RFI整流原理

1 输入级RFI整流灵敏度

        模拟集成电路中有一种众所周知却又了解不深的现象，即RFI整流，在运算放大器和仪表放大器中尤为常见。放大极小信号时，这些器件可以对大幅度带外HF信号进行整流，即RFI。因此，除所需信号外，输出端还会出现直流误差。不需要的HF信号可以通过多种途径进入敏感模拟电路。引入和引出电路的导体为进入电路的干扰耦合提供了通路。这些导体会通过容性、感性或辐射耦合拾取噪声。杂散信号会和所需信号一起出现在放大器输入端。杂散信号的幅度虽然可能只有几十毫伏，但是也会产生一些问题。简言之，敏感低带宽直流放大器未必总能抑制带外杂散信号。对简单的线性低通滤波器而言，情况确实如此，而运算放大器和仪表放大器实际上会对高电平HF信号进行整流，从而导致非线性和异常失调。

        几乎所有的仪表放大器和运算放大器输入级都采用某种类型的射极耦合BJT或源极耦合FET差分对。根据器件工作电流、干扰频率及其相对幅度，这些差分对可以像高频检波器一样工作。检波过程会在干扰的谐波频谱成分上产生噪声，同样也会在直流分量上产生噪声！从干扰中检测到的直流成分会转换放大器偏置电平，导致结果不准确。

        双极性晶体管效应受正偏PN结(基极-发射极结)的控制，该结点的I-V特性具有指数特性和明显的非线性。另一方面，FET特性受施加到反向偏置PN结二极管上电压的控制(栅极-源极结)。FET
的I-V特性满足平方律，因此，本身就比BJT更具有线性。

        RFI整流大致有以下特点：

• 首先，在低静态电源电流的器件更易受RFI影响；
• 其次，具有FET输入级的IC似乎比具有BJT的IC不易受整流影响。实际上，这意味着低功耗运算放大器或仪表放大器更易受RFI整流影响。而且，FET输入运算放大器(或仪表放大器)更不易受RFI整流的影响，在较高电流下工作时尤为如此。

2 减少运算放大器和仪表放大器电路中的RFI整流

        EMI和RFI会严重影响高精度模拟电路的直流性能。由于带宽相对较低，精密运算放大器和仪表放大器不会精确放大MHz范围内的RF信号。但是，如果这些带外信号能够通过精密放大器的输入、输出或电源引脚耦合至精密放大器，这些信号就会通过各种放大器结点进行内部整流，并最终在输出端导致不必要的直流失调。

        合适的电源去耦可以将IC电源引脚上的RFI降至最低。放大器输入和输出还需要在器件级
进一步探讨。此时，假定系统级EMI/RFI方法已经实现，如紧凑的RFI外形、正确接地的
屏蔽层、电源轨滤波等。这些后续步骤可视为电路级EMI/RFI防护。

2.1 运算放大器输入

        防止输入级整流的最佳方法是采用靠近运算放大器输入的低通滤波器，如下图所示。

        在左侧示意图的反相运算放大器中，滤波器电容C位于等值电阻R1-R2之间。由此可以得出简单的转折频率表达式，如图所示。在极低频率或直流情况下，电路的闭环增益为–R3/(R1+R2)。注意，C不能直接连接至运算放大器的反相输入，否则会产生不稳定性。所选的滤波器带宽至少为信号带宽的100倍，以便将信号损失降至最低。 

        在右侧示意图的同相运算放大器中，电容C可以直接连接至运算放大器输入，阻值为“R”的输入电阻会和反相运算放大器产生相同的转折频率。两种情况下都应采用低电感芯片式电容，如NP0陶瓷电容。电容在任何情况下都不应出现损耗或电压系数问题，因此只能选用上述NP0陶瓷电容或薄膜型电容。

        需要注意的是，可以用铁氧体磁珠代替R1，但是，铁氧体磁珠阻抗无法精确控制，一般
不超过100 Ω(10 MHz至100 MHz时)。因此，需要采用容值较大的电容来衰减低频。

2.2 仪表放大器输入

        由于存在共模(CM)EMI/RFI，精密仪表放大器对直流失调误差尤为敏感。这和运算放大器中存在的问题很像。而且，和运算放大器相比，采用低功耗仪表放大器时，EMI/RFI灵敏度问题尤为严重。
        如下图所示为仪表放大器器件级应用正确的通用滤波方法。实际上，该电路中的仪表放大器
可以采用各种器件中的任何一种。仪表放大器之前相对复杂的平衡RC滤波器可以处理所有的高频滤波。仪表放大器可以通过其增益设置电阻，针对应用所需的增益进行编程(图中未显示)。

        注意，在滤波器中，共模(R1-C1和R2-C2)和差模(DM)信号(R1+R2，以及C3 || 串联的C1-C2)均受到完全平衡的滤波。如果R1-R2和C1-C2匹配不佳，VIN 的部分输入共模信号就会转换为仪表放大器输入端的差模信号。因此，C1和C2相互间至少有5%匹配。R1和R2应为1%金属薄膜电阻，以利于匹配。假定从VIN 端获得的源阻抗相对R1-R2较低，且能够匹配。在这种滤波器中，所选的C3应远大于C1或C2(C3 ≥ C1、C2)，以便抑制由于R1-C1和R2-C2时间常数不匹配引起共模(CM)-差模(DM)转换，从而导致的杂散差分信号。
        整体滤波器带宽应至少为输入信号带宽的100倍。实际上，滤波器元件应对称安装在具有
大面积接地层的PC电路板上，而且必须靠近仪表放大器输入端，以便实现最佳性能。
        下图所示为该滤波器系列，适合各种不同的仪表放大器。RC元件应按照表中要求，根据不同的仪表放大器量身定制。选择这些滤波器元件是为了使低EMI/RFI灵敏度和低噪声增加量达到适度平衡(与无滤波器的相关仪表放大器相比)。 

        共模扼流圈提供简单的单器件EMI/RFI保护，可以替代无源RC滤波器，如下图所示。 

        除了采用的元件数量较少以外，通过电阻的消除作用，基于扼流圈的滤波器还具有低噪
声。但是，选择合适的共模扼流圈至关重要。上图所示电路中采用的扼流圈是Pulse Engineering
B4001。从DC至20 MHz(G = 1000)测得的最大RTI失调偏移为4.5 μV。可以采用现成的扼流圈(如B4001)，也可以另行制造。绕组的平衡非常重要，因此，建议采用双线绕组。当然，磁芯材料必须能够在预期频带内工作。注意，和RC滤波器系列不同，只采用扼流圈的滤波器无法提供差分滤波。通过增加图5所示的R1-C3-R2连接，可以在扼流圈后采用第二级设置选择增加差模滤波。

2.3 放大器输出和EMI/RFI

        除了对输入和电源引脚进行滤波外，还需要防止放大器输出受到EMI/RFI的影响，在需要驱动用作天线的较长电缆时尤其必须注意。从输出线路收到的RF信号可以耦合回其受到整流的放大器输入端，并以失调偏移的形式再次出现在输出端。
        电阻和/或铁氧体磁珠(或两者)与输出串联后，即构成最简单廉价的输出滤波器，如下图(上方电路)所示。
        增加下图所示的电阻-电容-电阻“T”型电路(下方电路)后，可以改进该滤波器，只会略微变得复杂一些。输出电阻和电容会使大部分高频能量移出放大器，使该配置即使在低功耗有源器件中也同样适用。当然，必须仔细选择滤波器元件的时间常数，将所需输出信号下降程度降至最低。