应用工程师咨询：高频信号污染

James Bryant 和 Herman R. Gelbach

       问：我听说射频可以使低频电路做奇怪的事情。这到底是怎么回事？

A.我曾经被召唤到法国，因为ADI公司的电压频率转换器（VFC）AD654遭受了“不可接受的精度变化”。我在自己的实验室中测量了有问题的部件，发现它们稳定且符合规格，但是当我将它们与测试夹具一起退回给客户时，他无法重现我的结果。在考虑实地考察以证实我的怀疑时，我发现我们顾客所在城镇的“La Cognette”餐厅在米其林指南中获得了三颗星，厨师是“法国弥勒·奎西尼尔”——这个头衔不是轻易授予的。拜访客户变得加倍必要。赫尔曼当时正在英国查看波音风洞测试中的数据偏移，他主动提出来帮忙——他说这是一个有趣的技术问题（但就在他提出之前，我看到他认真地咨询米其林指南）。

从ADI公司位于英格兰南部纽伯里的办公室开车到法国中部需要六个小时的车程，需要六个小时的渡轮穿越英吉利海峡，以及从正确的道路一侧到右侧的换乘。尽管如此，驾驶比飞行更好，因为人们可以携带更多的测试设备（以及便携式火腿广播电台 - 我们都是火腿）。

当我们接近客户的作品时，我们经过了一个巨大的短波发射天线，然后是另一个，又一个。我们开始猜测可能出了什么问题，当我们进入实验室时，我的夹克口袋里装着一个便携式两米长的火腿收发器（HT或“handy-talky”）。

AD654确实表现不稳定，正如客户声称的那样。VFC的输出频率在几分钟内变化了数十mV的等效失调。我悄悄地把手伸进口袋，按下了HT的传输按钮。输出频率跳跃了相当于150 mV，从而证明问题是高频拾取。稍后更正式的测量表明，本地发射机（法国海外广播组织）在我们客户的工作中产生了数十或数百 mV/m 的高频 （HF） 场强。

精密测量电路中的许多不稳定问题可以追溯到高频干扰，但除非系统中的扬声器可能会意外地从附近的广播电台爆裂出硬摇滚音乐，否则工程师通常会忽略这种不准确性的来源，并责怪放大器或数据转换器的制造商。

此外，这种情况很不寻常，因为需要高功率信号才能影响AD654，AD1993是单端的，对RF也相对不敏感——使用差分放大器仪表放大器更为常见。这些类型的放大器的两个输入都具有高输入阻抗;因此，它们更容易受到低电平射频的影响，例如来自个人计算机（PC）的辐射。[ADI公司的系统设计研讨会笔记中详细介绍了这种现象，可作为系统应用指南（<>）出售。

一个重要因素是，在仪表放大器中，共模抑制随着频率的增加而降低，在相当低的频率下开始滚降，失真随频率增加。因此，不仅高频共模信号不会被拒绝;它们被扭曲，产生偏移。对于某些极易产生RF干扰的应用，AD830差动放大器具有宽带共模抑制功能，专为线路接收器应用而设计;它可能是仪表放大器的有用替代品。

传感器通常通过长电缆连接到其信号调理电子设备。无线电工程师对这么长的电线有一个术语;他们称它们为天线。从传感器到其电子设备的长馈线将以相同的方式运行，并将用作天线，即使我们不希望它们这样做。传感器外壳是否在高频接地并不重要，外壳和馈线的电抗将允许系统充当天线，并且它遇到的任何高频信号（E场，M场或E-M场）将出现在任何阻抗上。 它们最有可能结束的地方是放大器输入端。精密低频放大器很少能处理大HF信号，结果是误差——通常是失调误差的变化。

问：但这不可能发生在我身上！

A.永远不要相信它不会发生在你身上！通过说服无辜者押注他或她的电路没有这些问题，总是可以获得简单的免费午餐。在两米（144-148-MHz）频段上使用业余无线电HT，在一米的距离上一秒钟，几乎每次都能为您赢得免费午餐。但一个不那么戏剧性的测试也可以同样令人信服。

断开传感器及其引线。将放大器输入端相互短路，并与具有尽可能短链路的放大器电路（可能接地）短路并测量放大器输出;观察其稳定性几分钟。现在移除短路，更换传感器引线并将它们置于正常工作环境中。禁用激励并使传感器端的信号引线短路。再次测量放大器输出及其随时间的变化。静静地哭泣。

通常，通过使用高频示波器（或频谱分析仪，其灵敏度更高，但不太容易解释）来测量放大器输入端的HF噪声（包括普通模式和共模），通常可以看到发生了什么;但必须对正常模式测量持怀疑态度，因为示波器本身及其电源和探头引线本身可能会引入信号并使测量无效。通过在测量点和示波器输入之间使用简单的宽带变压器，可以将示波器的影响降至最低，如图所示;但是这种变压器具有相当低的阻抗，并且会加载被测电路。

通过禁用任何传感器激励并将示波器在电路板输入端接地连接到地，并将所有传感器引线连接在一起并连接到示波器输入端，可以非常容易地观察到共模信号。通常，该信号的振幅为数百毫伏，并且包含从低频到数十或数百MHz的分量。

世界上到处都是高频噪声源：业余无线电操作员、警察、使用便携式电话的人、车库开门器、太阳、超新星、开关电源和逻辑信号（例如 PC）。由于我们无法消除环境中的HF噪声，因此我们必须在低频信号到达精密放大器之前将其滤除。

当信号带宽只有几Hz时，可以使用最简单的保护类型。在放大器之前插入一个简单的RC低通滤波器将提供普通模式和共模HF保护。合适的电路如图所示。在选择元件时需要考虑两个重要问题：必须选择电阻R和R'（在图中显示为1 kΩ，适用于几nA或更小的放大器偏置电流的值），以便它们不会在放大器偏置电流流入时明显增加失调。正常模式时间常数 （R + R'）C2，必须远大于共模时间常数 RC1和 R'C1'，否则必须非常仔细地匹配共模时间常数，以避免将共模转换为差分输入之间的信号的不平衡。

如果信号带宽更宽，这种简单的滤波器将不适合，因为它们会去除所需的HF普通模式信号以及不需要的HF共模信号。如果大HF共模信号到达放大器，它们很可能会遭受共模→正常模式转换（以及轻微整流，产生低频误差），因此有必要使用滤波器，该滤波器将抑制HF共模信号，但会通过直流和HF正常模式信号。

这样的过滤器如下所示。它是由Astrodata的Bill Gunning多年前设计的，与长途电话电路中使用的“幻影电路”有关。它使用紧密耦合的“三线形”变压器，具有三个绕组，比例精确为1：1：1。任何绕组两端的交流电压也将存在于其他绕组上。

保护线在源端接地，另一端连接到放大器的保护引脚（或类似的派生电压），该保护引脚通过电容器表示放大器“认为”是共模。高频共模信号将（根据定义）出现在底部绕组上，并将在其他两个绕组中感应出相等的共模电压，减去与每条线路串联的共模电压，并有效地抵消放大器输入端的HF共模信号。

当然，存在潜在的问题。与变压器串联的电容器在保护电路中几乎是必不可少的，以阻止直流和低频，并通过保护电路中的低频电流防止变压器铁芯饱和。进入放大器保护端子的阻抗必须远低于变压器绕组的阻抗;在非常高的频率下，变压器的电容将允许信号泄漏或可能导致相移。这些问题对变压器的设计设置了不兼容的限制，如果它必须处理非常宽的共模频率范围。

在这种情况下，可以考虑使用如图所示的两个独立变压器进行双重消除 - 一个靠近放大器，具有高电感（并相应地具有高电容），另一个具有良好的VHF效率。

其他方法也是可能的：放大器可以靠近传感器，长引线被承载数字数据的引线（或光纤）取代，这样不太脆弱;更多的屏蔽通常（但并非总是）有帮助;有时（但很少）可以减少意外HF信号的可能性（即使您远离火腿和警察，也总是有可能意外的披萨送货卡车向其基地发送无线电......

然而，最重要的考虑因素是意识到HF干扰的可能性并准备解决它。如果设计总是在期望不需要的HF的情况下进行，那么预防措施就足够了的可能性很大 - 当你没有预料到它时，麻烦就开始了。

审核编辑：郭婷