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Vagabundierende Hochfrequenzstörstrahlung reduzieren bzw. vermeiden: Ausgabe 01-02/2019, 24.01.2019

EMI-Immunität reduziert HF-Störungen

Operationsverstärker müssen auch in rauen Betriebsumgebungen Top-Performance bieten und zuverlässig arbeiten. Also muss vagabundierende Hochfrequenzstörstrahlung und der daraus resultierende ungewollte DC-Offset in OpAmps reduziert bzw. vermieden werden. Da ist es am besten, gleich mit Produkten zu arbeiten, die von Hause aus auf hohe EMI-(Electromagnetic-Interference)-Immunität, entwickelt wurden.

Autor: Thomas Bolz

Bilder: NJR

Die Störfestigkeit von Systemen mit analoger Signalverarbeitung gegenüber eingestrahlten hochfrequenten Funksignalen ist zu einem wichtigen Designkriterium geworden und inzwischen ebenso relevant wie der Versorgungsspannungsdurchgriff PSRR (Power Supply Rejection Ratio), die Gleichtaktunterdrückung CMRR (Common Mode Rejection Ratio), der Gesamtklirrfaktor plus Rauschen THD+N (Total Harmonic Distortion plus Noise) und das Signal-Rauschverhältnis SNR (Signal to Noise Ratio).

Störstrahlungen nehmen ständig zu
Denn die Störstrahlungen nehmen ständig weiter zu – hierfür genügt ein Blick auf die alltägliche Umgebung, in der Systeme und Geräte agieren: Bluetooth-Verbindungen ersetzen immer häufi ger die seriellen Kabelverbindungen für Headsets und Mikrofone von Audiogeräten. WLAN, das mit dem IEEE-802.11b/g- Protokoll arbeitet, ist in Laptops, Tablets und PCs standardmässig integriert, weil das 2,4-GHz-Band in den meisten Ländern lizenzfrei genutzt werden kann. Eine populäre Variante ist die Spezifikation IEEE 802.11a mit Übertragungsraten bis zu 54 MBit/s im 5-GHz- Band.
Damit steigen auch die Anforderungen der Entwickler an die HF-Störfestigkeit aktueller OpAmp-Designs. Sie müssen in punkto EMI-Festigkeit mit exzellenten Werten aufwarten können. Im Wesentlichen geschieht das durch die Ausrüstung mit aktiven Filtern. Ausserdem bekämpft eine effi ziente Gleichtaktunterdrückung die an beiden Eingängen des Verstärkers gleichphasig anliegenden HFRauschspannungen. Dabei setzt jeder Hersteller auf seine eigenen Verfahren.

EML-Einwirkungen
Ein typisches Mobilfunkgerät als EMI-Verursacher kann im Bereich 1,8 bis 2,0 GHz eine Strahlung mit einer Feldstärke von bis zu 100 V/m (Spitzenwert), gemessen in diversen Entfernungen und Ausrichtungen, emittieren. Auch wenn diese Signale weit ausserhalb der Bandbreite eines betroffenen Operationsverstärkers liegen, können sie in diesem HF-Störungen induzieren. Denn die HF-Signale werden am Verstärkereingang über elektrostatische Entladungsdioden (ESD) und andere nichtlineare Schaltglieder gleichgerichtet. Diese in eine DC-Offset-Spannung umgesetzten HF-Signale addieren sich zum Eingangs-Offset des OpAmps. Damit entsteht eine Verschiebung im DC-Offset am Ausgang des Verstärkers in Abhängigkeit der Störeinstrahlung.
EMI-Störungen dringen als Strahlung oder leitungsgeführt in ein System ein. Hier breiten sie sich leitungsgeführt aus, und zwar über die Leiterbahnen auf den Platinen und die Anschlüsse der Komponenten – also auch der OpAmps. Die physische Länge dieser Leiterabschnitte kann sie zu effektiven Antennen für hochfrequente Störungen machen. Als Beispiel sei eine 2,4-GHz-WLAN-Störquelle genannt: Bei dieser Frequenz entspricht eine Leiterlänge von 3 cm einem Viertel der zugehörigen Wellenlänge und bildet damit eine sehr effektive Antenne als Teil eines Dipols. Für andere Frequenzen lässt sich dies leicht umrechnen nach der Formel

l = c/(4 f)
l = Länge (m), c = 3×108, f = Frequenz (Hz)

Als praktischer Hinweis für die Auslegung von Datengeräten gilt somit: Die Leiterabschnitte für Ein- und Ausgänge, Vorspannungen und Stromversorgungen sollten kürzer als 1/4 der Wellenlänge der störenden HF-Signale sein.

Standards für EMI-Tests
Wie schwerwiegend die Performance-Einbussen von OpAmps durch Strahlung oder leitungsgeführte HF-Störungen sein können, zeigt die überaus detaillierte Spezifizierung der weltweit eingeführten Standards für Messund Prüfverfahren für die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und die Störfestigkeit.
Die Messung leitungsgeführter EMI-Einflüsse ist hierzulande nach DIN EN 61000-4-6 (entsprechend dem gleich lautenden IEC-Standard) im Frequenzbereich 150 kHz bis 80 MHz festgelegt. Für eingestrahlte EMI-Felder zwischen 80 MHz und 6 GHz gilt DIN EN 61000-4- 3. Im Nahbereich gelten für eingestrahlte Felder (über Entfernungen kleiner als 500mm für Frequenzen <26 MHz, bzw. 200 mm für Frequenzen >26 MHz) die Prüf- und Messverfahren nach DIN EN 61000-4-39. Sie betreffen die Störfestigkeit elektrischer und elektronischer Betriebsmittel, Geräte und Einrichtungen bei Frequenzen zwischen 9 kHz und 6 GHz. Das erfasst den Betrieb von Mobiltelefonen und von RFID-Systemen im Nahfeld der von Störstrahlungen betroffenen Geräte.

Bedeutung der EMIRR-Charakteristik
Zu den wichtigsten Parametern zur Kennzeichnung der EMI-Störfestigkeit eines OpAmps zählt der EMIRR-Wert (EMI Rejection Ratio), ausgedrückt in Dezibel. Wenn man auf beste EMI-Performance eines eingesetzten Operationsverstärkers abzielt, genügt ein Blick auf dessen EMIRR-Charakteristik. Ein Vergleich mit den EMIRR-Kurven anderer Produkte liefert den für die vorliegende Applikation am besten geeigneten OpAmp.
Der japanische Hersteller New Japan Radio (NJR) hat ein in dieser Hinsicht hoch entwickeltes OpAmp-Produkt auf den Markt gebracht: Die breitbandigen Rail-to-Rail- Input/Output Operationsverstärker der Serie NJU7755X weisen eine hohe Störfestigkeit gegenüber eingestrahlten HF-Signalen auf, die NJR mit drei Patenten exklusiv abgesichert hat. Im Vergleich mit anderen marktgängigen OpAmp-Produkten zeigt die NJU7755X Serie bei 1,8 GHz einen um 40 dB besseren EMIRRWert und einen glatte Wellenform ohne Glitches, d.h. ohne transiente Spannungsspitzen.

Features der OpAmp-Serie NJU7755X
Der NJU7755X ist als High-Efficiency-OpAmp in vier Ausführungen mit einfachem, dualem oder vierfachem Ein/Ausgang lieferbar. Mit einem Verstärkungs-Bandbreitenprodukt von 1,7 MHz bieten diese OpAmps eine ausreichend grosse Bandbreite für viele Anwendungen. Die Stromaufnahme liegt bei 50 μA pro Kanal. Damit eignet sich der OP hervorragend für batteriebetriebene Low-Power-Anwendungen. Hinzu kommen eine Spannungsanstiegsgeschwindigkeit (Slew Rate) von 0,8 V/μs und das Spannungsrauschen von 24 nV/SQR Hz.
Mit den Rail-to-Rail-Eigenschaften zielt der OP auf eine Vielzahl von Applikationen, darunter Audioverstärkung, Low-Side-Strommessung, aktive Filter und Pufferschaltungen und viele mehr. Dank geringem Eingangs-Biasstrom ist die NJU7755X Serie auch ideal für Photodiodenverstärker, piezoelektrische Sensoren, Rauchdetektoren und andere Applikationen, bei denen hohe Eingangsimpedanzen gefordert sind.
Der Betriebsspannungsbereich überdeckt 1,8 bis 5,5V, wobei der Überspannungsschutz Eingangsspannungen erlaubt, die die positive Versorgungsspannung (+5,5 V) überschreiten. Das macht sich in robusten Industrie-Applikationen bezahlt. Diese Überspannungsfestigkeit von 5,5 V gilt auch bei einer 1,8-V-Single-Supply- Spannungsversorgung. Der Betriebstemperaturbereich reicht von –55 bis +125°C, was Anwendungen in rauen Umgebungen mit grossen Temperaturunterschieden ermöglicht.

Infoservice
Rutronik Elektronische Bauelemente AG
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rutronik_ch@rutronik.com, www.rutronik.com



Das Schaubild zeigt: Bei einer Einstrahlung von 1,8 GHz schwächt sich der hierbei verursachte
Offset ab, ohne dass es zu Glitches (transiente Spannungsspitzen) kommt. Oberer Verlauf
(violett): Eingangssignal. Mittlerer Verlauf (blau): Ausgangssignal des NJU7755X. Unterer Verlauf (gelb): Industriestandardprodukt zeigt Glitches


Detaillierte Darstellung der Anschlussbelegung des NJU7755X


Bei 1,8 GHz zeigt der NJU7755X von NJR (blau)
einen um 40 dB besseren EMIRR-Wert als
vergleichbare Produkte

Autor


Thomas Bolz,
Product Sales Manager Analog, Rutronik,
thomas.bolz@rutronik.com