高频电磁波干扰对电子信号处理电路的影响

1.1 问题来源

在制作智能车过程中遇到信号采集的问题（电磁信号中的脉冲、摄像头信号的黑屏）进行了评论，引起了很多同学兴趣并在在“留言”中给出了自己的看法。

● 留言1：我们的车也会跳变，一直没想到是静电的原因，真的是由于静电吗？

● 留言2：我的开蓝牙后其中一个电感会有尖峰跳变，手摸蓝牙就会使得运放尖峰消失。

图1.1 具有尖脉冲干扰的信号

1.2 问题初步分析

对于电磁采集信号中的尖脉冲干扰，有同学提出这可能会是受到蓝牙模块的干扰。为了便于设定车模运行参数，监视车模运行状态，同学们在车模中增加了蓝牙，WiFi模块等用于数据的传送。这些无线通信模块使用了2.4GHz左右的ISM频道无线电波传递数据。车模上的很多信号传输引线很容易将高频无线电波引入电路板中的线路内。这些高频信号如何造成信号干扰，如何防制呢？

02 原理介绍

现在电路设计中广泛使用运算放大器（OPA）进行信号的调理：放大、滤波、电平变换等。普通的运算放大器的增益随着信号的频率增加而下降，通常使用增益带宽积(Gain Bandwidth Product : GBP)来表征。当信号的频率达到GBP的时候，运放的增加下降到1。

通常的运放的GBP在1MHz左右，比如：LMV321<1MHz, LF351:4MHz。LM385<0.7MHz。对于工作在2.4GHz的无线通信模块的电磁波信号，由于这些信号远远超过了GBP，从理论上分析，即便这些信号进入了电路，运放也会将它们衰减到很低的电压水平。

然而，实际情况并非如此。事实上，包含在放大器内的静电放电（ESD）二极管、输入结构和其它非线性元件会在放大器的输入端对RF信号进行“整流”。所以实际效果是RF信号被转换成一种直流（DC）偏移电压，这种DC偏移电压添加了放大器输入偏移电压，进而影响了运算放大器的输出电压。

反映运放受到高频信号影响的参数为EMIRR（电磁干扰抑制比）。可以通过测量高频输入信号的幅值与运放输出直流信号偏移量来进行计算。

图2.1 测量OPAMP 的 EMIRR电路

设计良好的运算放大器可以具有很好的EMIRR能力。下图显示了是TI公司的OPA333 的EMIRR曲线，可以看到对于信号频率为1000MHz的时候，该运放具有120dB的EMIRR，这是非常高的抑制水平

图2.2 TI 公司的 OPA333的EMIRR曲线

对于普通的运算放大器就没有那么好的EMIRR的性能了。

03 问题分析

如果在小小的车模上安装有蓝牙、WiFi模块进行数据传输，它们发射的电磁波被车模上的各种引线引入控制电路中。如果没有进行很好的输入信号的滤波保护，再加上所使用的运放的EMIRR比较低，从而就会使得运放输出信号中的直流分量发生改变。由于蓝牙，WiFi模块都使用数据包，间歇式发送数据，所以在线路中的信号中就会出现很多尖脉冲干扰信号。

了解到无线射频信号会引起运放输出中出现干扰，解决的方法就是在那些具有很长外部引线的输入端口中加入高频滤波电路。使得这些外部窜入的高频信号在到达运放管脚之前就得到很大的衰减。同时，在运放信号的电源、地的管脚附近也增加高频滤波电容，阻止射频信号从电源端口干扰芯片。下面电路就是在AD627数据手册上给出的参考设计电路部分。

图3.1 在运放输入线路中增加射频信号滤波电路

04 实验验证

4.1 实验1：蓝牙对运放的影响

观察运放受到蓝牙发送模块的影响

使用LMV358搭建一个放大增加为50的同相放大器。在输入端增加了一个引线，模拟信号外接引线。在电路板旁边5厘米处放置一个蓝牙模块，天线与引线平行。

在上述电路中，输入端口没有增加任何高频滤波电路。引线上的高频信号可以直接到达LMV358 的输入端口。

在蓝牙模块没有工作的时候，运放输出为稳定的电平。当蓝牙模块发送数据的时候， 在运放输出中出现了尖峰干扰脉冲信号。

如果在测试电路板中，增加有电感和电容组成的滤波电路，在同样的外部条件下，运放的输出就不再会有尖峰的干扰信号了。

4.2 实验2：测试运放EMIRR

对于三种运放：OP07，LMV321, LM351，按照前面图2所示搭建一个同向放大电路。借助于普通的信号源，给电路输入0.7~10MHz，峰峰值1V的高频信号。测量输出电压的直流量的变化。

由于这三种OP的GBP都大于0.7MHz，可以看到，在0.7MH以下，输出电压的直流分量基本上不会随着信号的频率变化而变化。

当输入信号的频率大于1MHz以后，输出直流量变开始比较大的波动。其中LM358直流工作点下降，OP07，LMV321则增加。变化的范围LMV321最小， LM358最大。由于信号源输出信号频率有限，所以测试还无法直接达到2.4GHz的频段。

图4.2.2 三种运放在输入高频信号下的直流偏移量的改变

上面的结果表明不同的运算放大器对于射频干扰的抑制能力相差很大。对于存在射频信号比较大的环境中，需要考虑在电路设计中增加高频滤波电路以防止电路受到干扰。

05 讨论总结

本文讨论了在实际中电子信号处理电路中可能会受到高频电磁波干扰的情况。这些情况在普通的课堂中和教科书中往往都会被省略掉。图4电路中所增加的那些看似对于普通信号处理无关的外围电阻、电容，却在保证电路稳定工作起到关键的作用。因此，遇到问题虽然造成麻烦，但通过观察、分析和解决，会进一步扩大自己的知识面，提高解决问题的能力。

5.1 电路设计中放置射频干扰

在今后设计电路中，由于可能存在大量的射频通信模块（蓝牙、WiFi、手机等），除了注意到电路基本功能满足信号处理要求之外，还需要考虑电路的电磁兼容性（EMC），使得设备在任何条件下都能够稳定工作。否则就会出现这样、或者那样莫名其妙的情况。

由于是空间电磁波干扰，所以干扰的现象会受到很多具体情况的影响。就像开始同学留言中叙述的那样，仅仅使用手触摸蓝牙模块就可能使得干扰消除。所以，面对问题，不要轻易的下结论。仔细区分静电引起的干扰、还是射频信号引起的干扰，对于最终的问题解决会有很大的帮助。