一種基于儀表放大器的抑制方法

開關(guān)電源是一種應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件并綜合電力變換技術(shù)、電子電磁技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等的電力電子產(chǎn)品。

因其具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、工作穩(wěn) 定、安全可靠以及穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信、電子儀器、工業(yè)自動(dòng)控制、國(guó)防及家用電器等領(lǐng)域。但是開關(guān)電源瞬態(tài)響應(yīng)較差、易產(chǎn)生電磁 干擾，且EMI信號(hào)占有很寬的頻率范圍，并具有一定的幅度。這些EMI信號(hào)經(jīng)過傳導(dǎo)和輻射方式污染電磁環(huán)境，對(duì)通信設(shè)備和電子儀器造成干擾，因而在一定程 度上限制了開關(guān)電源的使用。

開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的原因

電磁干擾 (EMI，Electromagneticlnterference)是一種電子系統(tǒng)或分系統(tǒng)受非預(yù)期的電磁擾動(dòng)造成的性能損害。它由三個(gè)基本要素組成: 干擾源，即產(chǎn)生電磁干擾能量的設(shè)備;藕合途徑，即傳輸電磁干擾的通路或媒介;敏感設(shè)備，即受電磁干擾而被損害的器件、設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)?；诖?，控制電 磁干擾的基本措施就是:抑制干擾源、切斷禍合途徑及降低敏感設(shè)備對(duì)干擾的響應(yīng)或增加電磁敏感性電平。

根據(jù)開關(guān)電源工作原理 知:開關(guān)電源首先將工頻交流電整流為直流電，再逆變?yōu)楦哳l交流電，最后經(jīng)過整流濾波輸出，得到穩(wěn)定的直流電壓。在電路中，功率三極管、二極管主要工作在開 關(guān)管狀態(tài)，且工作在微秒量級(jí);三極管、二極管在開一閉翻轉(zhuǎn)過程中，在上升、下降時(shí)間內(nèi)電流變化大、易產(chǎn)生射頻能量，形成干擾源。同時(shí)，由于變壓器的漏感和 輸出二極管的反向恢復(fù)電流造成的尖峰，也會(huì)形成潛在的電磁干擾。

開關(guān)電源通常工作在高頻狀態(tài)，頻率在02 kHz以上，因而其分布電容不可忽略。一方面散熱片與開關(guān)管的集電極間的絕緣片，由于其接觸面積較大，絕緣片較薄，因此，兩者間的分布電容在高頻時(shí)不能忽 略，高頻電流會(huì)通過分布電容流到散熱片上，再流到機(jī)殼地，產(chǎn)生共模千擾;另一方面脈沖變壓器的初次級(jí)之間存在著分布電容，可將初級(jí)繞組電壓直接禍合到次級(jí) 繞組上，在次級(jí)繞組作直流輸出的兩條電源線上產(chǎn)生共模干擾。

因此 ， 開關(guān)電源中的干擾源主要集中在電壓、電流變化大，如開關(guān)管、二極管、高頻變壓器等元件，以及交流輸人、整流輸出電路部分。

電氣工程師習(xí)慣于處理各種抑制問題，從共模抑制到電源抑制，以至于 EMI 抑制，而且這也絕對(duì)是我們喜歡做的事。抑制越多越好!

然而對(duì)于儀表放大器而言，在計(jì)算由電源或共模電壓變化產(chǎn)生的失調(diào)偏移時(shí)很容易產(chǎn)生困惑。這種困惑的根本原因如下圖所示：

在圖 1 中，放大器的電源抑制比 (PSRR) 隨放大器增益配置的升高而增加。這樣很容易讓人想到，在高增益下產(chǎn)生任何輸出偏移，都需要電源的明顯變化!但一定要記?。汗材Ｒ种票?(CMRR) 和 PSRR 都是輸入?yún)⒖紖?shù)：

PSRR 和 CMRR 定義為輸入失調(diào)電壓變化 ΔVOS(IN) 與電源電壓變化 ΔVS 或共模電壓變化 ΔVCM 的比值。

為了了解增益對(duì)這些參數(shù)的影響，請(qǐng)將大多數(shù)儀表放大器看成兩個(gè)串行的放大器級(jí)，一個(gè)輸入級(jí)放大器(如圖 2 中 G1 所示)和一個(gè)輸出級(jí)放大器(如 G2 所示)。電源或共模電壓的變化會(huì)造成每個(gè)放大器級(jí)失調(diào)電壓的變化，如圖中 ΔVOS1 和 ΔVOS2 所示。

在需要計(jì)算輸入時(shí)，用輸入級(jí)增益 G1 除第二個(gè)失調(diào)電壓變化 ΔVOS2。最后，由于兩個(gè)失調(diào)變化的極性未知，可能為正也可能為負(fù)，因此可推導(dǎo)出公式 2：

在儀表放大器產(chǎn)品說明書中可找到該公式，從而可計(jì)算出由溫度、電源和共模電壓等不同因素所引起的輸入失調(diào)變化值：

圖 3：內(nèi)容摘自 INA118 產(chǎn)品說明書，說明不同因素所導(dǎo)致的輸入失調(diào)變化。

將公式 2 代入公式 1，就很容易得出增益如何影響儀表放大器的 PSRR 和 CMRR：

從輸入級(jí)增益除以第二個(gè)放大器失調(diào)電壓的變化值 ΔVOS2 可以得出，這兩個(gè)參數(shù)會(huì)隨增益的提高而增大。

到目前為止，我們一直關(guān)注的只是輸入失調(diào)的變化，但輸出端會(huì)怎樣呢?畢竟我們通常真正關(guān)心的是放大器輸出。很明顯，我們可用 ΔVOS(IN) 乘以放大器總體增益來(lái)計(jì)算 ΔVOS(OUT)。

很多儀表放大器的輸出級(jí)增益都為 1，這就意味著放大器總體增益由輸入級(jí)增益決定。這樣我們就可將公式 4 簡(jiǎn)化為：

由于輸入級(jí)現(xiàn)已成為主要誤差源，因此儀表放大器的 CMRR 和 PSRR 參數(shù)可在較高增益下得到改善。但是，還有一個(gè)我們尚未討論的影響。細(xì)心的讀者在觀察圖 3 時(shí)可能已經(jīng)注意到了：輸出級(jí)失調(diào)比輸入級(jí)差。