高頻信號干擾

高頻信號干擾

問：我聽說射頻(RF)信號能使低頻電路產(chǎn)生奇怪現(xiàn)象。這究竟是怎么 回事?

答：我有一次去法國，因為ADI公司的壓頻轉(zhuǎn)換器(VFC)AD654發(fā)生“精度不合 格”問題。在我的實驗室測量這個有問題的器件發(fā)現(xiàn)該器件性能穩(wěn)定并且符合技術(shù)指標(biāo)要求 ，但是當(dāng)我返回用戶那里進行測試則不能重復(fù)我的測試結(jié)果。正當(dāng)我想到事件發(fā)生的現(xiàn)場去 考察以證實我 的懷疑的時候，我發(fā)現(xiàn)該用戶所在城市有一家名叫“La Cognette”飯店有三個衛(wèi)星通信天 線。這個問題我沒有輕易放下，對用戶進行考察感到更加有必要。在英格蘭 認(rèn)真考察在 Bo eing 風(fēng)洞測試數(shù)據(jù)偏差的Herman Gelbach，答應(yīng)過來幫助我，并認(rèn)為這是一個很有 趣的技術(shù)問題(但是在他決定幫助我之前，我注意到他認(rèn)真地調(diào)查了有關(guān)衛(wèi)星通信天線的情 況)。

從英格蘭南部的Newbury城ADI公司的辦事處出發(fā)驅(qū)車到法國的中心，開車用6個小時， 汽車輪渡英吉利海峽用 6個小時，并且從左側(cè)通行改為右側(cè)通行。不管怎樣，開車比乘飛機好，因為汽車能帶較多 的測試設(shè)備(和便攜式移動電臺以及兩個移動電話)。

當(dāng)我們考察用戶的工作環(huán)境時，我們來回穿越巨大的短波發(fā)射天線。我們開始猜測問題 可能出在這里，然后當(dāng)我們進入實驗室時，我攜帶一個2米波段手持對講機放在衣服口袋里 。
當(dāng)用戶報告時，AD654確實性能不穩(wěn)定，VFC的輸出頻率在幾分鐘時間內(nèi)其等效電壓偏移可 達(dá)幾十毫伏(mV)。我把手冷靜地插入口袋里，并且按下我的對講機的發(fā)射按鈕，此時輸出頻 率的等效值電壓跳到150 mV，從而驗證了高頻干擾帶來的問題。后來比較正式的測試結(jié)果表 明當(dāng)?shù)?法國海外廣播電臺)發(fā)射機在我們用戶工作范圍內(nèi)產(chǎn)生的高頻場強每米為幾十或幾百 毫伏(mV/m)。

由此可見，精密測量電路中的許多不穩(wěn)定問題都可以歸結(jié)到高頻干擾， 除非音響系統(tǒng) 不接受附近廣播電臺播放很強的搖滾音樂。用戶忽視了這種不穩(wěn)定的干擾源并且責(zé)備放大 器或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)廠家，這是很正常的。

此外，用大功率信號去影響AD654是不常見的，因為AD654是一種單端輸入并且對RF信號 又相當(dāng)不靈敏。但對于具有差分放大作用的儀表放大器卻是比較常見的，因 為儀表放大器的兩個輸入端對地輸入阻抗很高，因此 容 易受到低功率(來自個人計算機PC輻射)RF干擾(請見ADI公司出版的 Analog Devices System ?Design Seminar Notes 和 System Application Guide,1993)。

在儀表放大器中很重要的一個因素是共模抑制隨頻率增加而減小(從很低的頻率開始減 小)，即失真隨頻率增加。這樣不僅僅是不抑制高頻共模信號，而且使高頻共模信號失真， 產(chǎn) 生失調(diào)。對于RF干擾可能性很強的應(yīng)用場合，AD830差分放大器具有很寬的共模抑制，它是 為線接收器應(yīng)用而設(shè)計的。AD830可能是儀表放大器有用的替換。

傳感器通常用長電纜將其連接到信號調(diào)節(jié)電子設(shè)備。無線電工程師對于這種幾根長 導(dǎo)線有一個專有名詞，稱之為“天線”。從傳感器到其電子設(shè)備之間的這種長饋線將按照同 樣的表現(xiàn)行為也會起到一個天線的作用，即使我們不希望它起到天線的作用也是如此。如果 傳感器的外殼接地就設(shè)有問題了，因為在高頻情況下外殼的電抗和饋線使整個系統(tǒng)起到一個 天線的作用，而且天線接受的任何高頻信號(電場、磁場或電磁場)都將出現(xiàn)在阻抗上。對于 上述高頻信號最可能的終止位置是在放大器的輸入端。精密低 頻放大器很少與大的高頻信號耦合，所以輸出結(jié)果只表現(xiàn)出常見的可調(diào)整失調(diào)誤差。

問：這種情況對我來說不可能會發(fā)生!

答：我可不認(rèn)為你不會遇到這種情況。如果你認(rèn)為你的電路不會遇到這種問題， 我愿跟你賭一頓午餐，我總是會很容易地贏得這頓午餐。在2米(144～148MHz)范圍內(nèi)，我使 用一臺手持對講 機，在1米距離內(nèi)每秒1瓦的功率幾乎每次都會贏得這頓午餐，而這個不太引人注目的測試卻 同樣地令人信服。

斷開傳感器及其引線。將放大器的輸入端對地用盡量短的連線短路，然后測量放大器的 輸出端，在幾分鐘時間范圍內(nèi)觀測其輸出穩(wěn)定。現(xiàn)在除去短路，恢復(fù)傳感器引線，并將其置 于正常工作環(huán)境。在傳感器的輸出端禁止激勵和短路。再測量放大器的輸出端，發(fā)現(xiàn)其輸出 隨時間變化。緩慢下降。

使用高頻示波器(或頻譜分析儀更靈敏，但判讀性差)常常有可能觀察到高頻噪聲，而且 在放大器的輸入端常模和共模兩種形式的高頻噪聲都存在。但是肯定對常模噪聲測量產(chǎn)生懷 疑，因為示波器本身(即其電源和探頭引線)所產(chǎn)生的干擾信號可能使測量無效。如果在測量 點和示波器輸入端之間使用一個簡單的寬帶變壓器可以使示波器的影響減到最小，如圖16? 1所示。但這種變壓器的阻抗相當(dāng)?shù)?，會增加被測電路的負(fù)載。

圖16?1 在測量點與示波器輸入端之間接一個寬帶變 壓器
由于禁止對傳感器的任何激勵，并且將示波器的地接到印制線路板的輸入地，又把傳感 器的所有引腳一起接到示波器的輸入端，所以很容易觀測到共模信號。所有這些共模信號幅 度常常達(dá)到幾百毫伏并且其頻率范圍從低頻到幾十或幾百兆赫。

現(xiàn)實世界到處都充滿高頻噪聲源：無線電臺、警察局手持對講機的人、車庫大門開啟工 具、太陽、超新星、開關(guān)電源和邏輯信號(例如個人計算機)。因為我們不能消除現(xiàn)實環(huán)境中 的高頻噪聲，所以我們在高頻噪聲抵達(dá)精密放大器之前，必須從低頻信號中把它濾掉。當(dāng)信號帶寬僅有幾赫時，我們可以使用最簡單的防護方法。在放大器前面接一個簡單 的RC低通濾波器對常模和共模高頻噪聲都有防護作用。相應(yīng)的電路如圖16?2所示。在選擇 電 路元件時有兩個重要問題應(yīng)該考慮。阻抗R和R′(圖中示為1 kΩ，相應(yīng)的放大器偏置電流為 幾個納安或更低)必須選擇適當(dāng)，以便當(dāng)放大器的偏置電流流經(jīng)它們時不使失調(diào)電壓明顯增 加。另外常模時間常數(shù)(R+R′)C2一定要比共模時間常數(shù)RC1和R′C′1大得多。否則 ，為了避免共模信號轉(zhuǎn)換成兩個差分輸入之間的信號過程造成的不平衡，要求兩個共模時間 常數(shù)必須匹配得非常好。

如果信號帶寬較寬，那么這種簡單的濾波電路就不再適合，因為這時會把有用的高頻常 模信號和無用

圖16?2 簡單的RC低通濾波器
的高頻共模信號都濾掉。如果把大的高頻共模信號接到放大器，很可能受到共 模向常模轉(zhuǎn)換及次檢波(minor rectification)產(chǎn)生的低頻誤差的影響，所以必須使用既 抑制高頻共模信號又通過直流和高頻常模信號的濾波器。

這種濾波器如圖16?3所示，它是許多年前由Bill Gunning設(shè) 計的，它與用于長途電話線路的幻象電路(phantom circuit)有關(guān)。它使用緊耦合的“三 組抽頭”變壓器，有三個繞組，其精確匝數(shù)比為1∶1∶1。這種變壓器任一繞組上的交流 電壓都將耦合到其它 兩個繞組上。

圖16?3 用一個“三組抽頭”變壓器濾掉高頻噪聲
該變壓器防護繞組的一端接到信號源的地，另一端接到放大器的防護端(guard pin) 或分壓比較端，這個防護繞組的作用相當(dāng)于把放大器“看作”接成一個電容器的常用作法。 高頻共模信號將加到(被規(guī)定的)下層繞組，并且包含與其它兩個繞組都相等的共模電壓，這 樣減去與每個繞組相串聯(lián)的共模電壓，從而有效地抵消了放大器輸入端的高頻共模信號。
當(dāng)然還有一些潛在的問題。與變壓器相串聯(lián)的電容器幾乎是防護電路的主要元件，用來 阻塞直流和低頻信號并且防止防護電路中的低頻電流致使變壓器磁芯飽和。從放大器防護端 看進去的阻抗一定要比變壓繞組阻抗低許多，這樣在甚高頻情況下，變壓器的容抗將允許信 號漏泄或者可以產(chǎn)生相移。如果用這種變壓器必須處理很寬的共模頻率范圍，那么這些問題 必將導(dǎo)致對變壓器設(shè)計的不相容限制。

在這種情況下，可以考慮如下圖那樣使用兩個獨立的變壓器加倍消除高頻噪聲——其中 一個靠近具有高感抗(相應(yīng)的容抗也很高)放大器，另一個具有很高的甚高頻(VHF)效率。
還可以采用其它方法：放大器盡量靠近傳感器而且用載有數(shù)字信號的導(dǎo)線(或光導(dǎo)纖維) 取代傳輸模擬信號的長電纜，其中數(shù)字信號受干擾程度可能差一 點兒，所以對它再進行屏蔽通常(但不總是)有改善。并且有時(但不常見)有可能減少無 用HF信號的概率。即使你遠(yuǎn)離電臺和警察局，那么意想不到的烘餡

圖16?4 用兩個“三組抽頭”變壓器濾掉高頻噪聲

餅運貨車輻射出的噪聲信號進入底座的可能性總是存在的。 雖然最重要的考慮是意識到高頻干擾的可能性，但是還要準(zhǔn)備處理這種干擾。如果電路 設(shè)計總是預(yù)料無用的HF干擾，那么最好的可能性是充分預(yù)防——當(dāng)你還沒想到是衛(wèi)星天線帶 來的影響時，已經(jīng)事先采取預(yù)防措施了。

問：那么法國用戶的問題是如何解決的?

答：他們的問題用2只電阻器、三片電容器和一塊接地銅片便解決了問題。我們離 開La Cognette 飯店，凱旋而歸。

問：最后，請你講一下有關(guān)電源去耦問題。

答：所有精密模擬集成電路(IC)甚至低頻電路都含有截止頻率為幾百兆赫的晶體 管 。因此這些器件的電源必須對地去耦，在盡量靠近IC高頻處返回以防止在甚高頻情況下的不 穩(wěn)定性。使用的這種去耦電容必須具有低自感而且其引線應(yīng)該盡可能短(最好用10～100 nF 表面安裝陶瓷電容芯片，但其引腳長度如果小于2 mm一般最為有效，見圖16?5。)
低頻去耦也很重要，因為電源抑制(PSR)通常在直流條件下規(guī)定并且隨電源脈動頻率的 增加而明顯變壞。在某些高增益應(yīng)用中，通過公共電源阻抗的反饋

理想的高頻去耦要求：

1．低電感電容器(單片陶瓷電容器)

2．靠緊集成電路安裝

3．短引腳電容器

4．短而寬的導(dǎo)電帶

使用鉭電解電容進行旁路可提供好的低頻去耦。

這種長引線沒有好處

能夠產(chǎn)生低頻不穩(wěn)定(低音頻振蕩)。但對每個集成電路都進行低頻去耦，通常是沒有必要的 。 電源去耦不只是防止不穩(wěn)定。運算放大器(至少)是有四個端子的器件，因為對于兩個信 號輸入端和一個信號輸出端來說肯定有一個返回路徑。習(xí)慣上把運算放大器的兩個電源(指 有正、負(fù)電源的運算放大器)的公共端看作輸出信號的返回路徑，但實際上，其中一個電源 將是真實的高頻返回路徑。所以對放大器這個電源端的去耦問題，必須既要考慮正常高頻去 耦又要考慮輸出地返回路徑的去耦。