AN-1055: AD7746的EMC保护 (Rev. 0) PDF

AN-1055: AD7746的EMC保护 (Rev. 0) PDF
AN-1055
应用笔记
One Technology Way • P.O. Box 9106 • Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. • Tel: 781.329.4700 • Fax: 781.461.3113 • www.analog.com
AD7746的EMC保护
作者:Holger Grothe和Mary McCarthy
简介
EMC SOURCE
AD7746是一款24位电容数字转换器(CDC)。该器件可直接
RADIATIVE COUPLING
DEVICE 1
EMC SINK
DEVICE 2
AD7746输入引脚。
电磁干扰会使容性传感器周围的电场失真,从而改变电容
CONDUCTIVE COUPLING
08743-001
测量浮地式容性传感器的电容,即传感器直接连接至
图1.EMC耦合路径
测量值,影响转换结果。为了防止AD7746受此电磁干扰影
响,需要使用某种外部滤波。然而,在信号路径中内置滤
针对恶劣环境设计系统时,必须将EMC考虑在内且必须在
波器有一定难度,因为滤波器会降低电容数字转换的精
设计阶段进行EMC测试。EMC测试分为不同的级别:系统
度。本应用笔记讨论AD7746引脚上的外部滤波器可以实现
级测试、子系统级测试和IC级测试。测试方法根据每个
的EMC性能,以及滤波器对AD7746精度的影响。
EMC测试级别进行定义。
什么是EMC?
对一个子系统或者一颗IC器件在EMC性能上的要求取决于
电磁兼容性(EMC)是指没有对环境造成电磁辐射并且能在
器件的功能及其在系统中的位置。例如,在汽车应用中,
电磁辐射环境中工作的能力。当达到这个目标时,所有的
如果一个器件与汽车电池或底盘连接,那么它必须有较高
电子设备可以与其它设备一起正常工作。一个系统中包含
的EMC性能。如果器件局限于印制电路板(PCB)区域内,
多个EMC耦合路径:空间耦合、传导耦合、电感耦合和电
那么它对EMC级别的要求较少。
容耦合(见表1)。
AD7746是一款集成电路:因此,依据国际标准IEC62132第
4部分,用直接功率注入进行EMC测试。AD7746局限于
PCB区域内并与传感器有局部连接。因此,电磁干扰的级
别会较低。
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AN-1055
应用笔记
目录
简介.....................................................................................................1
轻型滤波器 ...............................................................................6
什么是EMC?...................................................................................1
轻中型滤波器...........................................................................8
电容数字转换器的架构..................................................................3
中型滤波器 .............................................................................10
AD7746 ......................................................................................3
中重型滤波器.........................................................................12
EMC测试 ...........................................................................................4
重型滤波器 .............................................................................14
无外部滤波器时AD7746的EMC性能 .................................5
EXC引脚 ..........................................................................................16
有外部滤波器时AD7746的EMC性能 .................................5
EXC引脚上的DPI(无外部滤波器).....................................16
CIN引脚 .............................................................................................6
有外部滤波器时AD7746的EMC性能 ...............................16
结论...................................................................................................18
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AN-1055
应用笔记
电容数字转换器的架构
0
影响AD7746工作的。电容数字转换器利用开关电容技术构
–10
建电荷平衡电路来测量电容(见图2)。
–20
FEEDBACK LOOP
CINT
Q=V×C
OFF-CHIP
–70
COMPARATOR
EXCITATION
VOLTAGE
–50
–60
DIGITAL
FILTER
08743-002
CSENSOR
0100110
INTEGRATOR
–40
–80
0
8
16
24
32
40
48
56
64
08743-003
VREF (–)
–30
37
08743-004
CREF
VREF (+)
FILTER GAIN (dB)
了解电容数字转换器(CDC)的架构有助于理解EMC是如何
INPUT SIGNAL FREQUENCY (kHz)
图2.CDC架构
图3.AD7746滤波器响应
检测电容CSENSOR和内部参考电容CREF以固定采样率进行开
0
关,它们的电荷被泵入积分器。比较器检测积分器的输出
–10
并控制输入开关的相位来关闭反馈环路,从而平衡流过
比较器输出的0和1组成的数据流随着环路平衡所需的电荷
量而变化。电荷与电压和电容成比例。因为电压EXC和
VREF是固定值,所以0和1的密度代表输入电容CSENSOR与参
FILTER GAIN (dB)
–20
CSENSOR和参考路径的电荷。
考电容CREF的比值。片内数字滤波器从0和1组成的时域编
–30
–40
–50
–60
码中提取信息形成数字结果。由于滤波是数字的,直流附
–70
近的响应在采样频率及其倍频附近重复。因此,片内数字
–80
27
滤波器在采样频率及其倍频附近没有提供抑制。
32
INPUT SIGNAL FREQUENCY (kHz)
AD7746
图4.32 kHz范围内的频率响应
AD7746使用二阶调制器和三阶sinc滤波器。默认情况下,
0
激励频率即容性输入采样频率等于32 kHz。因此,片内滤
IDEAL
–10
波器响应在32 kHz及32 kHz的倍频处重复(见图3)。在噪声
制。32 kHz信号用于激励和测量电容。这样,理想的外部
滤波器应该允许32kHz信号无衰减地通过并在64kHz附近及
更高的频率进行滤波。
–20
FILTER GAIN (dB)
环境中,需要前端的某种附加滤波对32 kHz的倍频进行抑
理想的砖墙式滤波器能实现这一响应(见图5中绿线)。然
而,因为CDC器件测量从激励引脚到容性输入引脚的电
ACTUAL
–30
–40
–50
–60
–70
用的是实际无源滤波器(参见图5中的蓝色)。此滤波器滚降
较慢。必须在无衰减地通过32kHz与有衰减地通过32kHz倍
频之间做出权衡取舍(见图4)。
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–80
10
100
INPUT SIGNAL FREQUENCY (kHz)
图5.抗混叠滤波器
1000
08743-005
荷,所以外部滤波器只能使用无源器件。因此,实践中采
AN-1055
应用笔记
EMC测试
对于EMC测试,使用图6所示DPI设置:这个图摘自IEC
DC
SUPPLY
62132第4部分。DPI测试设置包括一个RF信号发生器、一
TEST
PCB
50Ω
COAX
个RF放大器、一个定向耦合器(耦合器通过探头与一个RF
=
DIRECTIONAL
COUPLER
功率计连接来测量到DUT的前向功率)。测量反射功率是
DECOUPLING
NETWORK
DC
BLOCK
可选的,因为在DPI扫描时前向功率水平必须保持不变。
RF
AMPLIFIER
AD7746的所有引脚必须进行EMC测试。EXC、CIN和VDD
PFOR
RF
INJECTION
PORT
PREFL
DUT
引脚是最敏感的。因此,本应用笔记关注重点是这些引
EXC和VDD引脚逐一施加连续的RF频率。测试方法推荐使
RF
POWER
METERS
BUS
用6.8 nF的AC耦合电容。这个电容用在VDD引脚。然而,
OPTIONAL:
CONTROL PC
DUT
MONITOR
EXC和CIN引脚使用更小的电容(47 pF),因为IEC 62132第4
08743-006
RF
GENERATOR
脚。根据IEC 62132第4部分,通过AC耦合(见图7)对CIN、
图6.DPI测试设置
部分中建议的电容值超过了AD7746允许的最大接地电容。
根据IEC 62132第4部分,频率以1 MHz为步进从1 MHz增加
47pF
FILTER
到100 MHz,以10 MHz为步进从100 MHz增加到1000 MHz。
ADI以50 mW为目标功率。每步均测量AD7746的误差和峰
DPI SYSTEM
CIN
CSENSOR
4pF
峰值噪声。
AD7746
FILTER
EXC
47pF
由于预计所用外部滤波器在低频时效果较差,且预计
AD7746对32kHz(AD7746所用的主时钟频率)附近的频率及
其倍频较敏感,因此ADI公司以200 Hz的较小步进在较低
0.1µF
08743-007
VDD
6.8nF
10µF
图7.AD7746与DPI系统的连接
频率范围进行一次附加扫描。
在执行EMC测试前评估DPI系统所引入的噪声。表1显示当
对于所有EMC测试,AD7746配置如下:
•
•
输入端不连接电容时、连接4pF电容时以及将DPI电缆连接
差分模式
至系统时,AD7746可实现的峰峰值分辨率。布线会降低
采样时钟 = 32 kHz
AD7746的性能。
连续转换模式
表1. DPI设备所引入的噪声
增益 = 1
斩波禁用
激励电压 = VDD/2
转换时间 = 62.1 ms
连接至AD7746
无负载电容
峰峰值分辨率
15.5 位
有负载电容
14 位
有负载电容和RF电缆
12 位
使用一个固定4 pF电容来代替传感器。此电容产生接近满
量程的转换。为了确保在RF干扰期间AD7746转换不超出
范围,人为缩小输入电容。
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AN-1055
应用笔记
无外部滤波器时AD7746的EMC性能
有外部滤波器时AD7746的EMC性能
为了确定AD7746的EMC性能,先在没有外部滤波器时进
选择外部滤波器
行EMC测试。所有引脚均经过EMC测试。CIN引脚最为敏
外部滤波器应该允许32kHz信号(AD7746采样频率)无衰减
感。请注意,以50mW为目标功率时,AD7746仍保持正常
地通过并在64kHz附近及更高的频率进行滤波。理想的砖
功能。当DPI信号消除时,器件绝不会闩锁并可恢复至预
墙式滤波器能实现这一响应(见图5中绿线)。然而,因为
期精度。
CDC器件测量从激励引脚到容性输入引脚的电荷,所以外
CIN引脚上的DPI(无外部滤波器)
部滤波器只能使用无源器件。因此,实践中采用的是实际
当施加至CIN的RF频率以1MHz为步进从1MHz扫描到100
无源滤波器。
MHz并以10MHz为步进从100MHz扫描到1000MHz时,在
在对若干无源滤波器结构进行评估之后,选择了二阶滤波
低频、在160 MHz至210 MHz范围内以及超过680 MHz频率
器用于CIN引脚,因为它在合理范围内使用少量非精密器
时误差很明显。对于超过800MHz的RF频率,AD7746转换
件提供了良好的频率响应和滚降性能。评估了五种不同的
无效。
二阶滤波器,分别为
•
•
•
•
•
20
0
ERROR (%FS)
–20
轻型滤波器
轻中型滤波器
中型滤波器
中重型滤波器
重型滤波器
在五种滤波器中,轻型滤波器滚降最低。因此,它在64
–40
kHz及其倍频下抑制效果最差。但AD7746精度所受影响最
–60
少。相比之下,重型滤波器在64kHz及其倍频时抑制效果
最好。但滤波器中所用R和C值更大,会影响AD7746的精
–80
1
10
100
FREQUENCY (MHz)
1k
08743-008
度。
–100
对于EXC引脚,用一阶滤波器足以达到期望的EMC性能。
最后,VDD引脚使用标准去耦电容(一个0.1μF陶瓷电容与
图8. 无外部滤波器时在引脚CIN以1 MHz为步进从
1 MHz到100 MHz进行DPI测试,以及以10 MHz为步进从
100 MHz到1000 MHz进行DPI测试的误差
一个10μF钽电容并联到GND)。用这些去耦电容可以达到
期望的EMC性能。
峰峰值噪声在低频时大幅增加(参见图9)。在高频时,转换
无效。
400
PEAK-TO-PEAK NOISE (fF)
350
300
250
200
150
100
0
1
10
100
FREQUENCY (MHz)
1k
08743-009
50
图9. 无外部滤波器时在引脚CIN以1 MHz为步进从
1 MHz到100 MHz进行DPI测试,以及以10 MHz为步进从
100 MHz到1 MHz进行DPI测试的峰峰值噪声
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AN-1055
应用笔记
CIN引脚
轻型滤波器
采用轻型滤波器时AD7746的性能
连接到CIN引脚的二阶滤波器和连接到EXC引脚的一阶滤
与CIN和EXC引脚连接的外部滤波器影响AD7746的转换精
波器的元件值如图10所示。使用一个3.995pF电容来代替容
度。图12表明输入到输出传递函数的变化。使用外部滤波
相移是−8.4°,在1 MHz的衰减是-15.5 dB。
器时,失调误差为0.05 pF(1.21% FS),而增益误差为−0.014
pF(−0.34% FS)。
4.0
12k
68pF
CSENSOR
3.995pF
CIN
22pF
AD7746
8.2k
EXC
08743-010
47pF
图10. AD7746前端的无源滤波器
0
0
–60
–40
PHASE
RESPONSE
–50
–90
–60
–120
–70
–80
–150
–90
–100
1
10
100
1k
FREQUENCY (kHz)
10k
–180
100k
2.5
2.0
1.5
1.0
0
–30
PHASE (Degrees)
–30
FREQUENCY
RESPONSE
08743-011
ATTENUATION (dB)
ATTENUATION
AT 1MHz
3.0
TRANSFER FUNCTION
WITH EXTERNAL FILTER
TRANSFER FUNCTION
WITHOUT EXTERNAL FILTER
0.5
–10
–20
GAIN ERROR: –0.34%FS
OFFSET ERROR: 1.21%FS
3.5
MEASURED CAPACITANCE (pF)
6.8k
图11.轻型滤波器的频率响应/相位响应
Rev. 0 | Page 6 of 20
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
SET CAPACITANCE (pF)
3.5
4.0
图12.有外部滤波器和无外部滤波器时AD7746的输入
到输出传递函数
08743-012
性传感器。二阶滤波器的截止频率是455kHz,在32 kHz的
AN-1055
应用笔记
采用轻型滤波器时的EMC性能
当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以10
当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100MHz并以
MHz为步进从100MHz扫描到1000MHz(参见图15)时,峰峰
10 MHz为步进从100MHz扫描到1000 MHz时,在低频下存
值(p-p)噪声在1 MHz至2 MHz时最高(3.8 fF)。在740 MHz和
在容性传感器读数误差。该误差在低频下一般为1.2% FS。
820 MHz时,p-p噪声为2.6 fF。在所有其他频率时该噪声均
在更高频,误差一般降低至0.015% FS。当以200Hz为步进
低于2.5 fF。
在1 MHz至5 MHz范围内进行DPI测试(参见图14)时,器件
红线表示当不施加RF频率时的峰峰值噪声。当以200 Hz为
对32kHz倍频附近的窄带频率有一定敏感性,测得最大误
差为2.2% FS。
步进在1 MHz至5 MHz范围内重复DPI测试(参见图16)时,
可看到器件对32 kHz倍频附近的窄带频率有一定敏感性。
峰峰值噪声在1 MHz附近最高,为620 fF。
1.2
16
1.0
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
RF SIGNAL APPLIED
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
NO RF SIGNAL APPLIED
14
PEAK-TO-PEAK NOISE (fF)
0.6
0.4
0.2
0
10
100
FREQUENCY (MHz)
1k
10
8
6
4
2
0
–2
图13.CIN FS误差:从1 MHz到1000 MHz的扫描
1
10
100
FREQUENCY (MHz)
图15.CIN峰峰值噪声:从1 MHz到1000 MHz的扫描
2.5
2.0
700
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
RF SIGNAL APPLIED
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
NO RF SIGNAL APPLIED
1.5
600
PEAK-TO-PEAK NOISE (fF)
ERROR (%FS)
1.0
0.5
0
–0.5
–1.0
–1.5
–2.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
FREQUENCY (MHz)
4.0
4.5
5.0
500
400
300
200
100
08743-014
–2.5
1.0
1k
08743-015
1
08743-013
–0.2
12
图14.CIN FS误差:以200Hz为步进从1MHz到5MHz的精细扫描
0
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
FREQUENCY (MHz)
4.0
4.5
图16. CIN峰峰值噪声:以200Hz为步进从
1MHz到5MHz的精细扫描
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5.0
08743-016
ERROR (%FS)
0.8
AN-1055
应用笔记
轻中型滤波器
采用轻中型滤波器时AD7746的性能
连接到CIN引脚的二阶滤波器和连接到EXC引脚的一阶滤
与CIN和EXC引脚连接的外部滤波器影响AD7746的转换精
波器的元件值如图17所示。
度。图19表明输入到输出传递函数的变化。使用外部滤波
使用一个固定3.995 pF电容来代替容性传感器。二阶滤波
器时,失调误差为0.28 pF(6.84% FS),而增益误差为-0.16
器的截止频率是359 kHz,在32 kHz的相移是-10.5°,在
pF(-3.90% FS)。
4.0
GAIN ERROR: –3.90%FS
OFFSET ERROR: 6.84%FS
8.2kΩ
16kΩ
68pF
CSENSOR
3.995pF
MEASURED CAPACITANCE (pF)
3.5
CIN
22pF
AD7746
10kΩ
EXC
08743-017
47pF
图17. AD7746前端的无源滤波器
0
–30
–90
–60
–120
–70
–80
PHASE (Degrees)
PHASE
RESPONSE
–50
–60
–150
–90
–100
1
10
100
1k
FREQUENCY (kHz)
10k
–180
100k
08743-018
ATTENUATION (dB)
FREQUENCY
RESPONSE
1.5
1.0
TRANSFER FUNCTION
WITH EXTERNAL FILTER
TRANSFER FUNCTION
WITHOUT EXTERNAL FILTER
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
SET CAPACITANCE (pF)
3.5
图19. 有外部轻中型滤波器和无外部轻中型滤波器
时AD7746的输入到输出传递函数
ATTENUATION
AT 1MHz
–40
2.0
0
–10
–30
2.5
0.5
0
–20
3.0
图18.轻重型滤波器的频率响应
Rev. 0 | Page 8 of 20
4.0
08743-019
1 MHz的衰减是-19 dB。
AN-1055
应用笔记
采用轻中型滤波器时的EMC性能
当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以10
当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以10
MHz为步进从100MHz扫描到1000MHz(参见图22)时,峰峰
MHz为步进从100 MHz扫描到1000 MHz扫描(参见图20),
值噪声在1 MHz时最高(4.6 fF)。当以200 Hz为步进在1 MHz
在1 MHz至2 MHz之间存在容性传感器读数误差。在1 MHz
至5MHz范围内重复DPI测试(图23)时,峰峰值噪声在1 MHz
时误差最大,为0.7%。超过2MHz时,测得最大误差为
附近最高,为430fF。噪声随RF频率增加而逐渐降低。
0.013%。当以200 Hz为步进在1 MHz至5 MHz范围内重复
DPI测试(图21)时,器件在32 kHz倍频附近的敏感度降低,
16
测得最大误差为0.8% FS。
PEAK-TO-PEAK NOISE (fF)
1.2
1.0
0.6
0.4
12
10
8
6
4
2
–2
0
10
100
FREQUENCY (MHz)
1k
10
100
FREQUENCY (MHz)
700
图20.CIN FS误差:从1 MHz到1000 MHz的扫描
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
RF SIGNAL APPLIED
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
NO RF SIGNAL APPLIED
600
PEAK-TO-PEAK NOISE (fF)
2.5
2.0
1.5
1.0
ERROR (%FS)
1k
图22.CIN峰峰值噪声:从1 MHz到1000 MHz的扫描
08743-020
1
1
08743-022
0
0.2
0.5
0
500
400
300
200
–0.5
100
–1.0
–1.5
0
1.0
–2.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
FREQUENCY (MHz)
4.0
4.5
5.0
2.0
2.5
3.0
3.5
FREQUENCY (MHz)
4.0
4.5
图23. CIN峰峰值噪声:以200Hz为步进从
1MHz到5MHz的精细扫描
08743-021
–2.5
1.0
1.5
图21.CIN FS误差:以200Hz为步进从1MHz到5MHz的精细扫描
Rev. 0 | Page 9 of 20
5.0
08743-023
ERROR (%FS)
0.8
–0.2
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
RF SIGNAL APPLIED
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
NO RF SIGNAL APPLIED
14
AN-1055
应用笔记
中型滤波器
采用中型滤波器时AD7746的性能
连接到CIN引脚的二阶滤波器和连接到EXC引脚的一阶滤
与CIN和EXC引脚连接的外部滤波器影响AD7746的转换精
波器的元件值如图24所示。使用一个3.995 pF电容来代替容
度。图26表明输入到输出传递函数的变化。使用外部滤波
性传感器。二阶滤波器的截止频率是205 kHz,在32 kHz的
器时,失调误差为0.83 pF(20.14% FS),而增益误差为-0.62
相移是-18.4°,在1 MHz的衰减是-28 dB。
pF(-15.19% FS)。
4.0
68pF
CSENSOR
3.995pF
CIN
22pF
AD7746
10kΩ
GAIN ERROR: –15.19%FS
OFFSET ERROR: 20.14%FS
3.5
EXC
08743-024
47pF
图24.AD7746前端的无源滤波器(中型滤波器)
0
0
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
TRANSFER FUNCTION
WITH EXTERNAL FILTER
TRANSFER FUNCTION
WITHOUT EXTERNAL FILTER
0.5
–10
ATTENUATION
AT 1MHz
–40
–60
FREQUENCY
RESPONSE
–50
–60
PHASE
RESPONSE
–70
–90
–120
–80
PHASE (Degrees)
–30
–150
–90
–100
1
10
100
1k
FREQUENCY (kHz)
10k
–180
100k
08743-025
ATTENUATION (dB)
0
–30
–20
图25.中型滤波器的频率响应
Rev. 0 | Page 10 of 20
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
SET CAPACITANCE (pF)
3.5
图26. 有外部中型滤波器和无外部中型滤波器
时AD7746的输入到输出传递函数
4.0
08743-026
27kΩ
MEASURED CAPACITANCE (pF)
15kΩ
AN-1055
应用笔记
当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以
采用中型滤波器时的EMC性能
当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以10
10 MHz为步进从100 MHz扫描到1000MHz扫描(参见图29),
MHz为步进从100 MHz扫描到1000 MHz(参见图27)时,在1
峰峰值噪声在7 MHz时最高(5.22 fF)。当以200 Hz为步进在
MHz至2 MHz之间存在容性传感器读数误差。在1 MHz时
1 MHz至5 MHz范围内重复DPI测试(参见图30)时,峰峰值
误差最大,为0.07%。超过2 MHz时,测得最大满量程误差
噪声在1 MHz附近最高,为140 fF。噪声随RF频率增加而逐
为0.02%。当以200Hz为步进在1MHz至5 MHz范围内重复
渐降低。
DPI测试(参见图28)时,器件对32 kHz倍频附近的频率仍有
一定敏感性,但测得最大满量程误差降低为0.35% FS。
8
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
RF SIGNAL APPLIED
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
NO RF SIGNAL APPLIED
7
PEAK-TO-PEAK NOISE (fF)
0.20
ERROR (%FS)
0.15
0.10
0.05
6
5
4
3
2
0
1
10
100
FREQUENCY (MHz)
1k
1
10
100
FREQUENCY (MHz)
160
图27.CIN FS误差:从1 MHz到1000 MHz的扫描
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
RF SIGNAL APPLIED
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
NO RF SIGNAL APPLIED
140
PEAK-TO-PEAK NOISE (fF)
0.4
0.3
0.1
0
–0.1
120
100
80
60
40
20
–0.2
0
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
FREQUENCY (MHz)
4.0
4.5
5.0
08743-028
–0.3
图28. CIN FS误差:以200Hz为步进从1MHz到5MHz的精细扫描
Rev. 0 | Page 11 of 20
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
FREQUENCY (MHz)
4.0
4.5
图30.CIN峰峰值噪声:以200Hz为步进从
1MHz到5MHz的精细扫描
5.0
08743-030
ERROR (%FS)
0.2
–0.4
1.0
1k
图29.CIN峰峰值噪声:从1 MHz到1000 MHz的扫描
08743-027
–0.05
0
08743-029
1
AN-1055
应用笔记
中重型滤波器
采用中重型滤波器时AD7746的性能
连接到CIN引脚的二阶中重型滤波器和连接到EXC引脚的
与CIN和EXC引脚连接的外部滤波器影响AD7746的转换精
一阶滤波器的元件值如图31所示。使用一个3.995 pF电容来
度。图33表明输入到输出传递函数的变化。使用外部滤波
代替容性传感器。二阶滤波器的截止频率是156 kHz,在
器时,失调误差为0.83 pF(20.18% FS),而增益误差为-0.83
32 kHz的相移是-23.6°,在1MHz的衰减是-33 dB。
pF(-20.23% FS)。
39kΩ
68pF
CSENSOR
3.995pF
4.0
3.5
22pF
MEASURED CAPACITANCE (pF)
AD7746
10kΩ
EXC
08743-031
47pF
图31.AD7746前端的无源滤波器(中重型滤波器)
0
0
–30
–30
2.5
2.0
1.5
1.0
–60
ATTENUATION
AT 1MHz
–40
FREQUENCY
RESPONSE
–50
–60
PHASE
RESPONSE
–70
–90
–120
–80
0
PHASE (Degrees)
–20
–150
–90
1
10
100
1k
FREQUENCY (kHz)
10k
–180
100k
08743-032
ATTENUATION (dB)
3.0
TRANSFER FUNCTION
WITH EXTERNAL FILTER
TRANSFER FUNCTION
WITHOUT EXTERNAL FILTER
0.5
–10
–100
GAIN ERROR: –20.23%FS
OFFSET ERROR: 20.18%FS
CIN
图32.中重型滤波器的频率响应
Rev. 0 | Page 12 of 20
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
SET CAPACITANCE (pF)
3.5
图33.有外部中重型滤波器和无外部中重型滤波器
时AD7746的输入到输出传递函数
4.0
08743-033
18kΩ
应用笔记
AN-1055
采用中重型滤波器时AD7746的性能
当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以
当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以10
10 MHz为步进从100 MHz扫描到1000MHz(参见图36)时,
MHz为步进从100 MHz扫描到1000 MHz(参见图34)时,测
峰峰值噪声在84 MHz时最高(4.7 fF)。当以200 Hz为步进在
得满量程误差在1 MHz时最大,为0.021%。在其余范围内
1 MHz至3 MHz范围内重复DPI测试(参见图37)时,测得最
最大满量程误差为0.013%。当以200 Hz为步进在1 MHz至
大峰峰值噪声为82 fF。噪声随RF频率增加而逐渐降低。
3 MHz范围内重复DPI测试(参见图35)时,测得最大满量程
8
误差为0.2% FS。
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
RF SIGNAL APPLIED
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
NO RF SIGNAL APPLIED
7
PEAK-TO-PEAK NOISE (fF)
0.20
ERROR (%FS)
0.15
0.10
0.05
6
5
4
3
2
0
1
10
100
FREQUENCY (MHz)
1k
1
08743-034
–0.05
0
10
100
FREQUENCY (MHz)
图36.CIN峰峰值噪声:从1 MHz到1000 MHz的扫描
160
图34.CIN FS误差:从1 MHz到1000 MHz的扫描
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
RF SIGNAL APPLIED
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
NO RF SIGNAL APPLIED
140
PEAK-TO-PEAK NOISE (fF)
0.4
0.3
0.2
ERROR (%FS)
1k
08743-036
1
0.1
0
120
100
80
60
40
–0.1
20
0
1.0
–0.4
1.0
1.5
2.0
FREQUENCY (MHz)
2.5
3.0
08743-035
–0.3
1.5
2.0
FREQUENCY (MHz)
2.5
图37.CIN峰峰值噪声:以200Hz为步进从
1MHz到3MHz的精细扫描
图35.CIN FS误差:以200Hz为步进从1MHz到3MHz的精细扫描
Rev. 0 | Page 13 of 20
3.0
08743-037
–0.2
AN-1055
应用笔记
重型滤波器
采用重型滤波器时AD7746的性能
连接到CIN引脚的二阶中重型滤波器和连接到EXC引脚的
与CIN和EXC引脚连接的外部滤波器影响AD7746的转换精
一阶滤波器的值如图38所示。使用一个3.995 pF电容来代替
度。图40表明输入到输出传递函数的变化。使用外部滤波
容性传感器。二阶滤波器的截止频率是80 kHz,在32 kHz
器时,失调误差为1.3 pF(32.05% FS),而增益误差为-2.39 pF
的相移是-44.8°,在1 MHz的衰减是-44 dB。
(-58.32% FS)。
4.0
68pF
CSENSOR
3.995pF
CIN
22pF
AD7746
10kΩ
EXC
08743-038
47pF
图38.AD7746前端的无源滤波器(重型滤波器)
0
0
FREQUENCY
RESPONSE
PHASE
RESPONSE
–30
–60
–40
–50
ATTENUATION
AT 1MHz
–90
–60
–120
–70
–80
–150
–90
–100
1
10
100
1k
FREQUENCY (kHz)
10k
–180
100k
2.5
2.0
1.5
1.0
0
–30
08743-039
ATTENUATION (dB)
–20
3.0
TRANSFER FUNCTION
WITH EXTERNAL FILTER
TRANSFER FUNCTION
WITHOUT EXTERNAL FILTER
0.5
PHASE (Degrees)
–10
GAIN ERROR: –58.32%FS
OFFSET ERROR: 32.05%FS
3.5
图39.重型滤波器的频率响应
Rev. 0 | Page 14 of 20
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
SET CAPACITANCE (pF)
3.5
图40. 有外部中重型滤波器和无外部中重型滤波器
时AD7746的输入到输出传递函数
4.0
08743-040
82kΩ
MEASURED CAPACITANCE (pF)
39kΩ
AN-1055
应用笔记
采用重型滤波器时的EMC性能
当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以
当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以
10 MHz为步进从100 MHz扫描到1000MHz(参见图43)时,
10 MHz为步进从100 MHz扫描到1000 MHz(参见图41)时,
峰峰值噪声在84 MHz时最高(3.7 fF)。当以200 Hz为步进在
测得最大满量程误差为0.01%。当以200 Hz为步进在1 MHz
1 MHz至3 MHz范围内重复DPI测试(参见图44)时,测得最
至3 MHz范围内重复DPI测试(参见图42)时,测得最大满量
大峰峰值噪声为30 fF。
程误差为0.05% FS。
8
0.20
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
RF SIGNAL APPLIED
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
NO RF SIGNAL APPLIED
PEAK-TO-PEAK NOISE (fF)
7
0.10
0.05
0
6
5
4
3
2
1
1
10
100
FREQUENCY (MHz)
1k
08743-041
0
–0.05
1
10
100
FREQUENCY (MHz)
1k
08743-043
ERROR (%FS)
0.15
图43. CIN峰峰值噪声:从1 MHz到1000 MHz的扫描
图41. CIN FS误差:从1 MHz到1000 MHz的扫描
160
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
RF SIGNAL APPLIED
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
NO RF SIGNAL APPLIED
0.4
140
PEAK-TO-PEAK NOISE (fF)
0.3
ERROR (%FS)
0.2
0.1
0
–0.1
120
100
80
60
40
–0.2
20
1.5
2.0
FREQUENCY (MHz)
2.5
3.0
0
1.0
08743-042
–0.4
1.0
1.5
2.0
FREQUENCY (MHz)
2.5
3.0
08743-044
–0.3
图44. CIN峰峰值噪声:以200Hz为步进从1MHz到3MHz的精细扫描
图42. CIN FS误差:以200Hz为步进从1MHz到3MHz的精细扫描
Rev. 0 | Page 15 of 20
AN-1055
应用笔记
EXC引脚
80
EXC引脚上的DPI(无外部滤波器)
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
RF SIGNAL APPLIED
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
NO RF SIGNAL APPLIED
70
PEAK-TO-PEAK NOISE (fF)
AD7746 EXC引脚在没有外部滤波器的情况下经过EMC测
试。请注意,以50 mW为目标功率时,AD7746仍保持正常
功能。当DPI信号消除时,器件绝不会栓锁并恢复预期精
度。
当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以
10 MHz为步进从100 MHz扫描到1000 MHz时,低频处误差为
6%。频率高达700 MHz时,误差为40%。频率超过700 MHz
60
50
40
30
20
0
1
10
100
FREQUENCY (MHz)
20
图46. EXC峰峰值噪声:从1 MHz到1000 MHz的扫描
(无外部滤波器)
0
选择外部滤波器
–20
ERROR (%FS)
1k
08743-046
10
时,误差增加。
连接至EXC引脚的滤波器可防止RF频率进入AD7746。EXC
–40
引脚内部出现的任何信号均可内部耦合到CIN。一阶滤波
器足以保护EXC引脚。但施加至EXC引脚的RF信号通过电
–60
容CSENSOR耦合并出现在CIN上。
–80
10
100
FREQUENCY (MHz)
1k
图45. EXC FS误差:从1 MHz到1000 MHz的扫描
(无外部滤波器)
EXC引脚上的DPI
图47显示在轻中型滤波器连接到CIN引脚时EXC引脚上的
一阶滤波器元件值。
8.2kΩ
当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以
10 MHz为步进从100 MHz扫描到1000 MHz(参见图46)时,
最大峰峰值噪声为70 fF。
CSENSOR
3.995pF
68pF
16kΩ
CIN
22pF
AD7746
10k
EXC
47pF
图47. 轻中型滤波器
Rev. 0 | Page 16 of 20
08743-047
1
08743-045
有外部滤波器时AD7746的EMC性能
–100
AN-1055
应用笔记
当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以10
当RF频率以1MHz为步进从1MHz扫描到100MHz并以10
MHz为步进从100 MHz扫描到1000 MHz(参见图48)时,测
MHz为步进从100MHz扫描到1000MHz(参见图49)时,峰峰
得满量程误差在1 MHz时最大,为0.0431%。对于更高频
值噪声在1 MHz时最高(5.8 fF)。对于更高频率,最大峰峰
率,误差小于0.008%。
值噪声为2.5 fF。
1.2
16
PEAK-TO-PEAK NOISE (fF)
0.6
0.4
0.2
0
12
10
8
6
4
2
1
10
100
FREQUENCY (MHz)
1k
–0.2
图48. EXC FS误差:从1 MHz到1000 MHz的扫描
(外部滤波器)
1
10
100
FREQUENCY (MHz)
图49. EXC峰峰值噪声:从1 MHz到1000 MHz的扫描
(外部滤波器)
Rev. 0 | Page 17 of 20
1k
08743-049
0
08743-048
ERROR (%FS)
0.8
–0.2
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
RF SIGNAL APPLIED
PEAK-TO-PEAK NOISE WHEN
NO RF SIGNAL APPLIED
14
1.0
AN-1055
应用笔记
结论
以目标功率50 mW对AD7746进行EMC测试时,器件没有
闩锁。当存在EMC干扰时,器件继续进行转换,EMC干扰
消除后它能回到预期的精度。
高滤波水平的前端配置在增益和失调误差方面对电容输入
性能产生较大影响。这些滤波器适用于如下应用:绝对值
并不十分重要,但关键系统性能有赖于在抗EMC性能和高
电容分辨率之间取得良好平衡。这些配置应当用于雨量传
脚使用标准去耦电容时,AD7746的EMC性能得到提高。
评估了AD7746容性前端内的各种滤波器组合。每个滤波器
在抗电磁干扰性能、电容分辨率、增益误差和失调误差方
面表现不同。
感或近程传感等应用。表2总结了外部滤波器对AD7746性
能和EMC性能的影响。
总之,应在EMC性能和AD7746性能之间求得最佳平衡(参
见图50)。使用何种滤波器由系统应用环境以及系统对
AD7746的性能要求决定。
低滤波水平的前端配置对电容输入性能影响较小。但在容
性传感器电极处,只需少量接触电磁场就会造成电容性能
下降。因此,这些滤波器适用于非恶劣EMC环境。如果要
求系统在恶劣的汽车或工业环境内可靠运行,就必须进行
谨慎的PCB布局,如短接AD7746和容性传感器或屏蔽整个
传感器。这些配置应当用于高精度系统,如容性压力测量
或湿度测量。
HIGH
HI
G
H
FIL
TE
RIN
G
LE
VE
L
LO
W
LOW
LOW
HIGH
CAP PERFORMANCE
图50. EMC/AD7746性能平衡
表2.外部滤波器对AD7746性能和EMC性能的影响
外部滤波器引起的误差
滤波器类型
轻型
轻中型
中型
中重型
重型
1
失调误差(FS百分比)
1.21
6.84
20.14
20.18
32.05
采用外部滤波器时的EMC性能
增益误差(FS百分比)
−0.34
−3.9
−15.19
−20.23
−58.32
该值是以200 Hz为步进从1 MHz精细扫描到3 MHz或5 MHz测得。
Rev. 0 | Page 18 of 20
FS误差(FS百分比)1
2.2
0.8
0.35
0.2
0.05
峰峰值噪声(fF)1
620
430
140
82
30
08743-050
EMC性能。当CIN和EXC引脚连接外部滤波器并且VDD引
EMC PERFORMANCE
在本应用笔记中,推荐用外部无源滤波器来提高AD7746的
AN-1055
应用笔记
注释
Rev. 0 | Page 19 of 20
AN-1055
应用笔记
注释
©2010 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and
registered trademarks are the property of their respective owners.
AN08743-0-2/10(0)
Rev. 0 | Page 20 of 20
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