高頻信號(hào)干擾知識(shí)問(wèn)答

問(wèn)：我聽(tīng)說(shuō)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(guó)，因?yàn)锳DI公司的壓頻轉(zhuǎn)換器(VFC)AD654發(fā)生“精度不合 格”問(wèn)題。在我的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量這個(gè)有問(wèn)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(hù)那里進(jìn)行測(cè)試則不能重復(fù)我的測(cè)試結(jié)果。正當(dāng)我想到事件發(fā)生的現(xiàn)場(chǎng)去 考察以證實(shí)我 的懷疑的時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)該用戶(hù)所在城市有一家名叫“La Cognette”飯店有三個(gè)衛(wèi)星通信天 線(xiàn)。這個(gè)問(wèn)題我沒(méi)有輕易放下，對(duì)用戶(hù)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(cè)試數(shù)據(jù)偏差的Herman Gelbach，答應(yīng)過(guò)來(lái)幫助我，并認(rèn)為這是一個(gè)很有 趣的技術(shù)問(wèn)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(xiàn)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(chē)到法國(guó)的中心，開(kāi)車(chē)用6個(gè)小時(shí)， 汽車(chē)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(kāi)車(chē)比乘飛機(jī)好，因?yàn)槠?chē)能帶較多 的測(cè)試設(shè)備(和便攜式移動(dòng)電臺(tái)以及兩個(gè)移動(dòng)電話(huà))。

當(dāng)我們考察用戶(hù)的工作環(huán)境時(shí)，我們來(lái)回穿越巨大的短波發(fā)射天線(xiàn)。我們開(kāi)始猜測(cè)問(wèn)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(duì)講機(jī)放在衣服口袋里 。
當(dāng)用戶(hù)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(duì)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(lái)的問(wèn)題。后來(lái)比較正式的測(cè)試結(jié)果表 明當(dāng)?shù)?法國(guó)海外廣播電臺(tái))發(fā)射機(jī)在我們用戶(hù)工作范圍內(nèi)產(chǎn)生的高頻場(chǎng)強(qiáng)每米為幾十或幾百 毫伏(mV/m)。

由此可見(jiàn)，精密測(cè)量電路中的許多不穩(wěn)定問(wèn)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(lè)。用戶(hù)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(chǎng)家，這是很正常的。

此外，用大功率信號(hào)去影響AD654是不常見(jiàn)的，因?yàn)锳D654是一種單端輸入并且對(duì)RF信號(hào) 又相當(dāng)不靈敏。但對(duì)于具有差分放大作用的儀表放大器卻是比較常見(jiàn)的，因 為儀表放大器的兩個(gè)輸入端對(duì)地輸入阻抗很高，因此 容 易受到低功率(來(lái)自個(gè)人計(jì)算機(jī)PC輻射)RF干擾(請(qǐng)見(jiàn)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(kāi)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(duì)于RF干擾可能性很強(qiáng)的應(yīng)用場(chǎng)合，AD830差分放大器具有很寬的共模抑制，它是 為線(xiàn)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(zhǎng)電纜將其連接到信號(hào)調(diào)節(jié)電子設(shè)備。無(wú)線(xiàn)電工程師對(duì)于這種幾根長(zhǎng) 導(dǎo)線(xiàn)有一個(gè)專(zhuān)有名詞，稱(chēng)之為“天線(xiàn)”。從傳感器到其電子設(shè)備之間的這種長(zhǎng)饋線(xiàn)將按照同 樣的表現(xiàn)行為也會(huì)起到一個(gè)天線(xiàn)的作用，即使我們不希望它起到天線(xiàn)的作用也是如此。如果 傳感器的外殼接地就設(shè)有問(wèn)題了，因?yàn)樵诟哳l情況下外殼的電抗和饋線(xiàn)使整個(gè)系統(tǒng)起到一個(gè) 天線(xiàn)的作用，而且天線(xiàn)接受的任何高頻信號(hào)(電場(chǎng)、磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))都將出現(xiàn)在阻抗上。對(duì)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(jiàn)的可調(diào)整失調(diào)誤差。

問(wèn)：這種情況對(duì)我來(lái)說(shuō)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(wèn)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(duì)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(cè)試卻 同樣地令人信服。

斷開(kāi)傳感器及其引線(xiàn)。將放大器的輸入端對(duì)地用盡量短的連線(xiàn)短路，然后測(cè)量放大器的 輸出端，在幾分鐘時(shí)間范圍內(nèi)觀(guān)測(cè)其輸出穩(wěn)定。現(xiàn)在除去短路，恢復(fù)傳感器引線(xiàn)，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(cè)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(guān)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(duì)常模噪聲測(cè)量產(chǎn)生懷 疑，因?yàn)槭静ㄆ鞅旧?即其電源和探頭引線(xiàn))所產(chǎn)生的干擾信號(hào)可能使測(cè)量無(wú)效。如果在測(cè)量 點(diǎn)和示波器輸入端之間使用一個(gè)簡(jiǎn)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(cè)電路的負(fù)載。

圖161 在測(cè)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(duì)傳感器的任何激勵(lì)，并且將示波器的地接到印制線(xiàn)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(guān)測(cè)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(mǎn)高頻噪聲源：無(wú)線(xiàn)電臺(tái)、警察局手持對(duì)講機(jī)的人、車(chē)庫(kù)大門(mén)開(kāi)啟工 具、太陽(yáng)、超新星、開(kāi)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?cè)诟哳l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(jiǎn)單的防護(hù)方法。在放大器前面接一個(gè)簡(jiǎn)單 的RC低通濾波器對(duì)常模和共模高頻噪聲都有防護(hù)作用。相應(yīng)的電路如圖162所示。在選擇 電 路元件時(shí)有兩個(gè)重要問(wèn)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(guò)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。