高頻信號干擾知識問答

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)指標要求 ，但是當我返回用戶那里進行測試則不能重復我的測試結(jié)果。正當我想到事件發(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 認真考察在 Bo eing 風洞測試數(shù)據(jù)偏差的Herman Gelbach，答應過來幫助我，并認為這是一個很有 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 的測試設備(和便攜式移動電臺以及兩個移動電話)。

當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?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 為線接收器應用而設計的。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)電子設備。無線電工程師對于這種幾根長 導線有一個專有名詞，稱之為“天線”。從傳感器到其電子設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：我可不認為你不會遇到這種情況。如果你認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?，F(xiàn)在除去短路，恢復傳感器引線，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?shù)?，會增加被測電路的負載。

圖161 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精密放大器之前，必須從低頻信號中把它濾掉。當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。相應的電路如圖162所示。在選擇 電 路元件時有兩個重要問題應該考慮。阻抗R和R′(圖中示為1 kΩ，相應的放大器偏置電流為 幾個納安或更低)必須選擇適當，以便當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。