藍(lán)牙模塊對(duì)于電路的影響

本文討論了在實(shí)際中電子信號(hào)處理電路中可能會(huì)受到高頻電磁波干擾的情況。這些情況在普通的課堂中和教科書(shū)中往往都會(huì)被省略掉。電路中所增加的那些看似對(duì)于普通信號(hào)處理無(wú)關(guān)的外圍電阻、電容，卻在保證電路穩(wěn)定工作起到關(guān)鍵的作用。因此，遇到問(wèn)題雖然造成麻煩，但通過(guò)觀察、分析和解決，會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大自己的知識(shí)面，提高解決問(wèn)題的能力。

01 問(wèn)題提出

1.1 問(wèn)題來(lái)源

在8月15日發(fā)出的推文  “腳氣引起的牙周炎[1] ”中，就公眾號(hào)中同學(xué)們提出的在制作智能車(chē)過(guò)程中遇到信號(hào)采集的問(wèn)題（電磁信號(hào)中的脈沖、攝像頭信號(hào)的黑屏）進(jìn)行了評(píng)論，引起了很多同學(xué)興趣并在在“留言”中給出了自己的看法。

●  留言1：我們的車(chē)也會(huì)跳變，一直沒(méi)想到是靜電的原因，真的是由于靜電嗎？

●  留言2：我的開(kāi)藍(lán)牙后其中一個(gè)電感會(huì)有尖峰跳變，手摸藍(lán)牙就會(huì)使得運(yùn)放尖峰消失。

圖1.1  具有尖脈沖干擾的信號(hào)

1.2 問(wèn)題初步分析

對(duì)于電磁采集信號(hào)中的尖脈沖干擾，有同學(xué)提出這可能會(huì)是受到藍(lán)牙模塊的干擾。為了便于設(shè)定車(chē)模運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)視車(chē)模運(yùn)行狀態(tài)，同學(xué)們?cè)谲?chē)模中增加了藍(lán)牙，WiFi模塊等用于數(shù)據(jù)的傳送。這些無(wú)線(xiàn)通信模塊使用了2.4GHz左右的ISM頻道無(wú)線(xiàn)電波傳遞數(shù)據(jù)。車(chē)模上的很多信號(hào)傳輸引線(xiàn)很容易將高頻無(wú)線(xiàn)電波引入電路板中的線(xiàn)路內(nèi)。這些高頻信號(hào)如何造成信號(hào)干擾，如何防制呢？

02 原理介紹

現(xiàn)在電路設(shè)計(jì)中廣泛使用運(yùn)算放大器（OPA）進(jìn)行信號(hào)的調(diào)理：放大、濾波、電平變換等。普通的運(yùn)算放大器的增益隨著信號(hào)的頻率增加而下降，通常使用增益帶寬積(Gain Bandwidth Product : GBP)來(lái)表征。當(dāng)信號(hào)的頻率達(dá)到GBP的時(shí)候，運(yùn)放的增加下降到1。

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通常的運(yùn)放的GBP在1MHz左右，比如：LMV321<1MHz, LF351:4MHz。LM385<0.7MHz。對(duì)于工作在2.4GHz的無(wú)線(xiàn)通信模塊的電磁波信號(hào)，由于這些信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了GBP，從理論上分析，即便這些信號(hào)進(jìn)入了電路，運(yùn)放也會(huì)將它們衰減到很低的電壓水平。

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然而，實(shí)際情況并非如此。事實(shí)上，包含在放大器內(nèi)的靜電放電（ESD）二極管、輸入結(jié)構(gòu)和其它非線(xiàn)性元件會(huì)在放大器的輸入端對(duì)RF信號(hào)進(jìn)行“整流”。所以實(shí)際效果是RF信號(hào)被轉(zhuǎn)換成一種直流（DC）偏移電壓，這種DC偏移電壓添加了放大器輸入偏移電壓，進(jìn)而影響了運(yùn)算放大器的輸出電壓。

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反映運(yùn)放受到高頻信號(hào)影響的參數(shù)為EMIRR（電磁干擾抑制比）。可以通過(guò)測(cè)量高頻輸入信號(hào)的幅值與運(yùn)放輸出直流信號(hào)偏移量來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

圖2.1  測(cè)量OPAMP 的 EMIRR電路

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設(shè)計(jì)良好的運(yùn)算放大器可以具有很好的EMIRR能力。下圖顯示了是TI公司的OPA333 的EMIRR曲線(xiàn)，可以看到對(duì)于信號(hào)頻率為1000MHz的時(shí)候，該運(yùn)放具有120dB的EMIRR，這是非常高的抑制水平

圖2.2  TI 公司的 OPA333的EMIRR曲線(xiàn)

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對(duì)于普通的運(yùn)算放大器就沒(méi)有那么好的EMIRR的性能了。

03 問(wèn)題分析

如果在小小的車(chē)模上安裝有藍(lán)牙、WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，它們發(fā)射的電磁波被車(chē)模上的各種引線(xiàn)引入控制電路中。如果沒(méi)有進(jìn)行很好的輸入信號(hào)的濾波保護(hù)，再加上所使用的運(yùn)放的EMIRR比較低，從而就會(huì)使得運(yùn)放輸出信號(hào)中的直流分量發(fā)生改變。由于藍(lán)牙，WiFi模塊都使用數(shù)據(jù)包，間歇式發(fā)送數(shù)據(jù)，所以在線(xiàn)路中的信號(hào)中就會(huì)出現(xiàn)很多尖脈沖干擾信號(hào)。

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了解到無(wú)線(xiàn)射頻信號(hào)會(huì)引起運(yùn)放輸出中出現(xiàn)干擾，解決的方法就是在那些具有很長(zhǎng)外部引線(xiàn)的輸入端口中加入高頻濾波電路。使得這些外部竄入的高頻信號(hào)在到達(dá)運(yùn)放管腳之前就得到很大的衰減。同時(shí)，在運(yùn)放信號(hào)的電源、地的管腳附近也增加高頻濾波電容，阻止射頻信號(hào)從電源端口干擾芯片。下面電路就是在AD627數(shù)據(jù)手冊(cè)上給出的參考設(shè)計(jì)電路部分。

圖3.1  在運(yùn)放輸入線(xiàn)路中增加射頻信號(hào)濾波電路

04 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)1：藍(lán)牙對(duì)運(yùn)放的影響

觀察運(yùn)放受到藍(lán)牙發(fā)送模塊的影響

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使用LMV358搭建一個(gè)放大增加為50的同相放大器。在輸入端增加了一個(gè)引線(xiàn)，模擬信號(hào)外接引線(xiàn)。在電路板旁邊5厘米處放置一個(gè)藍(lán)牙模塊，天線(xiàn)與引線(xiàn)平行。

圖4.1.1  測(cè)試運(yùn)放收到藍(lán)牙模塊的影響

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在上述電路中，輸入端口沒(méi)有增加任何高頻濾波電路。引線(xiàn)上的高頻信號(hào)可以直接到達(dá)LMV358 的輸入端口。

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在藍(lán)牙模塊沒(méi)有工作的時(shí)候，運(yùn)放輸出為穩(wěn)定的電平。當(dāng)藍(lán)牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候， 在運(yùn)放輸出中出現(xiàn)了尖峰干擾脈沖信號(hào)。

圖4.1.2  LMV358 運(yùn)放輸出的尖峰干擾信號(hào)

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如果在測(cè)試電路板中，增加有電感和電容組成的濾波電路，在同樣的外部條件下，運(yùn)放的輸出就不再會(huì)有尖峰的干擾信號(hào)了。

4.2 實(shí)驗(yàn)2：測(cè)試運(yùn)放EMIRR

對(duì)于三種運(yùn)放：OP07，LMV321, LM351，按照前面圖2所示搭建一個(gè)同向放大電路。借助于普通的信號(hào)源，給電路輸入0.7~10MHz，峰峰值1V的高頻信號(hào)。測(cè)量輸出電壓的直流量的變化。

圖4.2.1  測(cè)試EMIRR電路

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由于這三種OP的GBP都大于0.7MHz，可以看到，在0.7MH以下，輸出電壓的直流分量基本上不會(huì)隨著信號(hào)的頻率變化而變化。

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當(dāng)輸入信號(hào)的頻率大于1MHz以后，輸出直流量變開(kāi)始比較大的波動(dòng)。其中LM358直流工作點(diǎn)下降，OP07，LMV321則增加。變化的范圍LMV321最小， LM358最大。由于信號(hào)源輸出信號(hào)頻率有限，所以測(cè)試還無(wú)法直接達(dá)到2.4GHz的頻段。

圖4.2.2  三種運(yùn)放在輸入高頻信號(hào)下的直流偏移量的改變

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上面的結(jié)果表明不同的運(yùn)算放大器對(duì)于射頻干擾的抑制能力相差很大。對(duì)于存在射頻信號(hào)比較大的環(huán)境中，需要考慮在電路設(shè)計(jì)中增加高頻濾波電路以防止電路受到干擾。

05 討論總結(jié)

本文討論了在實(shí)際中電子信號(hào)處理電路中可能會(huì)受到高頻電磁波干擾的情況。這些情況在普通的課堂中和教科書(shū)中往往都會(huì)被省略掉。圖4電路中所增加的那些看似對(duì)于普通信號(hào)處理無(wú)關(guān)的外圍電阻、電容，卻在保證電路穩(wěn)定工作起到關(guān)鍵的作用。因此，遇到問(wèn)題雖然造成麻煩，但通過(guò)觀察、分析和解決，會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大自己的知識(shí)面，提高解決問(wèn)題的能力。

5.1 電路設(shè)計(jì)中放置射頻干擾

在今后設(shè)計(jì)電路中，由于可能存在大量的射頻通信模塊（藍(lán)牙、WiFi、手機(jī)等），除了注意到電路基本功能滿(mǎn)足信號(hào)處理要求之外，還需要考慮電路的電磁兼容性（EMC），使得設(shè)備在任何條件下都能夠穩(wěn)定工作。否則就會(huì)出現(xiàn)這樣、或者那樣莫名其妙的情況。

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由于是空間電磁波干擾，所以干擾的現(xiàn)象會(huì)受到很多具體情況的影響。就像開(kāi)始同學(xué)留言中敘述的那樣，僅僅使用手觸摸藍(lán)牙模塊就可能使得干擾消除。所以，面對(duì)問(wèn)題，不要輕易的下結(jié)論。仔細(xì)區(qū)分靜電引起的干擾、還是射頻信號(hào)引起的干擾，對(duì)于最終的問(wèn)題解決會(huì)有很大的幫助。

圖5.1  APPLE學(xué)習(xí)方法

參考資料

[1]“腳氣引起的牙周炎: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5NjQyNjc2NQ==&mid=2452216934&idx=1&sn=9e908654115e69f35cadcb442c613268&chksm=876d3204b01abb12e3903eeaa117ac73b7c5f92776553c95414d024b96413385b73fea84aaf6&scene=21#wechat_redirect