CN114400985A - 多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路 - Google Patents

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Abstract

多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路。本发明其组成包括:差模噪声的有源滤波、降低输入共模噪声、提高对RFI(射频干扰(Radio Frequency Interference))和其它高频EMI(电磁干扰(Electro‑Magnetic Interference))的抗扰度、低输出阻抗减小干扰、仿真对比验证，所述的差模噪声的有源滤波是通过寄生电容CP耦合到输入信号中的DM(差模differential mode)噪声；所述的降低输入共模噪声为在两个运放输入端是公共的噪声电压，不是运放试图测量或调节的预期差模信号的一部分，所述的提高对RFI和高频EMI的抗扰度是有源滤波使用EMI强化的运放和将外部EMI/RFI滤波器添加到运放的输入，所述的低输出阻抗减小干扰是其极低的输出阻抗，所述的仿真对比验证是使用1pF的寄生电容进行的仿真。本发明用于有源低通滤波电路。

Description

多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路
技术领域：
本发明涉及一种多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路。
背景技术：
多谋体通信等多媒体应用中经常会用到一些敏感的模拟电路，这些电路在其复杂的电磁环境中必须能完成它们的功能，同时还要保持对噪声干扰免疫。许多这些干扰由位于同一印刷电路板(PCB(印刷电路板(Printed circuit board))上附近的噪声电路引发，比如多媒体融合网关设备上，同一块PCB上密集分布着PON无源光网络(Passive OpticalNetwork),LAN局域网(local area network),VOIP网络语音电话业务(Voice overInternet Phone),WIFI无线局域网,HDMI高清晰度多媒体接口(High-DefinitionMultimedia Interface)，audio音频等接口和功能电路，高速电路的噪声会耦合到PCB及其电路接口，尤其是AUDIO等敏感模拟电路。
EMI是由无意且常常以不期望的方式冲击二级电路(second electricalcircuit)的电噪声源引起的干扰。在所有情况下，干扰噪声信号都是电压、电流、电磁辐射这三者之一，或噪声源以这三种形态的某种组合耦合到受扰电路。
EMI不限于射频干扰(RFI)。“较低”频率范围内低于射频的频段存在强大的EMI源，如开关稳压器、LED电路和一些高频工作时钟以及高速数字电路等。60Hz线电路噪声是另一个例子。电子设备在其有源开关器件高速导通与关断时，将在设备内部产生较高的du/dt和di/dt，通过器件与传输线的寄生参数形成寄生振荡，产生强烈的电磁干扰。这些噪声不仅影响设备本身及其控制电路的正常工作，还将通过设备端口耦合至系统其他电气装备，对系统整体的可靠性造成威胁。噪声源通过四种可能的耦合机制中的一种，或多种将噪声传递到受扰电路。四种方式中的三种被认为是近场耦合，包括：传导耦合、电场耦合和磁场耦合，耦合噪声，就是指高速强干扰数字电路和旁边的电路存在一定的耦合，噪声可以直接影响其他邻近的敏感模拟电路，这种噪声更厉害。第四种机制是远场辐射耦合，其中电磁能在多个波长上辐射。
电路中除意图信号以外的一切信号，不管它对电路是否造成影响，都可称为噪声。干扰是指的某种效应，是由于噪声原因对电路造成的一种不良反应。
由于干扰源、耦合路径与受扰源共同组成了电磁兼容问题的三要素，因此设备噪声抑制措施的设计与实施也围绕这三个方面展开。从降低设备端口噪声干扰的角度出发，基本思路包括切断耦合路径与减少干扰源发射两种，并由此衍生出不同的措施。在不便减少干扰源强度的情况下，通常采用的抗干扰手段，主要包括屏蔽(主要针对远场辐射耦合)、隔离、滤波、接地等方法。最常见的方法是在设备端口加装电磁干扰(ElectromagneticInterference,EMI)滤波器来应对近场耦合干扰。这种方法是将设备整体视为“黑盒子”，不考虑其内部的噪声产生和耦合机理，利用设备噪声源阻抗与滤波器阻抗不匹配的原理，切断设备之间的耦合路径，实现噪声的抑制。这种方法通用性很强。目前，普遍采用的是无源电磁干扰(EMI)滤波器。无源EMI滤波器的基本结构和设计方法已经比较成熟，但是无源EMI滤波器因为寄生参数的原因高频性能不佳。器件寄生参数是一种抑制措施设计中的典型非理想因素，滤波器无源器件寄生参数抑制通常需引入其他无源器件，而引入器件的自身寄生参数一方面可能会削弱噪声抑制的实际效果，另一方面为噪声引入了额外的通路，带来额外寄生效应，导致噪声实际抑制效果不佳。
信号端口所用低通无源滤波器通常有RC和LC两种方式。
RC滤波器相对于LC滤波器来说，更容易小型化或者集成，LC相对体积就大多了；
RC滤波器有耗损，LC滤波器理论上可以无耗损；
RC比LC的体积要小，成本要低；
RC用在低频电路中，LC滤波一般用在高频电路中；
RC滤波中的电阻要消耗一部分直流电压，R不能取得很大，用在电流小要求不高的电路中，滤波效果不如LC电路；LC滤波主要是电感的电阻小，直流损耗小对高频的感抗大，滤波效果好。
滤波级数越多效果也好，但是带来的是损耗和成本越高，所以不建议超过3级；
LC滤波器应用的频率范围为1kHz～1.5GHz，由于受限于其中电感的Q值，频率响应的截至区不够陡峭。
有源EMI滤波技术是一种较新的EMI滤波方法，可减弱电磁干扰。有源滤波放大技术可以解决传统的滤波放大方法实时性差,成本高的问题。
减少PCB设计上电磁干扰(EMI)的最佳方法之一就是灵活地使用运算放大器作为有源滤波器。在许多应用中，运算放大器的这个作用通常被忽略了。这可能是源于“运放易受EMI的影响，且必须采取额外的措施来增强其对噪声的抗干扰性”这样一种技术偏见。
发明内容：
本发明的目的是提供一种减少电缆/电路的输入CM噪声，增强对高频EMI或RFI的抗扰性的多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路，其组成包括:差模噪声的有源滤波、降低输入共模噪声、提高对RFI和其它高频EMI的抗扰度、低输出阻抗减小干扰、仿真对比验证，所述的差模噪声的有源滤波是通过寄生电容CP耦合到输入信号中的DM噪声，组合信号和噪声由一阶有源低通滤波器接收，差分运放电路的低通截止频率被设置为仅高于由R2和C1确定的所需信号带宽，较高的频率以20dB/decade的幅度衰减，如果需要更大衰减，则使用高阶有源滤波器；所述的降低输入共模噪声为在两个运放输入端是公共的噪声电压，并且不是运放试图测量或调节的预期差模信号的一部分，所述的提高对RFI和高频EMI的抗扰度是有源滤波使用EMI强化的运放和将外部EMI/RFI滤波器添加到运放的输入，所述的低输出阻抗减小干扰是其极低的输出阻抗，所述的仿真对比验证是使用1pF的寄生电容进行的仿真。
所述的多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路，所述的降低输入共模噪声，共模CM噪声源在电路输入端产生噪声；CM噪声在两个运放输入端是公共或相同的噪声电压，电压的这些差异会导致意外的压降并干扰连接电路的电流流动；
每个运放指定了共模抑制比CMRR，但电路的总CMRR还包括输入和反馈电阻的影响；电阻变化强烈影响CMRR，需要容差为0.1％、0.01％或更好的匹配电阻、实现应用所需的CMRR。
所述的多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路，所述的提高对RFI和其它高频EMI的抗扰度，DM和CM RFI噪声由内部二极管整流；第一个使用EMI强化(EMI-hardened)的运放，它包括内部输入滤波器，抑制数十MHz至高达千MHz范围内的噪声；第二个是将外部EMI/RFI滤波器添加到运放的输入；
没有输入滤波器时，电路增益为|R2/R1|；如果添加了无源输入滤波器，通常需要R3电阻来防范CDM电容降低放大器的相位裕度；DM低通滤波器由R1电阻、CDM和两个CCM电容组成；
CM低通滤波器使用R1电阻和两个CCM电容；DM和CM滤波器(fC_DM和fC_CM)的-3dB截止频率的等式为；
Figure BDA0003475828780000041
Figure BDA0003475828780000042
所述的多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路，所述的低输出阻抗减小干扰，运放的另一个重要特性是其极低的输出阻抗，在配置中为几欧姆或更小，低阻抗降低EMI。
所述的多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路，所述的仿真对比验证，降低受扰电路的阻抗是降低其对耦合噪声敏感性的一种方法；对于具有较高源阻抗(>50Ω)的电路，通过最小化与电路负载相关的源阻抗来降低耦合噪声。
有益效果：
1.本发明有源运放滤波器能够在电路带宽内显著降低PCB上的EMI和噪声，期望的差模(DM)信号能够被频带限制，而不需要的DM噪声被滤除掉。
2.本发明有源滤波器的运放通常具有比前更好的EMI免疫性能。尤其是运放电路能够为减少其系统和PCB设计中的噪音能提供一些关键优势，主要在EMI性能提升方面。
3.本发明运放能够帮助减小PCB上的近场EMI，并强化系统设计。尤其是与LC方式的无源滤波对比，采用基于运放的有源低通滤波器，里边没有电感，节省PCB占用面积，并减少对风道的阻挡。有源滤波放大技术能够解决传统的滤波放大方法实时性差,成本高的问题。尤其是选择EMI强化的运放，使有源低通音频信号滤波器兼具EMI滤波作用。
4.本发明选择具有高CMRR的运放并使用精密匹配电阻，减少电缆/电路的输入CM噪声。
选择EMI强化器件，进一步增强对高频EMI或RFI(DM/CM噪声)的抗扰性。
当将信号驱动到PCB上的其它电路时，使用运放输出的低阻抗来降低耦合噪声。
通过对运放和所有其它电路应用适当的去耦策略来降低电源噪声。
附图说明：
附图1是本发明的DM和CM输入噪声施加于有源运放滤波器电路图。
附图2是本发明的无源EMI/RFI输入滤波器电路图。
附图3是本发明的仿真对比验证电路图。
附图4是本发明的仿真对比验证对比电路图。
附图5是本发明的运放电路图。
具体实施方式：
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：
一种多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路，其组成包括:差模噪声的有源滤波、降低输入共模噪声、提高对RFI和其它高频EMI的抗扰度、低输出阻抗减小干扰、仿真对比验证，所述的差模噪声的有源滤波是通过寄生电容(CP)耦合到输入信号中的DM噪声，组合信号和噪声由一阶有源低通滤波器接收，差分运放电路的低通截止频率被设置为仅高于由R2和C1确定的所需信号带宽，较高的频率以20dB/decade的幅度衰减，如果需要更大衰减，则使用高阶有源滤波器；所述的降低输入共模噪声为在两个运放输入端是公共的噪声电压，并且不是运放试图测量或调节的预期差模信号的一部分，所述的提高对RFI和其它高频EMI的抗扰度是有源滤波使用EMI强化(EMI-hardened)的运放和将外部EMI/RFI滤波器添加到运放的输入，所述的低输出阻抗减小干扰是其极低的输出阻抗，所述的仿真对比验证是使用1pF的寄生电容进行的仿真。
实施例2：
实施例1所述的多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路，附图1显示了通过寄生电容(CP)耦合到输入信号中的DM噪声。组合信号和噪声由一阶有源低通滤波器接收。差分运放电路的低通截止频率被设置为仅高于由R2和C1确定的所需信号带宽。较高的频率以20dB/decade的幅度衰减。如果需要更大衰减，则可以使用高阶有源滤波器(例如，-40或-60dB/decade)。推荐使用<1％容差的电阻。同样，具有极好温度系数(NPO、COG)和5％(或<5％)容差的电容器可获得最佳的滤波器性能。
运放提供增益以及提高带负载能力。负载不直接与RC网络联接，而通过高输入阻抗，低输出阻抗的运放连接，其RC网络的滤波性能不受负载的影响。电路除有滤波功能外，还有放大作用。
实施例3：
实施例1所述的多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路，所述的降低输入共模噪声，附图1中，共模(CM)噪声源也在电路输入端产生噪声。CM噪声可被描述为在两个运放输入端是公共(或相同)的噪声电压，并且不是运放试图测量或调节的预期差模信号的一部分。CM噪声可以多种方式发生。一个示例是：一个系统，其中一个电路的接地参考电压与其接口的第二个电路处于不同的电压电位。“接地”电压的差异可以是毫伏级或若干伏水平，并且也可能发生在许多不同的频率。电压的这些差异会导致意外的压降并可能干扰连接电路的电流流动。
具有众多电路的多谋体通信设备通常易受这种类型的干扰。
运放的一个关键优点是它们的差分输入级架构，以及在配置为差分放大器时抑制CM噪声的能力。为每个运放指定了共模抑制比(CMRR)，但电路的总CMRR还必须包括输入和反馈电阻的影响。电阻变化强烈影响CMRR。因此，需要容差为0.1％、0.01％或更好的匹配电阻、才能实现应用所需的CMRR。虽然使用外部电阻可以实现良好的性能，但使用具有内部微调电阻的仪器或差分放大器也是一种选择。例如，INA188是具有内部微调电阻和104dB高CMRR的仪表放大器。
在附图1中，如果噪声在电路的有效带宽内，则CM噪声(VCM_noise＝VCM1＝VCM2)可被运放电路的CMRR所抑制。抑制水平取决于R2/R1选择的精确匹配电阻。公式1可用于确定CMRRTOTAL，它包括数据手册中规定的电阻容差(RTOL)和运放CMRR的影响。例如，如果运放数据手册给定其CMRR(dB)＝90dB，则(1/CMRRAMP)＝0.00003。在许多电路中，电阻容差成为实现目标CMRRTOTAL的主要限制因素。
方程式1是从理想运放的CMRR等式中导出，其中CMRRAMP项被假定为非常大(无穷大)。对于理想运放，(1/CMRRAMP)项为零，CMRRTOTAL仅由电阻和AV确定。CMRRTOTAL可以使用公式2转换为dB。
Figure BDA0003475828780000071
CMRRTOTAL(dB)＝20log10(CMRRTOTAL) (2)
其中AV＝运放的闭环增益，RTOL＝R1和R2的容差％(例如，0.1％，0.01％，0.001％)，CMRRAMP＝数据表规范中以十进制格式表示的CMRR(不是dB)。
实施例4：
实施例1所述的多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路，所述的提高对RFI和其它高频EMI的抗扰度，有源滤波和CMRR可以可靠地降低器件频带限制范围内的电路噪声，包括高至MHz范围的DM和CM EMI。然而，暴露于高于预期工作频率范围的RFI噪声可能会导致器件的非线性行为。运放在其高阻抗差分输入级最易受RFI影响，因为DM和CM RFI噪声可由内部二极管(由硅上的p-n结形成)整流。这种整流产生一个小的直流电压或偏移，被放大并可能在输出端表现为错误的直流偏移。根据系统的精度和灵敏度，这可能会产生不良的电路性能或行为。使用两种方法之一可提高运放对RFI的免疫力(或降低易感性)。第一个也是最好的选择是使用EMI强化(EMI-hardened)的运放，它包括内部输入滤波器，可以抑制数十MHz至高达千MHz范围内的噪声。多家器件厂商目前可提供多种EMI强化器件，标注EMI Hardened。第二个选择是将外部EMI/RFI滤波器添加到运放的输入。
附图2显示了使用外部DM和CM滤波器的标准差分放大器配置，其针对的是更高的EMI频率。
附图2：无源EMI/RFI输入滤波器提高了高频抗扰度
没有输入滤波器时，电路增益为|R2/R1|。如果添加了无源输入滤波器，通常需要R3电阻来防范CDM电容降低放大器的相位裕度。DM低通滤波器由R1电阻、CDM和两个CCM电容组成。
CM低通滤波器使用R1电阻和两个CCM电容。DM和CM滤波器(fC_DM和fC_CM)的-3dB截止频率的等式如下所示。fC_DM设置为运放电路的期望带宽以上的频率，并且通常首先确定CDM。然后将CCM电容选择为比CDM小至少十倍，以将其对fC_DM的影响降至最低，且还因为CCM电容针对较高频率。所以，fC_CM将被设置为高于fC_DM的频率。请注意，EMI硬化器件可用于取代红色线框所包围的器件，简化了设计。
Figure BDA0003475828780000081
Figure BDA0003475828780000082
实施例1所述的多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路，所述的低输出阻抗减小干扰，运放的另一个重要特性是其极低的输出阻抗，在大多数配置中通常为几欧姆或更小，低阻抗有益于降低EMI。
实施例6：
实施例1所述的多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路，所述的仿真对比验证，附图3中的图表示两个电路。第一个是模数转换器(ADC)的输入音频电路，它包括1VP-P，2kHz正弦波(VS1)、600Ω源阻抗(RS1)和一个20kΩ负载阻抗(RL1)。诸如600Ω的源阻抗常见于麦克风等音频应用；高输入阻抗(如20k)常见于音频ADC。第二个电路是驱动3.3V时钟信号(VS2)的100kHz时钟源，串联终端电阻为22Ω(RS2)，负载阻抗为500kΩ(RL2)。高阻抗负载表示另一个器件的数字输入。
在实际系统中，100至400kHz范围内的I2C串行总线时钟在音频ADC和电路中很常见。虽然I2C时钟通常以突发(不连续)方式驱动，但此模拟显示了在时钟驱动时可能产生的影响。在高密度音频和信息娱乐PCB设计中，在敏感音频走线附近的时钟走线的的确确会出现。只需几个pF的寄生PCB电容就可发生电容耦合、并将时钟噪声电流注入到受扰音频信号中。附图3是仅使用1pF的寄生电容进行的仿真示例。
附图3：时钟噪声源和音频受扰电路
Audio input:音频输入
Victim circuit:受扰电路
Clock driver:时钟驱动器
Noise circuit:噪声电路
ADC Input:ADC输入
Parasitic capacitance between circuits 1and 2:电路1与电路2之间的寄生电容
Audio with 100kHz clock noise:伴随有100kHz时钟噪声的音频
Time:时间
音频电路如何降低噪声？事实证明，降低受扰电路的阻抗是降低其对耦合噪声敏感性的一种方法。对于具有较高源阻抗(>50Ω)的电路，可以通过最小化与电路负载相关的源阻抗来降低耦合噪声。在附图4中，同相配置的OPA350被添加到电路中以缓冲信号并将源阻抗与负载隔离开来。与600Ω相比，运放的输出阻抗非常低，这显着降低了时钟噪声。
附图4：可以减小时钟源EMI的运放电路
在电源引脚添加去耦电容对于高频EMI噪声的滤除及增强运放电路的抗扰度非常有益。去耦选择具有以下特性的电容：
(a)非常好的温度系数，如X7R、NPO或COG
(b)极低的等效串联电感(ESL)
(c)所需频谱范围内的最低阻抗
(d)1至100nF范围内的电容值通常很给力，但上述标准(b)和(c)比电容值(d)更重要。
电容的位置和走线连接与所选电容一样重要。将电容尽可能靠近电源引脚。电容与PCB电源/接地的连接应尽可能短，可采用短走线或过孔连接。

Claims (5)

1.一种多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路，其组成包括:差模噪声的有源滤波、降低输入共模噪声、提高对RFI和其它高频EMI的抗扰度、低输出阻抗减小干扰、仿真对比验证，其特征是:所述的差模噪声的有源滤波是通过寄生电容CP耦合到输入信号中的DM噪声，组合信号和噪声由一阶有源低通滤波器接收，差分运放电路的低通截止频率被设置为仅高于由R2和C1确定的所需信号带宽，较高的频率以20dB/decade的幅度衰减，如果需要更大衰减，则使用高阶有源滤波器；所述的降低输入共模噪声为在两个运放输入端是公共的噪声电压，并且不是运放试图测量或调节的预期差模信号的一部分，所述的提高对RFI和高频EMI的抗扰度是有源滤波使用EMI强化的运放和将外部EMI/RFI滤波器添加到运放的输入，所述的低输出阻抗减小干扰是其极低的输出阻抗，所述的仿真对比验证是使用1pF的寄生电容进行的仿真。
2.根据权利要求1所述的多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路，其特征是:所述的降低输入共模噪声，共模CM(共模Common mode)噪声源在电路输入端产生噪声；CM噪声在两个运放输入端是公共或相同的噪声电压，电压的这些差异会导致意外的压降并干扰连接电路的电流流动；
每个运放指定了共模抑制比CMRR(共模抑制比(common-mode rejection ratio)，但电路的总CMRR还包括输入和反馈电阻的影响；电阻变化强烈影响CMRR，需要容差为0.1％、0.01％或更好的匹配电阻、实现应用所需的CMRR。
3.根据权利要求1所述的多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路，其特征是:所述的提高对RFI和其它高频EMI的抗扰度，DM和CM RFI噪声由内部二极管整流；第一个使用EMI强化(EMI-hardened)的运放，它包括内部输入滤波器，抑制数十MHz至高达千MHz范围内的噪声；第二个是将外部EMI/RFI滤波器添加到运放的输入；
没有输入滤波器时，电路增益为|R2/R1|；如果添加了无源输入滤波器，通常需要R3电阻来防范CDM电容降低放大器的相位裕度；DM低通滤波器由R1电阻、CDM和两个CCM电容组成；
CM低通滤波器使用R1电阻和两个CCM电容；DM和CM滤波器(fC_DM和fC_CM)的-3dB截止频率的等式为；
Figure FDA0003475828770000021
Figure FDA0003475828770000022
4.根据权利要求1所述的多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路，其特征是:所述的低输出阻抗减小干扰，运放的另一个重要特性是其极低的输出阻抗，在配置中为几欧姆或更小，低阻抗降低EMI。
5.根据权利要求1所述的多媒体通信设备中运放的模拟音频信号有源低通滤波电路，其特征是:所述的仿真对比验证，降低受扰电路的阻抗是降低其对耦合噪声敏感性的一种方法；对于具有较高源阻抗(>50Ω)的电路，通过最小化与电路负载相关的源阻抗来降低耦合噪声。
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