James Bryant 和 Herman R. Gelbach

問：我聽說射頻可以使低頻電路做奇怪的事情。這到底是怎么回事？

A.我曾經(jīng)被召喚到法國，因為ADI公司的電壓頻率轉(zhuǎn)換器（VFC）AD654遭受了“不可接受的精度變化”。我在自己的實驗室中測量了有問題的部件，發(fā)現(xiàn)它們穩(wěn)定且符合規(guī)格，但是當我將它們與測試夾具一起退回給客戶時，他無法重現(xiàn)我的結(jié)果。在考慮實地考察以證實我的懷疑時，我發(fā)現(xiàn)我們顧客所在城鎮(zhèn)的“La Cognette”餐廳在米其林指南中獲得了三顆星，廚師是“法國彌勒·奎西尼爾”——這個頭銜不是輕易授予的。拜訪客戶變得加倍必要。赫爾曼當時正在英國查看波音風洞測試中的數(shù)據(jù)偏移，他主動提出來幫忙——他說這是一個有趣的技術(shù)問題（但就在他提出之前，我看到他認真地咨詢米其林指南）。

從ADI公司位于英格蘭南部紐伯里的辦公室開車到法國中部需要六個小時的車程，需要六個小時的渡輪穿越英吉利海峽，以及從正確的道路一側(cè)到右側(cè)的換乘。盡管如此，駕駛比飛行更好，因為人們可以攜帶更多的測試設(shè)備（以及便攜式火腿廣播電臺 - 我們都是火腿）。

當我們接近客戶的作品時，我們經(jīng)過了一個巨大的短波發(fā)射天線，然后是另一個，又一個。我們開始猜測可能出了什么問題，當我們進入實驗室時，我的夾克口袋里裝著一個便攜式兩米長的火腿收發(fā)器（HT或“handy-talky”）。

AD654確實表現(xiàn)不穩(wěn)定，正如客戶聲稱的那樣。VFC的輸出頻率在幾分鐘內(nèi)變化了數(shù)十mV的等效失調(diào)。我悄悄地把手伸進口袋，按下了HT的傳輸按鈕。輸出頻率跳躍了相當于150 mV，從而證明問題是高頻拾取。稍后更正式的測量表明，本地發(fā)射機（法國海外廣播組織）在我們客戶的工作中產(chǎn)生了數(shù)十或數(shù)百 mV/m 的高頻 （HF） 場強。

精密測量電路中的許多不穩(wěn)定問題可以追溯到高頻干擾，但除非系統(tǒng)中的揚聲器可能會意外地從附近的廣播電臺爆裂出硬搖滾音樂，否則工程師通常會忽略這種不準確性的來源，并責怪放大器或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的制造商。

此外，這種情況很不尋常，因為需要高功率信號才能影響AD654，AD1993是單端的，對RF也相對不敏感——使用差分放大器儀表放大器更為常見。這些類型的放大器的兩個輸入都具有高輸入阻抗;因此，它們更容易受到低電平射頻的影響，例如來自個人計算機（PC）的輻射。[ADI公司的系統(tǒng)設(shè)計研討會筆記中詳細介紹了這種現(xiàn)象，可作為系統(tǒng)應(yīng)用指南（<>）出售。

一個重要因素是，在儀表放大器中，共模抑制隨著頻率的增加而降低，在相當?shù)偷念l率下開始滾降，失真隨頻率增加。因此，不僅高頻共模信號不會被拒絕;它們被扭曲，產(chǎn)生偏移。對于某些極易產(chǎn)生RF干擾的應(yīng)用，AD830差動放大器具有寬帶共模抑制功能，專為線路接收器應(yīng)用而設(shè)計;它可能是儀表放大器的有用替代品。

傳感器通常通過長電纜連接到其信號調(diào)理電子設(shè)備。無線電工程師對這么長的電線有一個術(shù)語;他們稱它們?yōu)樘炀€。從傳感器到其電子設(shè)備的長饋線將以相同的方式運行，并將用作天線，即使我們不希望它們這樣做。傳感器外殼是否在高頻接地并不重要，外殼和饋線的電抗將允許系統(tǒng)充當天線，并且它遇到的任何高頻信號（E場，M場或E-M場）將出現(xiàn)在任何阻抗上。 它們最有可能結(jié)束的地方是放大器輸入端。精密低頻放大器很少能處理大HF信號，結(jié)果是誤差——通常是失調(diào)誤差的變化。

問：但這不可能發(fā)生在我身上！

A.永遠不要相信它不會發(fā)生在你身上！通過說服無辜者押注他或她的電路沒有這些問題，總是可以獲得簡單的免費午餐。在兩米（144-148-MHz）頻段上使用業(yè)余無線電HT，在一米的距離上一秒鐘，幾乎每次都能為您贏得免費午餐。但一個不那么戲劇性的測試也可以同樣令人信服。

斷開傳感器及其引線。將放大器輸入端相互短路，并與具有盡可能短鏈路的放大器電路（可能接地）短路并測量放大器輸出;觀察其穩(wěn)定性幾分鐘。現(xiàn)在移除短路，更換傳感器引線并將它們置于正常工作環(huán)境中。禁用激勵并使傳感器端的信號引線短路。再次測量放大器輸出及其隨時間的變化。靜靜地哭泣。

通常，通過使用高頻示波器（或頻譜分析儀，其靈敏度更高，但不太容易解釋）來測量放大器輸入端的HF噪聲（包括普通模式和共模），通常可以看到發(fā)生了什么;但必須對正常模式測量持懷疑態(tài)度，因為示波器本身及其電源和探頭引線本身可能會引入信號并使測量無效。通過在測量點和示波器輸入之間使用簡單的寬帶變壓器，可以將示波器的影響降至最低，如圖所示;但是這種變壓器具有相當?shù)偷淖杩梗⑶視虞d被測電路。

通過禁用任何傳感器激勵并將示波器在電路板輸入端接地連接到地，并將所有傳感器引線連接在一起并連接到示波器輸入端，可以非常容易地觀察到共模信號。通常，該信號的振幅為數(shù)百毫伏，并且包含從低頻到數(shù)十或數(shù)百MHz的分量。

世界上到處都是高頻噪聲源：業(yè)余無線電操作員、警察、使用便攜式電話的人、車庫開門器、太陽、超新星、開關(guān)電源和邏輯信號（例如 PC）。由于我們無法消除環(huán)境中的HF噪聲，因此我們必須在低頻信號到達精密放大器之前將其濾除。

當信號帶寬只有幾Hz時，可以使用最簡單的保護類型。在放大器之前插入一個簡單的RC低通濾波器將提供普通模式和共模HF保護。合適的電路如圖所示。在選擇元件時需要考慮兩個重要問題：必須選擇電阻R和R'（在圖中顯示為1 kΩ，適用于幾nA或更小的放大器偏置電流的值），以便它們不會在放大器偏置電流流入時明顯增加失調(diào)。正常模式時間常數(shù) （R + R'）C2，必須遠大于共模時間常數(shù) RC1和 R'C1'，否則必須非常仔細地匹配共模時間常數(shù)，以避免將共模轉(zhuǎn)換為差分輸入之間的信號的不平衡。

如果信號帶寬更寬，這種簡單的濾波器將不適合，因為它們會去除所需的HF普通模式信號以及不需要的HF共模信號。如果大HF共模信號到達放大器，它們很可能會遭受共模→正常模式轉(zhuǎn)換（以及輕微整流，產(chǎn)生低頻誤差），因此有必要使用濾波器，該濾波器將抑制HF共模信號，但會通過直流和HF正常模式信號。

這樣的過濾器如下所示。它是由Astrodata的Bill Gunning多年前設(shè)計的，與長途電話電路中使用的“幻影電路”有關(guān)。它使用緊密耦合的“三線形”變壓器，具有三個繞組，比例精確為1：1：1。任何繞組兩端的交流電壓也將存在于其他繞組上。

保護線在源端接地，另一端連接到放大器的保護引腳（或類似的派生電壓），該保護引腳通過電容器表示放大器“認為”是共模。高頻共模信號將（根據(jù)定義）出現(xiàn)在底部繞組上，并將在其他兩個繞組中感應(yīng)出相等的共模電壓，減去與每條線路串聯(lián)的共模電壓，并有效地抵消放大器輸入端的HF共模信號。

當然，存在潛在的問題。與變壓器串聯(lián)的電容器在保護電路中幾乎是必不可少的，以阻止直流和低頻，并通過保護電路中的低頻電流防止變壓器鐵芯飽和。進入放大器保護端子的阻抗必須遠低于變壓器繞組的阻抗;在非常高的頻率下，變壓器的電容將允許信號泄漏或可能導致相移。這些問題對變壓器的設(shè)計設(shè)置了不兼容的限制，如果它必須處理非常寬的共模頻率范圍。

在這種情況下，可以考慮使用如圖所示的兩個獨立變壓器進行雙重消除 - 一個靠近放大器，具有高電感（并相應(yīng)地具有高電容），另一個具有良好的VHF效率。

其他方法也是可能的：放大器可以靠近傳感器，長引線被承載數(shù)字數(shù)據(jù)的引線（或光纖）取代，這樣不太脆弱;更多的屏蔽通常（但并非總是）有幫助;有時（但很少）可以減少意外HF信號的可能性（即使您遠離火腿和警察，也總是有可能意外的披薩送貨卡車向其基地發(fā)送無線電......

然而，最重要的考慮因素是意識到HF干擾的可能性并準備解決它。如果設(shè)計總是在期望不需要的HF的情況下進行，那么預(yù)防措施就足夠了的可能性很大 - 當你沒有預(yù)料到它時，麻煩就開始了。

審核編輯：郭婷