【導(dǎo)讀】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中往往都會(huì)被省略掉。電路中所增加的那些看似對于普通信號(hào)處理無關(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，遇到問題雖然造成麻煩，但通過觀察、分析和解決，會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大自己的知識(shí)面，提高解決問題的能力。
01 問題提出
1.1 問題來源
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過程中遇到信號(hào)采集的問題（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：我們的車也會(huì)跳變，一直沒想到是靜電的原因，真的是由于靜電嗎？
● 留言2：我的開藍(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 問題初步分析
對于電磁采集信號(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)定車模運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)視車模運(yùn)行狀態(tài)，同學(xué)們在車模中增加了藍(lán)牙，WiFi模塊等用于數(shù)據(jù)的傳送。這些無線通信模塊使用了2.4GHz左右的ISM頻道無線電波傳遞數(shù)據(jù)。車模上的很多信號(hào)傳輸引線很容易將高頻無線電波引入電路板中的線路內(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。對于工作在2.4GHz的無線通信模塊的電磁波信號(hào)，由于這些信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了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)和其它非線性元件會(huì)在放大器的輸入端對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）?？梢酝ㄟ^測量高頻輸入信號(hào)的幅值與運(yùn)放輸出直流信號(hào)偏移量來進(jìn)行計(jì)算。
圖2.1 測量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，可以看到對于信號(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
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對于普通的運(yùn)算放大器就沒有那么好的EMIRR的性能了。
03 問題分析
如果在小小的車模上安裝有藍(lán)牙、WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，它們發(fā)射的電磁波被車模上的各種引線引入控制電路中。如果沒有進(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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了解到無線射頻信號(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外部引線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)手冊上給出的參考設(shè)計(jì)電路部分。
圖3.1 在運(yùn)放輸入線路中增加射頻信號(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，模擬信號(hào)外接引線。在電路板旁邊5厘米處放置一個(gè)藍(lán)牙模塊，天線與引線平行。
圖4.1.1 測試運(yùn)放收到藍(lán)牙模塊的影響
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在上述電路中，輸入端口沒有增加任何高頻濾波電路。引線上的高頻信號(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：測試運(yùn)放EMIRR
對于三種運(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)。測量輸出電壓的直流量的變化。
圖4.2.1 測試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，所以測試還無法直接達(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)算放大器對于射頻干擾的抑制能力相差很大。對于存在射頻信號(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中往往都會(huì)被省略掉。圖4電路中所增加的那些看似對于普通信號(hào)處理無關(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，遇到問題雖然造成麻煩，但通過觀察、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，面對問題，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，對于最終的問題解決會(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
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