessége (di/dt) az EMI-forrás kimenetén, nagyon hatékonyan csatolódnak az EMI-t elszenvedő áramkörbe, mivel a földsík impedanciája induktivitásként viselkedik ezekre a jelekre nézve. Ha visszacsatolási útvonal létezik a két áramkör között, a parazita jelek oszcillációt, gerjedést is okozhatnak. Ennek megszüntetésére elválasztott földcsatlakozást kell mindkét áramkör részére létesíteni, amelyeknek nincs közös impedanciakomponensük.
Az elnyomási arány
Egy műveleti erősítő elsődleges válasza az őt ért nagyfrekvenciás (RF) EMI-behatásra az ofszetfeszültség eltolódása (ofszet-hibafeszültség) megjelenése. Ez a hiba áttevődik a műveleti erősítő kimenetére, és ezen a módon a rendszer minőségromlását okozza. Az ofszetfeszültség eltolódása annak a következménye, hogy a váltakozó áramú EMI-jel nemlineáris konverzióval egyenfeszültséggé alakul át. A nemlineáris viselkedés okozói a belső pn-átmenetek, amelyek diódaként egyenirányítják az EMI-jeleket. Ezek között is a legfontosabbak a bementekre integrált védődiódák, amelyek az eszközt védik az elektrosztatikus kisülések okozta károsodás ellen. Az EMI által ilyen módon létrehozott hibafeszültség hozzáadódik az integrált áramkör meglevő, saját, DC-n mérhető ofszetfeszült-ségéhez.
Az a paraméter, amely egy műveleti erősítő ellenálló-képességét írja le az EMI-jelekkel szemben, az elektromágneses zavarelnyomási arány (ElectroMagnetis Interference Rejection Ratio – EMIRR). Ez számszerűen fejezi ki az RF-zavarójel hatását a műveleti erősítő minőségi paramétereire. Az újabb eszközök beépített passzív szűrőkkel rendelkeznek, amelyek javítják az EMIRR-adatot, ellentétben a régebbi modellekkel, amelyekbe ilyen belső szűrőket még nem építettek be. Ez azt jelenti, hogy az újabb típusokkal – a megfelelő nyomtatott áramkör-tervezési szabályok betartására ügyelve – jobb elektromágneses kompatibilitás (EMC) érhető el.
1. ábra Elemes tápellátás áramának érzékelése felsőoldali áramérzékelővel
Áramérzékelők
Az MCP6421/2/4 műveleti erősítők közös módusú bemenő-feszültség-tartománya, amely 0,3 V-tal mindkét irányban meghaladja a tápfeszültséget, igen alkalmassá teszi azokat a felső- és alsóoldali áramérzékelési alkalmazásokra teléptáplálású rendszerekben. Az alacsony nyugalmi áram segít az elemélettartam meghosszabbításában, a táptól tápig kivezérelhető (rail-to-rail) kimenet pedig az alacsony áramok érzékelésére is alkalmassá teszi azokat. Az 1. ábra egy felsőoldali áramérzékelő áramkört mutat. A 10 Ω-os ellenállást úgy méreteztük, hogy alacsony teljesítményveszteséget okozzon. Az elem árama (IDD) a 10 Ω-os ellenállás felső csatlakozási pontján az alsóhoz képest negatív feszültségesést okoz. Ez a műveleti erősítő közös módusú bemeneti feszültségét a VDD tápfeszültségnél negatívabb értékre állítja be, ami a megengedett tartományon belül van. A műveleti erősítő kimenete is a VDD feszültség alatt van, az erősítő maximális kimenőfeszültség-változási tartományán belül. A kisáramú áramérzékelésnek ezt a módját széles körben, még az automotív iparban is használják. Ezekben az alkalmazásokban – amennyiben a műveleti erősítőnek nincs megerősített EMI-védettsége – a parazita jelek következtében a mért áramérték hibás lehet.
A hiba elkerülésének hagyományos módszere a zavaró RF-jelek csökkentése, vagy annak elkerülése, hogy az a műveleti erősítő bemeneti fokozatára juthasson. Ez aluláteresző szűrő beépítésével érhető el, közel a műveleti erősítő bemenetéhez. E célt szolgálja például a 2. ábrán látható invertáló erősítő C szűrőkondenzátora, amely a két egyenlő értékű (2R) ellenállás közös pontja és a föld közé csatlakozik. Megjegyezzük, hogy a C kondenzátort nem szabad közvetlenül a műveleti erősítő invertáló bemenetére csatlakoztatni, mivel ez instabil működést okozhat. A jelveszteség elkerülése érdekében a szűrő sávszélességét érdemes a jel sávszélességének 20…30-szorosára választani. Mint ahogy az a 3. ábrán látható, neminvertáló erősítőnél a C kondenzátort viszont szabad közvetlenül a műveleti erősítő bemenetére csatlakoztani, és R értékű ellenállással és a C kondenzátorral ugyanaz a törésponti frekvencia adódik, mint az invertáló erősítőnél.
Mindkét esetben alacsony induktivitású, csipkivitelű kondenzátort célszerű használni. A kondenzátornak a lehető legkisebb ohmos veszteséggel kell rendelkeznie, és nem szabad feszültségfüggő tulajdonságokat mutatnia. Az ellenállás helyett a vezetékre fűzött ferritgyöngy is használható. Mivel azonban a ferritgyöngy impedanciája nem jól kontrollálható, és az impedancia a 10…100 MHz-es tartományban nem haladja meg a 100 Ω-ot, nagy értékű kondenzártort kell beépíteni annak érdekében, hogy alacsony frekvencián is megfelelő zavarcsillapítás jöjjön létre.
A precíziós instrumentációs erősítők (INA) különösen hajlamosak DC ofszethibát okozni közös módusú EMI vagy más nagyfrekvenciás zavarójel (RFI) jelenlétében. Ez nagyon hasonló a műveleti erősítőknél ismertetett jelenségre, csak az EMI-RFI-probléma még nagyobb a kisteljesítményű INA-alkalmazásokban.
Az EMI-RFI-hatásoktól az erősítők kimenetét is védeni kell, különösen, ha hosszú kábeleket kell meghajtaniuk, amely antennaként működik. Az erősítők kimenetére csatolódó RF-jelek a bemenetükre visszacsatolva egyenirányítódnak, és a kimeneten ismét csak DC-ofszethibaként jelennek meg.
2. ábra Invertáló erősítő külső EMI-szűrővel
Tippek és trükkök
Az EMI terjedésének természetes okozói az áramkörben akaratlanul kialakuló, hurokantennaként viselkedő részletek. Az áram nagysága, az EMI frekvenciája és a hurok területe határozza meg, hogy ez az „antenna” mennyire hatékony. Az EMI által indukált áram a hurok területével arányos. A legtöbb közös módusú zavart a kapacitív csatoláson keresztül terjedő, normál módusú EMI okozza. Minél nagyobb a zavarójel frekvenciája, annál erősebb a csatolás a NyÁK szomszédos vezetősávjai között. Emiatt a szomszédos elhelyezkedésű NyÁK-vezetősávok is antennaként működhetnek. A NyÁK-sávok és általában a huzalozás, amin a hurokáram átfolyik, ugyancsak antennaszerű működést eredményezhet, és részt vehet az EMI- és az RFI-jeleknek az áramkör bemenetére vagy kimenetére történő rácsatolásában. A szimmetrikus kábelezés és a differenciális jelvezetést megvalósító NyÁK-kialakítás ugyancsak segíthet a közös módusú, vezetett vagy indukált EMI által okozott problémák elkerülésében. (Itt jegyezzük meg, hogy amennyiben az alkalmazott aktív elem, pl. integrált áramkör a zavarójel frekvenciáján rendelkezik valamekkora közösjel-elnyomással (CMR – Common Mode Rejection), az is csökkenti a közös módusú EMI hatását – a közösjelelnyomás erejéig).
A szimmetrikus vezeték kérdésére visszatérve: az két azonos elrendezésű, egymáshoz közel, végig azonos távolságban futó, egymástól elszigetelt vezetőből áll, amelyek környezetében a szigetelőanyag dielektromos állandója sem változik. Emiatt a két vezeték impedanciája (közel) azonos, és mindkét vezetékben azonos EMI-feszültség és áram keletkezik. Ha viszont a vezetékezés kialakítása aszimmetrikus, mindegyik „nem azonos” vezetődarab eltérő elektromágneses környezetet „lát”, ha közös módusú EMI hatásának van kitéve. Amikor ez a hatás a vezetékpár végéhez kapcsolódó áramkört eléri, a két vezetékre eltérően ható EMI differenciális módusú feszültségként jelenik meg. Ha az alkalmazott aktív áramkör az EMI frekvenciáján erősíteni képes, az (immár elkülöníthetetlenül) bekerül az ezt követő jelútvonalba.
Két – egymástól szigetelőközeggel elválasztott – vezeték között kapacitás mérhető. A szigetelőközeg (dielektrikum) lehet bármi: levegő vagy vákuum, szilárd vagy folyékony szigetelőanyag. Ha az egyik vezetéken megváltozik a feszültség, ez töltésátrendeződést okoz a másik vezetékben, amit úgy értelmezünk, hogy a két vezeték közötti dielektrikumban „eltolási áram” folyik.
Ha egy vezeték időben változó árama által keltett mágneses fluxus egy másik vezetéket ér el, abban feszültséget indukál. Ezért a kölcsönös induktivitáson keresztül zavaró zaj juthat át egyik vezetékből a másikba, amelynek mértéke annál nagyobb, minél nagyobb az áram változási sebessége (a di/dt nagy értékű).
Annak érdekében, hogy a vezető útvonalakon terjedő közös módusú zaj terjedésének útját álljuk, előszor is csatolásmentesíteni kell a műveleti erősítő tápvezetékeit kis és nagy frekvencián egyaránt. Csökkentsük a közös impedanciát, küszöböljük ki a „közös használatú” áramutakat, használjunk kis impedanciájú elektrolit-kondenzátorokat a kisfrekvenciás; és kis értékű „helyi” induktivitásokat a nagyfrekvenciás jelek csatolásmentesítésére. Használjunk többrétegű NyÁK-huzalozást, ezen belül elkülönített föld- és tápsíkokat, és optimalizáljuk a rendszertervet. Néhány alkalmazásban, ahol az alacsony szintű hasznos jelek nagyszintű, közös módusú zajjal „találkoznak”, a káros hatásokat másképp elkerülni nem is lehet, csak a rendszer architektúrájának célszerű megváltoztatásával. A lehetséges változtatások köre nagyon széles: a differenciális jelvezetés, a jelek felerősítése a jel/zaj viszony megnövelése érdekében, a jelek továbbításánál a feszültség helyett az áramjelek használata, és végül, de nem utolsósorban a jelek digitális formába alakítása és feldolgozása.
A zajok terjedésének másik, nagyon általános módja az áthallás. Egy zajforrás közvetlen közelében nem tipikus az elektromágneses hullámok útján bekövetkező terjedés, hanem az induktív vagy kapacitív csatolással létrejövő áthallás válik jellemzővé.
A kapacitív úton csatolódó zaj csökkentésének módja a csatolókapacitás csökkentése. Ennek csak az egyik lehetséges módja a két vezetékdarab egymástól távolabb helyezése. A másik – gyakran hatásosabb – módszer az árnyékolás. Egy – gyakran Faraday-kalitkának nevezett – vezető anyagú, földelt, a zavarójel forrása és a zavarérzékeny csomópont közé helyezett árnyékoló felület a kapacitív eltolási áramot a föld felé irányítja át. Nem lehet eleget hangsúlyozni, hogy a Faraday-kalitkát földelni KELL. Egy „lebegő” árnyékolás semmit sem ér a kapacitív úton terjedő zaj ellen.
3. ábra Neminvertáló erősítő külső EMI-szűrővel
Összegzés
Az EMI a jelenkor valós problémája, amelynek hatása a legtöbb elektronikus eszközt érinti, beleértve az orvosi és repüléstechnikai – tehát valóban létfontosságú – berendezéseket is. A modern félvezetők beépített EMI-szűrővel rendelkeznek, ami még „mostoha” elektromágneses zajkörnyezetben is lehetővé teszi az áramkörök helyes működését. Az EMI-védettséggel ellátott műveleti erősítők hatékonyabbak a nagyfrekvenciás EMI elnyomásában, mint a hagyományos kivitelűek. Az utóbbiakat ezért külső, diszkrét elemekből megvalósított EMI-szűrőkkel kell ellátni.
Dragos-George Ducu, vezető architektúra- és alkalmazástechnikai mérnök ‑ Microchip Technology
www.microchip.com
Még több Microchip
Címkék: EMI | induktív | kapacitív | zajterjedés | zaj | EMIRR | CMR
