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信号链基础知识#53:正确调理滤波器各组件以进步降噪作用

在 DC 到低频传感器信号调节应用中,仅依靠仪表放大器的共模抑制比 (CMRR) 并不足以在恶劣的工业使用环境中提供稳健的噪声抑制。要想避免多余噪声信号

在 DC 到低频传感器信号调理运用中,仅依托外表扩大器的共模按捺比 (CMRR) 并不足以在恶劣的工业运用环境中供给稳健的噪声按捺。要想防止剩下噪声信号的传达,对外表扩大器输入端低通滤波器中各组件进行正确的匹配和调理至关重要。终究,才能让内部电磁搅扰/无线电频率搅扰 (EMI/RFI) 滤波和 CMRR 一起作用,下降其他噪声,然后抵达能够承受的信噪比 (SNR)。

例如,请考虑图 1 所示低通滤波器施行。电阻传感器经过一个低通滤波器网络差动衔接至一个高阻抗外表扩大器,而低通滤波器网络由 RSX 和 CCM 组成。抱负状况下,假如每条输入支线的 CCM 都完全匹配,则两个输入端共有的噪声量将在抵达 INA 输入端曾经得到相应的下降。

图 1 共模输入滤波

共模滤波器电容 (Ccm) 完全匹配时,噪声简直被完全消除。图 2 显现了 TINA SPICE 仿真的这一成果,其将一个 100 mVpp、100 kHz 的共模差错信号注入到 INA333 输入端。

图 2 INA333 共模滤波的完全输入 RC 匹配举例仿真

这种办法存在的问题是现货电容都有一个 5% 到 10% 的典型容差,这就是说假如每条支线的 CCM 反向不匹配,总差动容差便会高达 20%。图 3 更好地标明了这种电容不匹配,一起还显现了电阻传感器输出端的共模噪声输入 (eN) 状况。

图 3 RC 不匹配和共模噪声注入共模滤波

这种输入不匹配 (C) 构成截止频率差错,使共模噪声 eN 差动进入 INA 输入,之后被增益输出,成为差错电压。方程式 1-3 显现了抵达输入端的共模噪声量:

方程式 1

方程式2 2 方程式3

假定传感器信号 Vsensor的频率远低于一切共模滤波器的噪声截止频率(即fC ≥ 100*fsensor),而且 RS1 = RS2,则转换为差动噪声信号 (eIN) 并成为 VIN 组成部分的共模噪声信号 (eN)巨细为:

方程式 4

方程式 4 进一步标明,经过向 INA333 注入一个 100 mVpp、100 kHz 共模差错信号,且1.6 kHz 滤波器截止频率 RC 不匹配为 10% 时,其所发生的差错如下:

图 4 共模滤波器 RC 不匹配引起的 INA333 输出差错仿真(增益为 101)

图 5 显现了一种更好且更常见的输入滤波办法,其改进是在外表扩大器输入之间增加了一个差动电容 Cdiff。

图 5 增加差动电容 (Cdiff) 进步共模噪声按捺作用

增加这种电容并没有完全解决问题,由于有必要依照如下两个规范对 Cdiff 进行调理

1、差动截止频率有必要足够高,以远离信号带宽,然后完成充沛的滤波安稳。

2、差动截止频率有必要要足够低,以将共模噪声降至可承受水平,让外表扩大器 CMRR 能够完成剩下噪声按捺,终究抵达能够承受的 SNR。方程式 5 给出了进行这种调理的一般准则:

方程式 5

图 6 显现了 VinP 和 VinN 曲线图与无 Cdiff 和 Cdiff = F 时两种频率的比照状况。请注意,没有差动电容时,INA333 的输出巨细有不同。这种不同被扩大至输出,成为终究下降 SNR 的噪声。Cdiff = F 时,VinP 和 VinN 之间的差最小。

图 6 Cdiff = 0 和 Cdiff = 1 F 时,VinP 和 VinN 的曲线图

图 7 显现了 Cdiff = F 时 INA333 输出的总噪声功能改进状况。

图 7 INA333 运用 Cdiff 时取得改进的噪声滤波仿真状况

总归,装置于外表扩大器前部的低通滤波器应该有一个差动电容,且其巨细至少应比共模电容高 10 倍。这样,经过减小 Ccm 不匹配的影响,让共模噪声变为差动噪声,然后极大地进步滤波器的功率。

下次,咱们将针对主/从体系中 I2S 时钟存在的一些难点为您释疑解惑,敬请期待。

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