RFI:使设计远离噪声

技术分类: 模拟设计  消费电子设计  | 2008-03-31
Paul Rako,EDN技术编辑

  与之相比,GSM(全球移动系统)通信协议规定的是每 4.6 ms 一次 33 dBm 发射,因此干扰高于 TDMA 协议,后者发射为 20 dBm(图 3)。图 2 和图 3 表示的是实际系统中的干扰,在这种情况下,GSM 干扰是 100mV,而 TDMA 手机为 5mV。在汽车收音机和普通收音机中听到的干扰并不是 900MHz 的突发信号,而是由于系统中的非线性而出现在 IC 甚至导线上的突发信号重复性包络。RF 专家 James Long 认为,所有电子器件都有发射能力,它是输入信号的一个幂级数。即:VOUT=VIN×k1+VIN2×k2+VIN3×k3,这是一个趋向于无穷大的级数,k 表示一个常数。于是会出现很多额外频率,包括解调的干扰信号基带。应用包括那些依赖于反馈的非线性电路降低失真的部分。在较高频率时不存在反馈效果,因此系统不能抵抗 RFI(参考文献 3、4 和 5)。

图3GSM标准的信号包络为217Hz频率由于电平较高而人耳对217Hz频率更敏感因此这些手机会产生大的干扰问题


  在模拟 IC 中有输入保护二极管和其它节点,它们会解调 PCB 走线与电源、地层拾取的频率,这种解调后的信号就表现为音频噪声。在 1 GHz 时,IC 本身不是普通 RF 辐射的有效天线。微小束线和电容对数十千兆赫的频率更敏感,远超过手机产生的激励频率。同种类型或来自不同厂家的不同 IC 表现也各不相同,具体要看输入电容或引线框电感的变化,但它们仍然易受 RFI 影响。为解决这个问题,美国国家半导体公司设计了用于抑制 RFI 的 LMV851 运算放大器。该公司设计了 EMIRR(EMI 抑制比)数值,用于量化 IC 各个管脚抑制 RFI 的程度(参考文献 6)。

  FET和CMOS运放的输入结构不像双极放大器那样容易有解调效应。但 Microchip Technology 公司的首席应用工程师 Kumen Blake 指出,如果将输入驱动得足够高,CMOS 器件也会检测到 RF。他说:“即使 CMOS 也会反偏,并(在 RF 辐射中)产生一个晶体管结点。任何运放都可以将 RF 或微波能量转换为一个直流信号。很多客户不知道在遇到 EMI 问题时会看到何种征兆。直流漂移可以是一种征兆,功率电平的变化很可能意味RFI造成了某种 振荡。另一种征兆是信号失真,无论是频率变化或是表现为谐波失真。最糟的情况是:电路在任何时候都不工作。”

  有些 IC 用输入结构的电阻对来自放大器内部的 RF 去耦。甚至一个小输入电阻也可以与放大器的 ESD(静电放电)保护二极管和其它结构的杂散电容一起工作,有效地将 RF 旁路到地。例如,Maxim 用这种技术为 LMX324 运算放大器提供 ESD 保护和 RFI 抑制能力(图 4)。它的副作用是电阻会限制带宽,并略微减少了相位裕度。

图4此运放的输入脚采用串联电阻和大电容的箝位二极管保护它不受ESD伤害额外的好处是器件更能抗御RFI


  地层或电源层都有过高的阻抗,能够通过连接到该层的导线产生 RFI 接收或发射。不能假定一个采用环形接地层的 20 cm ×20 cm PCB 板是等电势的,即该层上的每个点都为相同电势(参考文献 7)。Glen Dash 是很多有关电子设备法律与标准文件的撰稿者,他曾在一块覆铜 PCB 的两侧焊了两根天线,并通过电路板上数字芯片的不正确走线产生出巨大的快速变化电流,从而造成大量 EMI(图 5)。当有经验的工程师看到一个公共层上焊接的伸缩式天线时,他可能会觉得系统不会辐射 RF,但他们错了。

图5这是一块在相同地层的对侧焊有两根天线的覆铜板当电路在板子的快速沿工作时天线辐射出大量RF能量尽管它们是直流连接


  RF 敏感性规则

  要理解 RF 敏感性背后的理论,就要知道三个一般性设计规则:低阻抗优于高阻抗;小回路优于大回路;短线优于长线。有些工程师认为,当所有招术全都不灵时,就必须将系统放在一个屏蔽外壳内,但这种方法既费钱,通常也不实用。Microchip 的 Bible 说:“如果设计者想避免这种费用,就必须做到良好的 PCB 布线。”考虑到空间中的一根线就是天线。如果该线的接地电阻是 1 MΩ,则线上电压的变动范围要远高于接地电阻为 5 Ω 的情况。高斯定律指示,两条承载信号的导线要靠近布放,而不是形成一个大的回路,因为较大回路意味着导线会从一个确定的 RF 场强中拾取更高的电压。当天线长度等于 RF 场的波长时,该天线能更好地工作。一端连接大地的 1 cm 导线在低于 1GHz 频率时沿其长度的信号电压为0V。在 900MHz 时,一根 3 英寸长的导线就成为一个1/4波长天线。甚至一个8波长天线也会给系统中带来相当大的RF能量。这些都强调了采用短走线和紧凑布线的重要性。遵守下列规则可以尽量减少敏感度和 RF 辐射:

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