應(yīng)用工程師咨詢：高頻信號污染

James Bryant 和 Herman R. Gelbach

問：我聽說射頻可以使低頻電路做奇怪的事情。這到底是怎么回事？

A.我曾經(jīng)被召喚到法國，因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/tags/adi/" target="_blank">ADI公司的電壓頻率轉(zhuǎn)換器（VFC）AD654遭受了“不可接受的精度變化”。我在自己的實(shí)驗(yàn)室中測量了有問題的部件，發(fā)現(xiàn)它們穩(wěn)定且符合規(guī)格，但是當(dāng)我將它們與測試夾具一起退回給客戶時(shí)，他無法重現(xiàn)我的結(jié)果。在考慮實(shí)地考察以證實(shí)我的懷疑時(shí)，我發(fā)現(xiàn)我們顧客所在城鎮(zhèn)的“La Cognette”餐廳在米其林指南中獲得了三顆星，廚師是“法國彌勒·奎西尼爾”——這個(gè)頭銜不是輕易授予的。拜訪客戶變得加倍必要。赫爾曼當(dāng)時(shí)正在英國查看波音風(fēng)洞測試中的數(shù)據(jù)偏移，他主動提出來幫忙——他說這是一個(gè)有趣的技術(shù)問題（但就在他提出之前，我看到他認(rèn)真地咨詢米其林指南）。

從ADI公司位于英格蘭南部紐伯里的辦公室開車到法國中部需要六個(gè)小時(shí)的車程，需要六個(gè)小時(shí)的渡輪穿越英吉利海峽，以及從正確的道路一側(cè)到右側(cè)的換乘。盡管如此，駕駛比飛行更好，因?yàn)槿藗兛梢詳y帶更多的測試設(shè)備（以及便攜式火腿廣播電臺 - 我們都是火腿）。

當(dāng)我們接近客戶的作品時(shí)，我們經(jīng)過了一個(gè)巨大的短波發(fā)射天線，然后是另一個(gè)，又一個(gè)。我們開始猜測可能出了什么問題，當(dāng)我們進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，我的夾克口袋里裝著一個(gè)便攜式兩米長的火腿收發(fā)器（HT或“handy-talky”）。

AD654確實(shí)表現(xiàn)不穩(wěn)定，正如客戶聲稱的那樣。VFC的輸出頻率在幾分鐘內(nèi)變化了數(shù)十mV的等效失調(diào)。我悄悄地把手伸進(jìn)口袋，按下了HT的傳輸按鈕。輸出頻率跳躍了相當(dāng)于150 mV，從而證明問題是高頻拾取。稍后更正式的測量表明，本地發(fā)射機(jī)（法國海外廣播組織）在我們客戶的工作中產(chǎn)生了數(shù)十或數(shù)百 mV/m 的高頻 （HF） 場強(qiáng)。

精密測量電路中的許多不穩(wěn)定問題可以追溯到高頻干擾，但除非系統(tǒng)中的揚(yáng)聲器可能會意外地從附近的廣播電臺爆裂出硬搖滾音樂，否則工程師通常會忽略這種不準(zhǔn)確性的來源，并責(zé)怪放大器或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的制造商。

此外，這種情況很不尋常，因?yàn)樾枰吖β?a target="_blank">信號才能影響AD654，AD1993是單端的，對RF也相對不敏感——使用差分放大器儀表放大器更為常見。這些類型的放大器的兩個(gè)輸入都具有高輸入阻抗;因此，它們更容易受到低電平射頻的影響，例如來自個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）的輻射。[ADI公司的系統(tǒng)設(shè)計(jì)研討會筆記中詳細(xì)介紹了這種現(xiàn)象，可作為系統(tǒng)應(yīng)用指南（<>）出售。

一個(gè)重要因素是，在儀表放大器中，共模抑制隨著頻率的增加而降低，在相當(dāng)?shù)偷念l率下開始滾降，失真隨頻率增加。因此，不僅高頻共模信號不會被拒絕;它們被扭曲，產(chǎn)生偏移。對于某些極易產(chǎn)生RF干擾的應(yīng)用，AD830差動放大器具有寬帶共模抑制功能，專為線路接收器應(yīng)用而設(shè)計(jì);它可能是儀表放大器的有用替代品。

傳感器通常通過長電纜連接到其信號調(diào)理電子設(shè)備。無線電工程師對這么長的電線有一個(gè)術(shù)語;他們稱它們?yōu)樘炀€。從傳感器到其電子設(shè)備的長饋線將以相同的方式運(yùn)行，并將用作天線，即使我們不希望它們這樣做。傳感器外殼是否在高頻接地并不重要，外殼和饋線的電抗將允許系統(tǒng)充當(dāng)天線，并且它遇到的任何高頻信號（E場，M場或E-M場）將出現(xiàn)在任何阻抗上。 它們最有可能結(jié)束的地方是放大器輸入端。精密低頻放大器很少能處理大HF信號，結(jié)果是誤差——通常是失調(diào)誤差的變化。

問：但這不可能發(fā)生在我身上！

A.永遠(yuǎn)不要相信它不會發(fā)生在你身上！通過說服無辜者押注他或她的電路沒有這些問題，總是可以獲得簡單的免費(fèi)午餐。在兩米（144-148-MHz）頻段上使用業(yè)余無線電HT，在一米的距離上一秒鐘，幾乎每次都能為您贏得免費(fèi)午餐。但一個(gè)不那么戲劇性的測試也可以同樣令人信服。

斷開傳感器及其引線。將放大器輸入端相互短路，并與具有盡可能短鏈路的放大器電路（可能接地）短路并測量放大器輸出;觀察其穩(wěn)定性幾分鐘?，F(xiàn)在移除短路，更換傳感器引線并將它們置于正常工作環(huán)境中。禁用激勵(lì)并使傳感器端的信號引線短路。再次測量放大器輸出及其隨時(shí)間的變化。靜靜地哭泣。

通常，通過使用高頻示波器（或頻譜分析儀，其靈敏度更高，但不太容易解釋）來測量放大器輸入端的HF噪聲（包括普通模式和共模），通?？梢钥吹桨l(fā)生了什么;但必須對正常模式測量持懷疑態(tài)度，因?yàn)槭静ㄆ鞅旧砑捌?a target="_blank">電源和探頭引線本身可能會引入信號并使測量無效。通過在測量點(diǎn)和示波器輸入之間使用簡單的寬帶變壓器，可以將示波器的影響降至最低，如圖所示;但是這種變壓器具有相當(dāng)?shù)偷淖杩?，并且會加載被測電路。

通過禁用任何傳感器激勵(lì)并將示波器在電路板輸入端接地連接到地，并將所有傳感器引線連接在一起并連接到示波器輸入端，可以非常容易地觀察到共模信號。通常，該信號的振幅為數(shù)百毫伏，并且包含從低頻到數(shù)十或數(shù)百M(fèi)Hz的分量。

世界上到處都是高頻噪聲源：業(yè)余無線電操作員、警察、使用便攜式電話的人、車庫開門器、太陽、超新星、開關(guān)電源和邏輯信號（例如 PC）。由于我們無法消除環(huán)境中的HF噪聲，因此我們必須在低頻信號到達(dá)精密放大器之前將其濾除。

當(dāng)信號帶寬只有幾Hz時(shí)，可以使用最簡單的保護(hù)類型。在放大器之前插入一個(gè)簡單的RC低通濾波器將提供普通模式和共模HF保護(hù)。合適的電路如圖所示。在選擇元件時(shí)需要考慮兩個(gè)重要問題：必須選擇電阻R和R'（在圖中顯示為1 kΩ，適用于幾nA或更小的放大器偏置電流的值），以便它們不會在放大器偏置電流流入時(shí)明顯增加失調(diào)。正常模式時(shí)間常數(shù) （R + R'）C2，必須遠(yuǎn)大于共模時(shí)間常數(shù) RC1和 R'C1'，否則必須非常仔細(xì)地匹配共模時(shí)間常數(shù)，以避免將共模轉(zhuǎn)換為差分輸入之間的信號的不平衡。

如果信號帶寬更寬，這種簡單的濾波器將不適合，因?yàn)樗鼈儠コ璧腍F普通模式信號以及不需要的HF共模信號。如果大HF共模信號到達(dá)放大器，它們很可能會遭受共?！ＤＪ睫D(zhuǎn)換（以及輕微整流，產(chǎn)生低頻誤差），因此有必要使用濾波器，該濾波器將抑制HF共模信號，但會通過直流和HF正常模式信號。

這樣的過濾器如下所示。它是由Astrodata的Bill Gunning多年前設(shè)計(jì)的，與長途電話電路中使用的“幻影電路”有關(guān)。它使用緊密耦合的“三線形”變壓器，具有三個(gè)繞組，比例精確為1：1：1。任何繞組兩端的交流電壓也將存在于其他繞組上。

保護(hù)線在源端接地，另一端連接到放大器的保護(hù)引腳（或類似的派生電壓），該保護(hù)引腳通過電容器表示放大器“認(rèn)為”是共模。高頻共模信號將（根據(jù)定義）出現(xiàn)在底部繞組上，并將在其他兩個(gè)繞組中感應(yīng)出相等的共模電壓，減去與每條線路串聯(lián)的共模電壓，并有效地抵消放大器輸入端的HF共模信號。

當(dāng)然，存在潛在的問題。與變壓器串聯(lián)的電容器在保護(hù)電路中幾乎是必不可少的，以阻止直流和低頻，并通過保護(hù)電路中的低頻電流防止變壓器鐵芯飽和。進(jìn)入放大器保護(hù)端子的阻抗必須遠(yuǎn)低于變壓器繞組的阻抗;在非常高的頻率下，變壓器的電容將允許信號泄漏或可能導(dǎo)致相移。這些問題對變壓器的設(shè)計(jì)設(shè)置了不兼容的限制，如果它必須處理非常寬的共模頻率范圍。

在這種情況下，可以考慮使用如圖所示的兩個(gè)獨(dú)立變壓器進(jìn)行雙重消除 - 一個(gè)靠近放大器，具有高電感（并相應(yīng)地具有高電容），另一個(gè)具有良好的VHF效率。

其他方法也是可能的：放大器可以靠近傳感器，長引線被承載數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的引線（或光纖）取代，這樣不太脆弱;更多的屏蔽通常（但并非總是）有幫助;有時(shí)（但很少）可以減少意外HF信號的可能性（即使您遠(yuǎn)離火腿和警察，也總是有可能意外的披薩送貨卡車向其基地發(fā)送無線電......

然而，最重要的考慮因素是意識到HF干擾的可能性并準(zhǔn)備解決它。如果設(shè)計(jì)總是在期望不需要的HF的情況下進(jìn)行，那么預(yù)防措施就足夠了的可能性很大 - 當(dāng)你沒有預(yù)料到它時(shí)，麻煩就開始了。

審核編輯：郭婷