RFI整流原理分析方法

　　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。本指南将讨论RFI整流的分析和预防方法。

　　背景知识：运算放大器和仪表放大器RFI整流灵敏度测试

　　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。

　　运算放大器和仪表放大器中的RFI整流效果可以通过相对简单的测试电路来评估，如RFI整流测试配置中所述。在这些测试中，运算放大器或仪表放大器增益配置为–100(运算放大器)或100(仪表放大器)，直流输出在100 Hz低通滤波器后测量，以防来自其它信号的干扰。测试激励选用100 MHz、20 mVp-p信号，远高于测试器件的频率限制。操作时，测试可以评估存在激励时观察到的直流输出偏移。该测量的理想直流偏移为零，给定器件的实际直流偏移表示相对RFI整流灵敏度。采用BJT和FET技术的器件都可以通过该方法来测试，因为这些器件在高低电源电流水平下都可以工作。

　　在原始运算放大器测试中，有些FET输入器件的输出电压不具有可观察的偏移，而其它有些器件则表现出小于10 μV的偏移(折合到输入端)。在BJT输入运算放大器中，偏移量会随着器件电源电流的增加而减小。只有两款器件不具有可观察的输出电压偏移，其它器件的偏移则小于10 μV(折合至输入端)。可想而知，其它运算放大器在接受此类测试时也会表

　　现出类似模式。

　　通过这些测试，可以概括出RFI整流的一些特点。首先，器件耐受性似乎与电源电流成反比，也就是说，在低静态电源电流下偏置的器件具有最高的输出电压偏移。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。注意，无论是运算放大器还是仪表放大器，这些特点都是独立的。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。

　　根据上述数据和BJT与FET的基本差异，我们可以总结一下之前了解的内容。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。

　　对低电源电流器件而言，电路中的晶体管经过偏置后，电流远低于其峰值fT集电极电流。虽然IC构建所用的工艺涉及的器件fT可达几百MHz，但是晶体管在低电流水平下工作时，电荷跃迁时间会增加。采用的阻抗水平也使这些器件中的RFI整流变得更差。在低功耗运算放大器中，阻抗约为几百到几千千欧，而在中等电源电流设计中，阻抗可能不超过几千欧。在这些因素的共同作用下，低功耗器件的RFI整流特性变差。

　　图1总结了关于RFI整流灵敏度的一般性观察，运算放大器和仪表放大器均适用。

　　

 

　　图1：关于运算放大器和仪表放大器输入级RFI整流灵敏度的一些一般性观察

　　分析方法：BJT RFI整流

　　实验表明，与具有FET输入的类似器件相比，BJT输入器件具有更高的RFI整流灵敏度，可以采用分析性更强的方法来解释这一现象。

　　RF电路设计人员早就知道，由于具备非线性I-V特性，PN结二极管是有效的整流器。HF正弦波输入的BJT晶体管电流输出频谱分析表明，器件偏置越接近“膝部”，非线性就越高。这会进而使其用作检波器时更为有效。这一点在低功耗运算放大器中尤为重要，此时输入晶体管在极低集电极电流时会发生偏置。

　　参考文献1中说明了BJT集电极电流的整流分析方法，在此恕不赘述，除非需要作出重要结论。这些结果表明，原始二次二阶项可以简化为频率相关项△ic(AC)(两倍输入频率下)和直流项△ic(DC)。后一项可以采用公式2表示，整流直流项的最终形式为：

　　

 

　　公式1

　　该公式表明，二阶项的直流成分与HF噪声幅度VX的平方以及晶体管的静态集电极电流IC成正比。为了表明整流的这一特点，注意，在IC为1 mA条件下工作、具有10 mVpeak高频信号冲击的双极性晶体管的直流集电极电流变化约为38μA。

　　减少整流集电极电流需要减少静态电流或干扰幅度。由于运算放大器和仪表放大器输入级很少提供可调整静态集电极电流，迄今为止，减少干扰噪声VX水平还是最佳(也几乎是唯一)解决方案。例如，将干扰幅度减少2倍至5 mVpeak后，会使整流集电极电流产生4到1的净减少量。显然，这说明必须使杂散HF信号远离RFI敏感放大器输入端。