创新型电容器设计可以大大提供更多RFI抑制较小的包
史蒂夫堰和詹姆斯Muccioli
X2Y衰减器,有限责任公司
伊利,爸爸
仪表放大器敌对的噪音环境中经常使用。传感器电缆铅可能捡起大量的射频辐射,特别是如果他们是长和/或不能很好地保护。当应用于仪表放大器的输入,射频交流共模电压会导致直流整流,输出和一个重要的转变仪器放大器的操作点。
本文比较了传统解决方案与一个新的解决方案RFI抑制使用平衡的多层陶瓷电容器1(MLCC)改善模抑制和防止仪表放大器直流整流(In-amps)。
传统的解决方案
传统的共模滤波方法包括低通滤波器组成的电容器和共模堵塞2。理想的RFI抑制滤波器的特点是:
- 插入任何衰减和相位失真信号通带内。
- 插入无限通带外衰减。
- 是完美的平衡,它介绍了没有共模噪声转换微分信号,反之亦然。
当使用一个电容器,介电材料选择RFI滤波器时是一个重要的考虑因素。例如,话筒的(压电)影响X7R介质类型会导致不必要的信号失真。保护信号保真度,放大器制造商经常指定高质量的塑料薄膜电容器。
一个共同的出发点就是应用一对电容低通滤波器;一个电容器差分输入的每个跟踪。上方的电容在每条腿拒绝RFI滤波器截止频率(图1)。
共模和差通带的结果是:
Fpole_cm= 1 /(2 *π* R1* C1)。
然而,R1A / C1A之间不匹配,R1B附近/ C1B导致响应滤波器截止是不平等的。这种不匹配将大量的共模噪声转换为微分噪音。这个过滤器安排的模式变换可以很容易地减少指定的80 - 140 dB CMRR的高质量的测量放大器到30 dB或更少。传统的解决这个问题是桥梁一个较大的值“X”在这两个“Y”电容器电容。大“X”电容器有效短裤sig_out节点,从而使得车内外的响应差异R1A / C1A和R1B / C1B模截止频率(图2和3)。
“X”电容器并联有两个作用:
- 模平衡的效果
- 差分信号滤波的不受欢迎的副作用
为了减少不平衡的影响,我们需要C2 > > C1。微分信号极点出现在:
Fpole_dm= Fpole_cm* C1/ ((2 * C2)+ C1C)≈1/ (2 * C2)
更大的两个R1X / C1X网络之间的不匹配,需要比越大C1和C2之间,因此我们投降的微分信号带宽越多的名义RFI过滤。与0.1%或更好的匹配电阻时很容易获得,一般来说,高质量的薄膜电容器有限公差+ / -2%。此外,任何不匹配板布局,制造公差,或者残留可以颠覆的价值昂贵的紧公差设备。
模堵塞
RC低通滤波器作为一种替代方法,可以使用共模扼流圈。在基于CM阻塞过滤器,窒息在每条腿插入一个串联电感。个人之间的耦合电感器取消通量从差动电流,并增加了通量从常见的电流。理想的共模扼流圈和完美的匹配和绕组之间的耦合是完全透明的微分信号,并提出了非常高的阻抗模噪音。
CM窒息的主要优势是,通带信号可以延伸到CM拒绝乐队。为此,源和负载都应该低阻抗,如50 - 150欧姆传输接口。高负载阻抗负载限制衰减,窒息的实际制造公差,和应用程序PCB。另一个问题要注意高Q电容负载。由此产生的过滤器可以在截止频率峰值强烈,这会导致噪声增益(图4)。
一个平衡的MLCC的解决方案
X2Y电容器是一个平衡MLCC的解决方案有三个独立的电气通路在单个设备,连接到四个外部连接(图5):
G1和G2终端内部连接到一个共同的参考(盾牌)内电极装置,和方式板块分开的参比电极。静电,三个电节点是由两个电容部分共同G1 / G2参考电极所有包含在一个陶瓷的身体。结果是一个平衡装置,提供了独特的优势需要低失真和高共模抑制电路:
- 两个电容半自动匹配
- 电压和温度偏差是平衡的
- 老化对介质的影响是相等的
- 介质压力(压电效应)反对在设备里。
这种独特的单一组件建设促进平衡板布局;单独的过滤设备分流多余的PCB板地面使用独立的电流路径,平衡设备分流多余的电流使用共享的路径;第一次内部G1 / G2参比电极,然后通过平行地面PCB电路G1 / G2终止连接到一个垫在黑板上。
平衡MLCC内部板结构的解决方案形成一个集成无源电路(IPC)和非常有趣的磁性。该设备结构有效的功能就像一个自耦变压器/共模扼流圈。这个变压器结构的几何可以显著降低寄生电感,有效GHz。多层的ESR X2Y电容器范围从100毫欧姆最小的电容器,为更大的设备几毫欧姆。在频率远高于安装电容器SRF,电感阻抗占主导地位。要理解操作,我们简化忽略了系列ESR、功放,并检查微分和共模信号响应:
B不同信号,自耦变压器出现作为一个电感器与两次转变为o G1 / G2绕组,因此电感的4倍。相反,从A和B模势G1 / G2领域反对,剩下的电感的区别是一个o G1 / G2的电感,和耦合系数乘以B o G1 / G2电感。
对比电容的解决方案
X2Y的电感耦合电容器用于平衡电流在每个设备的一半,因此每个过滤器所呈现的复杂的共模阻抗腿PCB地。结合内在紧密匹配的电容,IPC保存CMRRs高,不仅在音频频率分成低GHz,没有性能影响“X”电容器。
例如,考虑一个仪表放大器使用传统3-capacitor“X”+ 2 Y过滤器(图7)。
相比,相同的放大器和一个10 nf额定X2Y电容器,3传统的“X”电容器电路出现在微分信号通路。如图10所示的值,微分碾轧始于2 kHz,而共模滤波不开始直到40 kHz。
另一方面,平衡X2Y电路只包含两个“Y”电容器。截止频率的共模和差信号现在是一样的:4 kHz。由于电容器半紧平衡,压电效应大小相等,方向相反,取消了。这允许我们使用陶瓷X2Y电容器产生很少或没有信号失真,我们无法与传统的离散滤波器。
对电路、模抑制共模截止的增加20 dB /十年直到安装电容器的自已谐振频率。衰减然后减少20 dB /十年直到稳定在设备安装ESL的比率除以ESL和电路串联电感。
的2 - Y配置X2Y电容器展品低有效电感比传统电容器。这提供更大的RFI衰减比离散方案相似的信号带宽。
上面的电路响应如图10所示,平衡MLCC的解决方案保持33-dB优势从100千赫至100兆赫,更高频率和一个重要的优势。在这个例子中,X2Y电容信号带宽是4 kHz和2千赫的常规配置。设置设备的信号带宽2 kHz将增加插入损耗X2Y 39 dB +的优势。
测试结果
测试电路建立了使用:
- 传统的“X”+ 2 Y电容器配置如图7所示。
- 共模扼流圈的解决方案如图4所示。
- 平衡环电容滤波器如图5所示。
输入被卖空连同50欧姆分流地面和驱动1 V p p, 1千赫至10 MHz扫描信号输入并联来衡量。
所有三个过滤器执行如预期,抑制RFI整改,可见作为一个直流输出的转变。表现出很好的模抑制两个电容电路解决方案。
结论
小说结构和等效电路的平衡MLCC唯一适合RFI抑制应用程序:
- 相比传统的“X”+ 2“Y”过滤器,一个平衡MLCC简化了滤波电路,印刷电路板上的使用大大减少空间实现相同的结果三个塑料薄膜电容器。
- 共模扼流圈的解决方案相比,这个设备提供更多RFI抑制在远远小于包中。
- X2Y电容器使用标准X7R介质代替专用薄膜介质提供成本效益RFI抑制在一个包大大小于传统过滤解决方案测试。
只有X2Y电容器组合features-tightly匹配电容和集成GHz模磁学。除了使用射频识别输入过滤器,进一步提高了放大器电路代替一个X2Y电容器的四个传统电容器用于绕过,允许进一步简化,减少尺寸和成本节约。
尾注
- X2Y®电容器,www.x2y.com
- Kitchin,查尔斯和卢。设计师的指导仪表放大器,第三版。“设计实用RFI滤波器”页5 - 12和“In-Amp RFI滤波器共模使用射频窒息”5 - 20页。模拟装置,2006。
- 共模滤波器使用X2Y®电容器、pp 5-19
史蒂夫堰,技术人员,X2Y衰减器,有限责任公司是一个独立的顾问/ 20年的+行业经验与广泛的电路设计技术。史蒂夫拥有17项美国专利,并架构基于TDM和包交换产品,专利和咨询是一个常见因素SI-list信号完整性反射器。电子邮件:(电子邮件保护)。
詹姆斯Muccioli首席技术官,X2Y衰减器,有限责任公司有超过二十年的EMC经验,与戴姆勒克莱斯勒和联合技术是19项专利的发明人或者合作发明者在戴姆勒克莱斯勒。吉姆在EMC设计的丰富经验,分析,测试和是一个活跃的成员SAE j - 1113 / - 551 EMC委员会。吉姆是一个NARTE EMC认证和ESD工程师。电子邮件:(电子邮件保护)。