高頻信號(hào)干擾

問：我聽說射頻(RF)信號(hào)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?yàn)?a target="_blank">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(shí)驗(yàn)室測量這個(gè)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(jìn)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(shí)我 的懷疑的時(shí)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(gè)衛(wèi)星通信天 線。這個(gè)問題我沒有輕易放下，對用戶進(jìn)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(gè)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(gè)小時(shí)， 汽車輪渡英吉利海峽用 6個(gè)小時(shí)，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(jī)好，因?yàn)槠嚹軒л^多 的測試設(shè)備(和便攜式移動(dòng)電臺(tái)以及兩個(gè)移動(dòng)電話)。

當(dāng)我們考察用戶的工作環(huán)境時(shí)，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(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，我攜帶一個(gè)2米波段手持對講機(jī)放在衣服口袋里 。
當(dāng)用戶報(bào)告時(shí)，AD654確實(shí)性能不穩(wěn)定，VFC的輸出頻率在幾分鐘時(shí)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(jī)的發(fā)射按鈕，此時(shí)輸出頻 率的等效值電壓跳到150 mV，從而驗(yàn)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(tái))發(fā)射機(jī)在我們用戶工作范圍內(nèi)產(chǎn)生的高頻場強(qiáng)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(tái)播放很強(qiáng)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(hào)去影響AD654是不常見的，因?yàn)锳D654是一種單端輸入并且對RF信號(hào) 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(gè)輸入端對地輸入阻抗很高，因此 容 易受到低功率(來自個(gè)人計(jì)算機(jī)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(gè)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(hào)，而且使高頻共模信號(hào)失真， 產(chǎn) 生失調(diào)。對于RF干擾可能性很強(qiáng)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(jì)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(hào)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(gè)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(huì)起到一個(gè)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?yàn)樵诟哳l情況下外殼的電抗和饋線使整個(gè)系統(tǒng)起到一個(gè) 天線的作用，而且天線接受的任何高頻信號(hào)(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(hào)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(hào)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(huì)發(fā)生!

答：我可不認(rèn)為你不會(huì)遇到這種情況。如果你認(rèn)為你的電路不會(huì)遇到這種問題， 我愿跟你賭一頓午餐，我總是會(huì)很容易地贏得這頓午餐。在2米(144～148MHz)范圍內(nèi)，我使 用一臺(tái)手持對講 機(jī)，在1米距離內(nèi)每秒1瓦的功率幾乎每次都會(huì)贏得這頓午餐，而這個(gè)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(shí)間范圍內(nèi)觀測其輸出穩(wěn)定?，F(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(lì)和短路。再測量放大器的輸出端，發(fā)現(xiàn)其輸出 隨時(shí)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?yàn)槭静ㄆ鞅旧?即其電源和探頭引線)所產(chǎn)生的干擾信號(hào)可能使測量無效。如果在測量 點(diǎn)和示波器輸入端之間使用一個(gè)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)?，?huì)增加被測電路的負(fù)載。

圖16?1 在測量點(diǎn)與示波器輸入端之間接一個(gè)寬帶變 壓器
由于禁止對傳感器的任何激勵(lì)，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(hào)。所有這些共模信號(hào)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(shí)世界到處都充滿高頻噪聲源：無線電臺(tái)、警察局手持對講機(jī)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(hào)(例如個(gè)人計(jì)算機(jī))。因?yàn)槲覀儾荒芟F(xiàn)實(shí)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(hào)中把它濾掉。當(dāng)信號(hào)帶寬僅有幾赫時(shí)，我們可以使用最簡單的防護(hù)方法。在放大器前面接一個(gè)簡單 的RC低通濾波器對常模和共模高頻噪聲都有防護(hù)作用。相應(yīng)的電路如圖16?2所示。在選擇 電 路元件時(shí)有兩個(gè)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(gè)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(shí)不使失調(diào)電壓明顯增 加。另外常模時(shí)間常數(shù)(R+R′)C2一定要比共模時(shí)間常數(shù)RC1和R′C′1大得多。否則 ，為了避免共模信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩個(gè)差分輸入之間的信號(hào)過程造成的不平衡，要求兩個(gè)共模時(shí)間 常數(shù)必須匹配得非常好。

如果信號(hào)帶寬較寬，那么這種簡單的濾波電路就不再適合，因?yàn)檫@時(shí)會(huì)把有用的高頻常 模信號(hào)和無用

圖16?2 簡單的RC低通濾波器
的高頻共模信號(hào)都濾掉。如果把大的高頻共模信號(hào)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(hào)又通過直流和高頻常模信號(hào)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(jì)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(gè)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(gè)繞組上。

圖16?3 用一個(gè)“三組抽頭”變壓器濾掉高頻噪聲
該變壓器防護(hù)繞組的一端接到信號(hào)源的地，另一端接到放大器的防護(hù)端(guard pin) 或分壓比較端，這個(gè)防護(hù)繞組的作用相當(dāng)于把放大器“看作”接成一個(gè)電容器的常用作法。 高頻共模信號(hào)將加到(被規(guī)定的)下層繞組，并且包含與其它兩個(gè)繞組都相等的共模電壓，這 樣減去與每個(gè)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(hào)。
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(hù)電路的主要元件，用來 阻塞直流和低頻信號(hào)并且防止防護(hù)電路中的低頻電流致使變壓器磁芯飽和。從放大器防護(hù)端 看進(jìn)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(hào)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(jì)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(gè)獨(dú)立的變壓器加倍消除高頻噪聲——其中 一個(gè)靠近具有高感抗(相應(yīng)的容抗也很高)放大器，另一個(gè)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(hào)的導(dǎo)線(或光導(dǎo)纖維) 取代傳輸模擬信號(hào)的長電纜，其中數(shù)字信號(hào)受干擾程度可能差一 點(diǎn)兒，所以對它再進(jìn)行屏蔽通常(但不總是)有改善。并且有時(shí)(但不常見)有可能減少無 用HF信號(hào)的概率。即使你遠(yuǎn)離電臺(tái)和警察局，那么意想不到的烘餡

圖16?4 用兩個(gè)“三組抽頭”變壓器濾掉高頻噪聲

餅運(yùn)貨車輻射出的噪聲信號(hào)進(jìn)入底座的可能性總是存在的。 雖然最重要的考慮是意識(shí)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(jì)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(shí)，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?yàn)殡娫匆种?PSR)通常在直流條件下規(guī)定并且隨電源脈動(dòng)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(jìn)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(gè)集成電路都進(jìn)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(yùn)算放大器(至少)是有四個(gè)端子的器件，因?yàn)閷τ趦蓚€(gè)信 號(hào)輸入端和一個(gè)信號(hào)輸出端來說肯定有一個(gè)返回路徑。習(xí)慣上把運(yùn)算放大器的兩個(gè)電源(指 有正、負(fù)電源的運(yùn)算放大器)的公共端看作輸出信號(hào)的返回路徑，但實(shí)際上，其中一個(gè)電源 將是真實(shí)的高頻返回路徑。所以對放大器這個(gè)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。