Moderne OPVs verfügen über eine hohe Störfestigkeit, mit der sich die Störanfälligkeit in Anlagen und auf Leiterplatten reduzieren lässt. Dieser Artikel beschreibt die Eigenschaften von Operationsverstärkern, die dazu beitragen, Nahfeld-EMI-Effekte in empfindlichen Leiterplattendesigns abzuschwächen.

Elektromagnetische Emissionen werden von einer Störquelle erzeugt und wirken sich unbeabsichtigt und oft unerwünscht auf einen anderen Stromkreis aus. Die Störgröße ist eine Spannung, ein Strom, elektromagnetische Strahlung oder eine Kombination daraus, die von der Störquelle in die Störsenke gelangt. Der Begriff EMI (elektromagnetische Interferenz) bezieht sich nicht nur auf Hochfrequenz- oder Funkstörungen, denn auch im unteren Frequenzbereich gibt es starke EMI-Quellen. Schaltregler, LED-Schaltungen und Motortreiber arbeiten beispielsweise mit Frequenzen im zwei- bis dreistelligen Kilohertz-Bereich. Auch Störungen durch die Netzfrequenz von 50 Hz sind ein Thema.

Operationsverstärker können die elektromagnetische Störeinkopplung auf Nutzsignale effizient reduzieren. Insbesondere EMI-resistente OPVs mit integrierten und symmetrischen Eingangsfiltern unterdrücken hochfrequente Störungen bis in den Gigahertz-Bereich. TI bietet derzeit mehr als 80 solcher Module an.

Die Störgrößen gelangen von den Störquellen über einen oder mehrere von insgesamt vier Kopplungsmechanismen zur Störsenke. Drei dieser vier Mechanismen werden als Nahfeldkopplung bezeichnet, nämlich die leitungsgebundene Kopplung, die Kopplung durch ein elektrisches Feld und die Kopplung durch ein magnetisches Feld. Der vierte Mechanismus ist die Fernfeldstrahlungskopplung, bei der elektromagnetische Energie mit mehreren Wellenlängen strahlt.

Obwohl aktive Filterschaltungen auf Basis von Operationsverstärkern in der Lage sind, EMI-Effekte und Störungen auf einer Leiterplatte innerhalb der Bandbreite der Schaltung effektiv zu reduzieren, werden sie in vielen Designs zu wenig genutzt. Die Bandbreite des differentiellen Nutzsignals kann begrenzt werden, während die unerwünschten differentiellen Störgrößen herausgefiltert werden.

Bild 1 zeigt, wie über die parasitäre Kapazität CP ein differentielles Störsignal (Differential Mode, DM) in das Eingangssignal eingekoppelt wird. Die Überlagerung des Nutzsignals VDM_Signal und der Störgröße VDM_Noise gelangt zunächst in einen aktiven Tiefpass erster Ordnung. Die Tiefpass-Grenzfrequenz dieser differentiellen Operationsverstärkerschaltung wird mit R2 und C1 so eingestellt, dass sie knapp über der gewünschten Signalbandbreite liegt. Höhere Frequenzen werden um 20 dB pro Dekade gedämpft. Wird eine stärkere Dämpfung gewünscht, können aktive Filter höherer Ordnung (zB -40 oder -60 dB pro Dekade) eingesetzt werden.

Es wird empfohlen, Widerstände mit Toleranzen von 1 % oder weniger zu verwenden. Außerdem sollten im Interesse der Filterleistung Kondensatoren mit sehr gutem Temperaturkoeffizienten (NP0, C0G) und Toleranzen von 5 % oder weniger verwendet werden.

Abbildung 1: Ein aktiver Operationsverstärkerfilter unterdrückt effizient differenzielle und Gleichtaktstörungen am Eingang. Texas Instruments

Am Eingang der in Bild 1 gezeigten Schaltung liegen auch Gleichtaktstörungen (CM) vor. Darunter sind Störspannungen zu verstehen, die an beiden Operationsverstärkereingängen mit gleicher Amplitude und Phasenlage anliegen und nicht Teil des differentiellen Nutzsignals sind, das der Operationsverstärker verarbeiten soll.

Gleichtaktstörungen können auf unterschiedliche Weise auftreten. Ein Beispiel ist ein System, bei dem die Masse einer Schaltung auf einem anderen Potential liegt als die einer anderen Schaltung, mit der die erste Schaltung verbunden ist. Der Erdpotentialunterschied kann zwischen einigen Millivolt und mehreren Volt liegen und kann auch bei vielen unterschiedlichen Frequenzen auftreten. In jedem Fall verursachen diese Potentialunterschiede unerwünschte Spannungseinbrüche und Stromflüsse, die sich störend auf die miteinander verbundenen Stromkreise auswirken können. Autos, Flugzeuge und große Gebäude mit vielen Stromkreisen sind oft anfällig für diese Art von Störungsphänomen.

Ein echter Vorteil von Operationsverstärkern ist die differenzielle Architektur ihrer Eingangsstufe sowie ihre Fähigkeit, Gleichtaktstörungen zu unterdrücken, wenn sie als Differenzverstärker konfiguriert sind. Das Common-Mode Rejection Ratio (CMRR) ist für jeden Operationsverstärker spezifiziert, aber der CMRR-Gesamtwert der Schaltung muss Eingangs- und Gegenkopplungswiderstände enthalten.

Da Änderungen der Widerstandswerte einen starken Einfluss auf den CMRR-Wert haben, sind angepasste Widerstände mit Toleranzen von 0,1%, 0,01% oder weniger erforderlich, um den für eine Anwendung gewünschten CMRR-Wert zu erreichen. Grundsätzlich lassen sich auch mit externen Widerständen gute Leistungen erzielen. Als weitere Option können Instrumenten- oder Differenzverstärker mit intern abgeglichenen Widerständen verwendet werden. Der mit intern symmetrischen Widerständen ausgestattete Instrumentenverstärker INA188 bietet einen hohen CMRR-Wert von 104 dB.

In Abbildung 1 kann das Gleichtaktrauschen (VCM_noise = VCM1 = VCM2) durch die Gleichtaktunterdrückung der Operationsverstärkerschaltung unterdrückt werden, wenn das Rauschen innerhalb der aktiven Bandbreite der Schaltung liegt. Das Ausmaß der Gleichtaktunterdrückung hängt davon ab, ob für R1 und R2 genau abgestimmte Widerstände gewählt werden. Zur Ermittlung von CMRRTOTAL eignet sich Gleichung 1, die die Widerstandstoleranz RTOL und den CMRR-Wert des Operationsverstärkers (lt. Datenblatt) beinhaltet. Wenn beispielsweise das Datenblatt für den Operationsverstärker CMRR (dB) = 90 dB anzeigt, dann (1 / CMRRAMP) = 0,00003. In vielen Fällen wird das Erreichen des gewünschten CMRRTOTAL-Wertes hauptsächlich durch die Widerstandstoleranz bestimmt.

Gleichung 1 leitet sich aus einer in [1] zu findenden Gleichung für den CMRR-Wert eines idealen Operationsverstärkers ab, in der der Term CMRRAMP als sehr groß (unendlich) angenommen wird. Da der Term (1 / CMRRAMP) in einem idealen Operationsverstärker null ist, hängt CMRRTOTAL nur von den Widerständen und der Closed-Loop-Verstärkung AV ab.

RTOL ist die prozentuale Toleranz von R1 und R2 (zB 0,1%, 0,01% oder 0,001%) und CMRRAMP ist der CMRR-Wert aus dem Datenblatt (im Dezimalformat, nicht in dB). Schließlich kann CMRRTOTAL wie folgt in dB umgerechnet werden:

Gleichung 2: CMRRTOTAL (dB) = 20 log10 (CMRRTOTAL)

Wie bereits in den vorherigen Abschnitten erwähnt, reduzieren aktive Filterung und Gleichtaktunterdrückung zuverlässig die Störungen in der Schaltung im begrenzten Bandbreitenbereich des Bauteils – inklusive DM- und CM-Störaussendungen bis in den Megahertz-Bereich. Die Konfrontation mit hochfrequenten Störungen oberhalb des vorgesehenen Betriebsfrequenzbereichs kann jedoch zu einem nichtlinearen Verhalten des Moduls führen. Operationsverstärker sind in ihrer hochohmigen Differenzeingangsstufe am empfindlichsten gegenüber hochfrequenten Störungen, da die hochfrequenten DM- und CM-Störungen durch interne Dioden (diese entstehen durch PN-Barrieren im Halbleiter) gleichgerichtet werden. Diese Gleichrichtung erzeugt wiederum eine kleine Gleichspannung (Nullpunkt- oder Offsetfehler), die verstärkt wird und sich am Ausgang als DC-Offsetfehler bemerkbar macht. Je nach Genauigkeit und Empfindlichkeit des Systems führt dies dazu, dass sich die Leistung oder das Verhalten der Schaltung in unerwünschter Weise ändert.

Glücklicherweise gibt es zwei Methoden, mit denen Sie die Immunität eines Operationsverstärkers gegen Hochfrequenzstörungen verbessern können. Die erste und beste Option ist die Verwendung eines EMI-resistenten Operationsverstärkers, der über eingebaute Filter am Eingang Störungen vom zweistelligen Megahertz-Bereich bis in den Gigahertz-Bereich unterdrückt. TI bietet derzeit mehr als 80 solcher Module an, die in der parametrischen Suchmaschine für TI OpAmps unter dem Stichwort „EMI Hardened“ zu finden sind. Weitere Details zu EMI-resistenten Operationsverstärkern finden sich in [2] und [3].

Die zweite Möglichkeit besteht darin, dem Eingang des Operationsverstärkers externe EMI / RFI-Filter hinzuzufügen. Diese Variante kann auch die einzige praktikable Lösung sein, wenn ein Schaltungsdesign die Verwendung einer bestimmten Komponente ohne internen EMI-Filter erfordert. Abbildung 2 zeigt eine Standardkonfiguration eines Differenzverstärkers mit externen DM- und CM-Filtern für höhere EMI-Frequenzen. Ohne Eingangsfilter beträgt die Verstärkung der Schaltung | R2 / R1 |. Wenn Sie passive Eingangsfilter hinzufügen, benötigen Sie normalerweise die mit R3 bezeichneten Widerstände, um zu verhindern, dass der Kondensator CDM die Phasenreserve des Verstärkers beeinflusst. Der DM-Tiefpassfilter besteht aus den beiden R1-Widerständen CDM und den beiden CCM-Kondensatoren. Der CM-Tiefpassfilter verwendet die beiden R1-Widerstände und beide CCM-Kondensatoren.

Die Gleichungen 3 und 4 können verwendet werden, um die (-3 dB) Grenzfrequenzen fC_DM und fC_CM der EMI-Filter zu berechnen. Üblicherweise wird fC_DM zunächst oberhalb der gewünschten Bandbreite der Operationsverstärkerschaltung platziert, woraus sich die Kapazitätswerte für CDM ergeben. Dann werden die CCM-Kondensatoren so gewählt, dass ihr Wert mindestens 10 mal kleiner ist als der von CDM. Dies minimiert den Einfluss auf fC_DM und ermöglicht den CCM-Kondensatoren, auf höhere Frequenzen zu wirken. Die Grenzfrequenz fC_CM ist somit größer als fC_DM. Bei Verwendung eines EMI-gehärteten Operationsverstärkers können die Komponenten im rot-gestrichelten Rahmen aus Bild 2 entfallen, was den Aufbau vereinfacht.

Abbildung 3: Taktgenerator als Störquelle und Audioschaltung als Störsenke. Texas Instruments

Ein weiteres wichtiges Merkmal von Operationsverstärkern ist ihre sehr niedrige Ausgangsimpedanz, die in den meisten Konfigurationen typischerweise nur wenige beträgt. Um zu verstehen, warum dies dazu beiträgt, EMI-Effekte zu reduzieren, muss man sich überlegen, wie sich elektromagnetische Störungen auf Schaltkreise mit niedrigem und hohem Widerstand auswirken.

Bild 3 zeigt einen Schaltungsbereich einer Audioanwendung, bei dem der Taktsignalpfad den Nutzsignalpfad stört. Ein Audiosignal, das passiv an den A/D-Wandler (ADC) gekoppelt ist, wird über die parasitäre Kapazität Cp vom ADC-Taktsignal überlagert. Im Nutzsignalpfad wird das sinusförmige 2 kHz Audiosignal mit einer Amplitude von 1 VP-P und 600 Ω Quellimpedanz (RS1) mit 20 kΩ durch die ADC Eingangsimpedanz RL1 belastet. Der Taktsignalpfad besteht aus einer 100 kHz Taktquelle mit 3,3 V Amplitude (VS2) und einem Innenwiderstand RS2 von 22 inklusive der Lastimpedanz RL2 von 500 kΩ. Letztere wird aus den Takteingängen weiterer Digitalmodule gebildet.

Abbildung 4: Die aktive Filterung eines Audiosignals reduziert die von der Taktschaltung ausgehende elektromagnetische Störeinkopplung. Texas Instruments

In einem realen System sind Taktsignale im Bereich von 100 bis 400 kHz für den seriellen I²C-Bus in der Nähe von Audio-ADCs und -Schaltungen durchaus üblich. Auch wenn I²C-Clocks in der Regel als Bursts (also nicht kontinuierlich) generiert werden, veranschaulicht diese Simulation die möglichen Auswirkungen, die auftreten, während die Clock aktiv angesteuert wird. Auf dicht bestückten Leiterplatten für Audio- und Infotainmentsysteme kann es vorkommen, dass eine Taktleitung in der Nähe einer Leiterbahn mit einem empfindlichen Audiosignal verläuft. Damit es zu einer kapazitiven Kopplung kommt, muss lediglich eine parasitäre Leiterplattenkapazität von wenigen Picofarad vorhanden sein, damit sich das Taktsignal mit dem als Störsenke wirkenden Audiosignal durchsetzen kann. Dies wird in Bild 3 mit einer parasitären Kapazität Cp von nur 1 pF simuliert.

Aber wie können die Störungen im Audiokreis reduziert werden? Es hat sich gezeigt, dass die Empfindlichkeit einer Störsenke gegenüber eingekoppelten Störungen durch Reduzierung ihrer Impedanz reduziert werden kann. In Schaltungen mit relativ hoher Quellimpedanz (> 50 Ω) können die eingekoppelten Störungen durch Minimierung der Quellimpedanz für die Last reduziert werden. In Abbildung 4 wird die Schaltung durch einen OPA350 in einer nicht invertierenden Konfiguration ergänzt, um das Signal zu puffern und die Quellimpedanz von der Last zu isolieren. Im Vergleich zu 600 Ω ist die Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers sehr gering, was Taktstörungen stark reduziert.

Die Beschaltung der Stromversorgungsanschlüsse mit Stütz- oder Entkopplungskondensatoren ist äußerst vorteilhaft, um hochfrequente elektromagnetische Störaussendungen herauszufiltern und die Störfestigkeit der Operationsverstärkerschaltung zu erhöhen. Alle Abbildungen in diesem Artikel enthalten den Kondensator CD als Teil der Schaltung - er leitet HF-Störungen mit geringem Widerstand gegen Erde ab.

Obwohl die Entkopplung schnell komplex werden kann, gibt es einige Faustregeln, die für jedes Design gelten. Insbesondere sollten die ausgewählten Kondensatoren einen sehr guten Temperaturkoeffizienten (zB X7R, NP0 oder C0G), eine sehr geringe effektive Serieninduktivität (ESL) und eine möglichst geringe Impedanz über das gewünschte Frequenzspektrum aufweisen; Kapazitätswerte von 1 bis 100 nF erweisen sich in der Regel als gut.

Neben den Kondensatoreigenschaften sind die Platzierung und die elektrischen Anschlüsse ebenso wichtig. Der Kondensator sollte möglichst nahe an den IC-Versorgungsanschlüssen angeordnet und über kurze, niederohmige Leitungen zwischen Versorgungsspannung und Masse der Platine geschaltet werden.

Operationsverstärker tragen dazu bei, Nahfeld-EMI-Effekte auf einer Leiterplatte zu reduzieren und dadurch einen Mehrwert für das Systemdesign zu schaffen. Die folgenden kritischen Aspekte sollten bei jedem Design berücksichtigt werden:

[1] S. Franco, "Circuits with Resistive Feedback", Design with Operations Amplifiers and Analog Integrated Circuits, 3. Aufl. New York: McGraw-Hill, 2002, Kap. 2, S. 75-76

[2] Chris Hall und Thomas Kuehl, „EMI Rejection Ratio of Operational Amplifiers“, Texas Instruments Application Note (SBOA128), August 2011

[3] „A Specification for EMI Hardened Operational Amplifiers“, Texas Instruments Application Note (SNOA497B), April 2013

[4] Jerry Freeman, „Techniken zur Verbesserung der Signalintegrität von Operationsverstärkern in Low-Level-Sensoranwendungen, Teil 4“, EETimes, 18. Dezember 2008

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