RFI整流原理分析和预防方法

　　公式1

　　该公式表明，二阶项的直流成分与HF噪声幅度VX的平方以及晶体管的静态集电极电流IC成正比。为了表明整流的这一特点，注意，在IC为1 mA条件下工作、具有10 mVpeak高频信号冲击的双极性晶体管的直流集电极电流变化约为38μA。
　　减少整流集电极电流需要减少静态电流或干扰幅度。由于运算放大器和仪表放大器输入级很少提供可调整静态集电极电流，迄今为止，减少干扰噪声VX水平还是最佳（也几乎是唯一）解决方案。例如，将干扰幅度减少2倍至5 mVpeak后，会使整流集电极电流产生4到1的净减少量。显然，这说明必须使杂散HF信号远离RFI敏感放大器输入端。
　　分析方法：FET RFI整流
　　参考文献1中也说明了JFET漏极电流的整流分析方法，在此恕不赘述。类似的方法也用于FET漏极电流整流分析，该电流与施加到其栅极的小电压VX成函数关系。公式2概括了FET漏极电流二阶整流项的评估结果。和BJT一样，FET二阶项也有交流和直流成分。此处给出了整流漏极电流直流项的简化公式，其中整流直流漏极电流与杂散信号，即VX幅度的平方成正比。
　　但是，公式2也说明，由FET和BJT产生的整流度的差异非常重要。

　　
　　公式 2

　　但是，在BJT中，集电极电流的变化与其静态集电极电流水平存在直接关系，JFET漏极电流的变化与处于零栅极-源极电压的漏极电流IDSS成正比，与其通道夹断电压VP的平方成反比，参数为几何参数，取决于过程。通常，用于仪表放大器和运算放大器输入级的JFET偏置时的静态电流约0.5·IDSS。因此，JFET漏极电流的变化与其静态漏极电流无关，所以也和工作点无关。
　　图2所示为BJT和FET之间二阶整流直流项的定量比较。本例中，双极性晶体管具有576μm2的单位发射面积，相对于用于20μA IDSS和2 V夹断电压的单位面积JFET。每个器件都在10μA条件下偏置，工作温度TA = 25℃。

　　

　　图2：BJT与JFET相对灵敏度比较

　　在相同的静态电流水平下，双极性晶体管中集电极电流的变化比JFET漏极电流的变化约大1500倍，这一结论非常重要。这就可以解释为什么FET输入放大器表现出的灵敏度小于大幅度HF激励。因此，它们可以提供更多RFI整流抗扰度。
　　根据上述内容，可以作出如下总结：由于用户几乎无法查看放大器的内部电路，防止因RFI导致IC电路性能下降对IC外部电路而言就显得尤为重要。
　　上述分析表明，无论采用哪种类型的放大器，RFI整流都与干扰信号幅度的平方成正比。因此，为了尽可能减少精密放大器中的RFI整流，必须在输入级之前减少或消除干扰电平。减少或消除干扰噪声的最直接方法是适当滤波。
　　减少运算放大器和仪表放大器电路中的RFI整流
　　EMI和RFI会严重影响高精度模拟电路的直流性能。由于带宽相对较低，精密运算放大器和仪表放大器不会精确放大MHz范围内的RF信号。但是，如果这些带外信号能够通过精密放大器的输入、输出或电源引脚耦合至精密放大器，这些信号就会通过各种放大器结点进行内部整流，并最终在输出端导致不必要的直流失调。之前关于该现象的理论探讨已经说明其基本机制。下一步要介绍合适的滤波如何减少或消除这些误差。
　　合适的电源去耦可以将IC电源引脚上的RFI降至最低。放大器输入和输出还需要在器件级进一步探讨。此时，假定系统级EMI/RFI方法已经实现，如紧凑的RFI外形、正确接地的屏蔽层、电源轨滤波等。这些后续步骤可视为电路级EMI/RFI防护。
　　运算放大器输入
　　防止输入级整流的最佳方法是采用靠近运算放大器输入的低通滤波器，如图3所示。

　　

　　图3：用于运算放大器电路的简单EMI/RFI噪声滤波器

　　在左侧示意图的反相运算放大器中，滤波器电容C位于等值电阻R1-R2之间。由此可以得出简单的转折频率表达式，如图所示。在极低频率或直流情况下，电路的闭环增益为–R3/（R1+R2）。注意，C不能直接连接至运算放大器的反相输入，否则会产生不稳定性。所选的滤波器带宽至少为信号带宽的100倍，以便将信号损失降至最低。
　　在右侧示意图的同相运算放大器中，电容C可以直接连接至运算放大器输入，阻值为“R”的输入电阻会和反相运算放大器产生相同的转折频率。两种情况下都应采用低电感芯片式电容，如NP0陶瓷电容。电容在任何情况下都不应出现损耗或电压系数问题，因此只能选用上述NP0陶瓷电容或薄膜型电容。
　　需要注意的是，可以用铁氧体磁珠代替R1，但是，铁氧体磁珠阻抗无法精确控制，一般不超过100Ω（10 MHz至100 MHz时）。因此，需要采用容值较大的电容来衰减低频。
　　仪表放大器输入
　　由于存在共模（CM）EMI/RFI，精密仪表放大器对直流失调误差尤为敏感。这和运算放大器中存在的问题很像。而且，和运算放大器相比，采用低功耗仪表放大器时，EMI/RFI灵敏度问题尤为严重。
　　图4所示为仪表放大器器件级应用正确的通用滤波方法。实际上，该电路中的仪表放大器可以采用各种器件中的任何一种。仪表放大器之前相对复杂的平衡RC滤波器可以处理所有的高频滤波。仪表放大器可以通过其增益设置电阻，针对应用所需的增益进行编程（图中未显示）。