适当缩放的滤波器组件可改善噪声衰减

出处:维库电子市场网时间:2024-12-19
  在直流到低频传感器信号调节应用中,依靠仪表放大器的共模抑制比 (CMRR) 在恶劣的工业环境中提供强大的噪声抑制功能是不够的。
  为了避免传播不需要的噪声信号,正确匹配和缩放仪表放大器输入端低通滤波器中的组件至关重要。终,这使得内部电磁干扰/射频干扰 (EMI/RFI) 滤波和 CMRR 能够提供实现可接受的信噪比 (SNR) 所需的剩余噪声衰减。

  为了说明这一点,请考虑图 1中所示的低通滤波器实现。电阻传感器通过由 R SX和 C CM组成的低通滤波器网络以差分方式连接到高阻抗仪表放大器。理想情况下,如果每个输入引脚中的 C CM 完美匹配,则两个输入共有的噪声量将在到达 INA 输入之前对称衰减。

  图 1:共模输入滤波。
  通过共模滤波电容(C cm ) 的完美匹配,噪声几乎完全衰减。 图 2中的TINA SPICE仿真 通过将 100mVpp、100kHz 共模误差信号注入 INA333输入来显示这一点。


  图 2:使用 INA333 进行共模滤波的完美输入 RC 匹配的模拟示例。
  这种方法的问题在于,现成电容器的典型容差为 5% 到 10%,这意味着如果每个支路中的 C CM 在相反方向上不匹配,则总体差分容差可能高达 20%。图 3更好地体现了这种电容失配,该图还说明了共模噪声 (e N ) 在电阻传感器输出端的进入。
   图 3:具有 RC 失配和共模噪声注入的共模滤波。
  输入 (C) 处的这种不匹配会产生截止频率误差,导致共模噪声 e N以差分方式传递到 INA 输入,然后作为误差电压增益到输出。传递到输入的共模噪声量如公式 1至公式 3所示:
 
  假设传感器信号 Vsensor 的频率远低于每个共模滤波器的噪声截止频率(即 f C ≥ 100?fsensor )且 R S1 = R S2,则共模噪声信号量(e N ) 转换为差分噪声信号 (e IN ) 并成为 V IN的一部分, 如公式 4所示:
   图 4 进一步说明了通过向 INA333 注入 100mVpp、100kHz 共模误差信号(滤波器截止频率为 1.6kHz 时 RC 失配为 10%)可传播到输出的误差:
    图 4:由于共模滤波器 RC 失配而导致的 INA333 输出误差仿真(增益为 101)。

  图 5 显示了一种更好、更常见的输入滤波方法,通过在仪表放大器的输入端 添加差分电容器 C diff进行了小幅改进。

  图 5:添加差分电容器 (C diff ) 以改善共模噪声衰减。

  添加此电容器并不能完全解决此问题,因为必须根据以下两个标准来缩放C diff :

  差分截止频率必须足够大,以充分避开信号带宽并允许足够的滤波稳定。

  差分截止频率必须足够小,以将共模噪声衰减到可接受的水平,以便仪表放大器的 CMRR 可以提供实现可接受的 SNR 所需的剩余衰减。公式 5给出了一个很好的经验法则:

  图 6显示了在没有 C diff 和 C diff = F 的情况下 V inP 和 V inN 与频率的关系图。 请注意,在没有差分电容器的情况下,INA333 的输出幅度存在差异。这种差异会作为噪声放大到输出,终降低 SNR。当 C diff = F 时, V inP 和 V inN之间的差异 。
  信号链基础知识#53:适当缩放的滤波器组件可改善噪声衰减
  图 6:V inP 和 V inN的绘图 ,其中 Cdiff = 0 且 Cdiff = 1 F。

  图 7 显示了通过添加C diff = F来改善 INA333 输出端的整体噪声性能。

  图 7:在 INA333 中使用 C diff改进噪声滤波的仿真 。
  总之,放置在仪表放大器前面的低通滤波器应具有至少比共模电容器高 10 倍的差分电容器。这将通过减少 C cm失配的影响(可能导致共模噪声变成差分噪声)来显着提高滤波器的有效性。
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