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Operationsverstärker mit EMI-Immunität - Wenn Hochfrequenzfilter an ihre Grenzen stoßen

IEEE802.11, Bluetooth, UMTS, GSM: Diese Funk-Kommunikationsprotokolle könnten unterschiedlicher nicht sein, und doch haben sie eine Gemeinsamkeit: elektromagnetische Wellen, die die Signalverarbeitung integrierter Schaltungen stören können. Abhilfe gegen Hochfrequenzstörungen schaffen EMI-feste Schaltungen.

Die kabellose Datenübertragung besitzt viele Vorteile, und in den letzten Jahren haben sich verschiedene Kommunikationsprotokolle etabliert. Allerdings können die hochfrequenten elektromagnetischen Wellen, mit deren Hilfe Geräte kabellos miteinander kommunizieren, in elektronischen Schaltkreisen und Komponenten erhebliche Störungen verursachen.

Der Frequenzbereich von HF-Signalen erstreckt sich, je nach Definition, von 3 MHz bis zu 30 THz. Das größte Problem der meisten analogen ICs ist ihre Anfälligkeit gegenüber demodulierenden und intermodulierenden Hochfrequenzstörungen, die außerhalb ihres linearen Frequenzbereichs liegen. Dieser Effekt spielt vor allem dann eine Rolle, wenn Signale verstärkt oder angepasst werden sollen.

Im Mobilfunk werden Frequenzen im Mikrowellenbereich verwendet. Sie liegen zwischen 900 und 2700 MHz. Auch wenn diese Signale außerhalb der Bandbreite eines betroffenen Operationsverstärkers liegen, können sie in diesem EMI (elektromagnetische Interferenz) Störungen induzieren. Sie entstehen, da die Wellenlänge des HF-Signals beispielsweise bei 900 MHz mit 33 cm oder bei 2,4 GHz mit 13 cm ausreichend länger ist als die Gehäuseanschlüsse des Operationsverstärkers. Und so fungieren Leiterbahnen, Platinen, Bonddrähte und Anschlüsse der Komponenten als effektive Antennen, die diese hochfrequenten Störungen aufnehmen.

Ein Beispiel aus der Praxis ist das Autoradio: Das Audiosignal wird durch einen Operationsverstärker verstärkt. Werden hochfrequente Signale, die über der eigentlichen Nutzbandbreite des Geräts hinausgehen, in die Schaltung eingekoppelt, schwankt die Spannung am Eingang des Operationsverstärkers. Das hat wiederum einen negativen Einfluss auf die Qualität des Signals am Ausgang des Operationsverstärkers. Die Eingangsspannung am Operationsverstärker steigt schlagartig an und verursacht an diesem eine Verschiebung der Ausgangsspannung.

Wie lassen sich Störungen in Schaltkreisen vermeiden?

Bei analogen Niederfrequenz-Schaltkreisen ist es oft möglich, Filter und Abschirmungen einzubauen, die die gesamten hochfrequenten Störsignale dämpfen bzw. filtern. Dies führt jedoch häufig zu umfangreichen und komplexen Schaltungstechniken, die das Gerät zudem verteuern, und damit zu nicht wettbewerbsfähigen Produkten. Hinzu kommt, dass es für Schaltungen mit einer Bandbreite von mehr als 20 kHz kaum kostengünstige Filter gibt, die ausreichend gute Eigenschaften haben, ohne dass gleichzeitig auch signifikant die funktionale Bandbreite beeinträchtigt wird.

Hier können Operationsverstärker mit hoher HF-Störfestigkeit Abhilfe schaffen. Bild 1 zeigt beispielhaft das Signal am Ausgang zweier Operationsverstärker bei Eintritt eines HF-Signals von 2,4 GHz im Vergleich. Die Bildmitte (rot) zeigt den Verlauf am Ausgang eines Operationsverstärkers mit eingebauter EMI-Immunität, der untere das Verhalten eines Verstärkers ohne HF-Schutz. Bei letzterem ist eindeutig eine Störung (transiente Spannungsspitzen; Glitch) beim Eintritt des HF-Signals ersichtlich, die auch eine Offset-Spannungsverschiebung am Ausgang zur Folge hat. Bei periodischen Störungen kommt es zu regelmäßigen Fehlfunktionen. Bei sporadischen Störungen, wie sie in der Praxis häufig auftreten, sind die Fehlfunktionen oft gar nicht nachvollziehbar. Ein Beispiel sind hier die Datenpakete beim Digitalfunk, die in unregelmäßigen Abständen gesendet werden. Diese Störung kann zu Fehlfunktionen der gesamten elektronischen Ausrüstung führen.

Hersteller wie New Japan Radio (NJR) bieten Lösungen an, die auf das beschriebene Problem zugeschnitten sind. Die neue Serie NJU7755x von NJR kommt serienmäßig mit einem um bis zu 85 % reduzierten Versorgungsstrom, einer Verstärkungsbandbreite von 1,7 MHz und einer hohen EMI-Störfestigkeit. Damit eignen sich die OPs von NJR perfekt für die präzise analoge Sensorsignalverarbeitung. In Bild 2 sind die verschiedenen Hochfrequenzbereiche zu sehen; blau hinterlegt ist der Bereich, in dem die Operationsverstärker von NJR EMI-Immunität besitzen.

Mit hochfrequenten Störeinflüssen auch im Audioband ist also immer zu rechnen. Geeignete Operationsverstärker filtern sie aus, ohne die Gesamtkosten der Schaltung immens in die Höhe zu treiben.

 

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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Figure 1: Comparison of the output signal of two operational amplifiers when receiving an HF signal; one with and one without EMI immunity
Bild 1: Vergleich des Ausgangssignals zweier Operationsverstärker bei Eintritt eines HF-Signals, davon einer mit und einer ohne EMI-Störfestigkeit