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RF 信號產生 DC 偏移電壓,如何確定其幅度?

來源:深圳市君輝電子有限公司   2021年07月15日 11:00  

典型的精密運算放大(運放)器可以有 1MHz 的增益帶寬積。從理論上講,用戶可能期望千兆赫水平的 RF 信號衰減到非常低的水平,因為它們遠遠超出了放大器的帶寬范圍。然而,實際情況并非如此。

 

事實上,包含在放大器內的靜電放電(ESD)二極管、輸入結構和其它非線性元件會在放大器的輸入端對 RF 信號進行“整流”。在實際意義上,RF 信號被轉換成一種直流(DC)偏移電壓,這種 DC 偏移電壓添加了放大器輸入偏移電壓。

 

用戶也許會問:“對于由給定 RF 信號產生的 DC 偏移電壓,我如何確定其幅度?”其實,放大器對 RF 干擾的敏感性取決于該放大器所采用的設計和技術。

 

例如,許多現代放大器具有內置的 RF 濾波器,可盡量減少出現該問題的幾率。該濾波器對低增益帶寬運放而言是有效的,因為該濾波器的截止頻率可以設置成較低的頻率,這能提供更高的 RF 信號衰減系數。

 

除此之外,一些技術產品具有更強的內在抗 RF 干擾能力。例如,比起雙極型器件,大多數互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件具有更強的抗 RF 干擾能力。輸入級設計等其它因素也可影響抗 RF 干擾能力。

 

考慮到所有這些因素,電路板和系統級設計人員應如何選擇放大器呢?答案是:要看電磁干擾抑制比(EMIRR)。該技術指標類似于電源抑制比和共模抑制比,因為它在放大器的輸入端將 RF 干擾的影響轉換成 DC 偏移電壓。

 

作為一個例子,圖 1 展示了 OPA333 的 EMIRR 曲線。從曲線可注意到,當頻率為 1000MHz 時該運放具有 120dB 的 EMIRR。這是非常高的抑制水平,使得直接把該曲線與其它器件的曲線進行比較成為可能。

 

圖 1、使用 OPA333 時 EMIRR IN + 與頻率相比較的例子

 

EMIRR 曲線展示了運放被傳導的抗 RF 信號(該信號被應用到非反相輸入端)干擾能力的測定值。術語“被傳導”是指該 RF 信號被直接應用到使用阻抗匹配型印刷電路板(PCB)的運放輸入端。此外,還對放大器輸入端的反射進行了表征和說明。

 

最后,用數字萬用表測量由 RF 信號產生的 DC 偏移電壓。請注意,在放大器和萬用表之間使用了低通濾波器,以防止由穿過放大器的殘余 RF 信號引起的潛在錯誤。圖 2 展示了用于表征 EMIRR 的測試電路。

 

圖 2、用于表征 EMIRR 的測試電路

 

方程式(1)和(2)給出了 EMIRR 的數學定義。兩個方程式互為彼此的重置版本。方程式(1)展示了所用 RF 信號和偏移電壓的改變之間的關系。

 

請注意所用 RF 信號的平方引起的偏移電壓變化。這意味著入射 RF 信號較小幅度的增加可導致偏移電壓的顯著增加。還請注意,術語 EMIRR 的作用是減弱 RF 信號的影響;換句話說,較大的 EMIRR(dB)可使偏移電壓的變化大幅度減少。方程式(2)是在表征過程中用來計算 EMIRR(dB)的方程形式。

 

 

其中

 

EMIRR(dB) - - 從被傳導的 RF 信號處測定的電磁干擾抑制比(以 dB 為單位)被應用到非反相放大器的輸入端;

 

|△Vos| - - 是測定的偏移電壓(由 RF 干擾引起)變化;

 

VRF_PEAK  - - 是應用到放大器非反相輸入端的峰值 RF 干擾;

 

最后,請注意許多其它因素,如 PCB 布局和屏蔽,也可影響用戶系統的抗 RF 干擾能力。不過,一旦在用戶的設計中優化了這些因素,使用具有良好 EMIRR 的放大器就可實現佳性能。而且,用戶無需進行任何復雜的計算。僅比較不同放大器的 EMIRR 曲線即可選擇適合用戶應用的器件。筆者希望用戶能利用 EMIRR 規范來優化用戶系統抗 RF 信號干擾的能力。
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