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遠(yuǎn)程傳感器接口時(shí)避免噪音
本文探討了與遠(yuǎn)程傳感器接口時(shí)與噪聲拾取相關(guān)的問(wèn)題。一個(gè)很好的起點(diǎn)是我們?cè)S多人都熟悉的電路，但由于它在處理諸如電場(chǎng)干擾之類的主要噪聲源方面非常差而廣為人知。
非差分運(yùn)算放大器接口
在此示例中，遠(yuǎn)程傳感器（未接地）通過(guò)電纜連接到單端運(yùn)算放大器。
如果我們添加來(lái)自外部電場(chǎng)的瞬態(tài)干擾，我們將在下圖中看到，這對(duì)電纜中的兩根導(dǎo)線的影響不同：
由于兩條線對(duì)地的阻抗不同，因此紅色瞬態(tài)電壓會(huì)有所不同。同相輸入端的瞬變會(huì)更小，因?yàn)槟芰繉⒅苯觽鲗?dǎo)到地面。串聯(lián)電阻的值將決定輸入反相輸入的導(dǎo)線上的瞬態(tài)。另外，不能依靠傳感器的輸出阻抗。它可以在某種程度上均衡瞬態(tài)（在電纜的末端），但不能平衡運(yùn)算放大器端的差異。
瞬態(tài)電壓的這種差異將被運(yùn)算放大器（以及所需信號(hào)）放大，從而產(chǎn)生噪聲輸出。
使用差分放大器
如下圖所示，使用差分連接的運(yùn)算放大器可以大大改善這種情況：
由于兩條線上對(duì)地的阻抗是平衡的，因此饋入差分放大器的紅色瞬態(tài)電壓是相同的。這樣可以消除噪聲，并且運(yùn)算放大器的輸出將是干凈的。如果使用的電阻值不完全相同，則阻抗不平衡會(huì)很小。但是，運(yùn)算放大器的輸出噪聲仍將比使用非差分放大器電路時(shí)小得多。
傳感器阻抗失衡
以前，假定傳感器是浮動(dòng)的，但情況并非總是如此。傳感器的輸出阻抗（X）可能會(huì)成為問(wèn)題。請(qǐng)考慮以下情形：
現(xiàn)在，由于上部電線上傳感器的輸出阻抗（X），電纜中的兩條電線對(duì)地的阻抗不同。這意味著電場(chǎng)干擾將在差分放大器的輸入端產(chǎn)生不同的瞬態(tài)電壓，并導(dǎo)致運(yùn)算放大器輸出端出現(xiàn)噪聲。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要用另一個(gè)與傳感器的輸出阻抗（X）匹配的電阻“阻抗平衡”傳感器的輸出：
阻抗平衡得以恢復(fù)，運(yùn)算放大器輸出將再次基本無(wú)噪聲。這是一個(gè)平衡的阻抗傳輸系統(tǒng)。無(wú)論您是嘗試測(cè)量來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)還是為遠(yuǎn)程數(shù)字信號(hào)提供接口，基本方法都是相同的。
增加免疫力
盡管上面的最后情況描繪了一個(gè)樂(lè)觀的畫(huà)面，但是會(huì)降低性能的一件事是運(yùn)算放大器在較高頻率下的共模抑制（CMR）性能。我們一直在討論外部電場(chǎng)干擾問(wèn)題，這些問(wèn)題可以歸結(jié)為通過(guò)小容量電容器將干擾源連接到兩根導(dǎo)線上。這意味著，由于較低的電容電抗，干擾在較高的頻率下往往會(huì)更大。換句話說(shuō)，噪聲耦合在高頻下更為重要。
通過(guò)查看兩個(gè)預(yù)期的運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)表，我們可以看到CMR的問(wèn)題。為了進(jìn)行比較，我看一下OP07和OP1177器件：
兩種器件的失調(diào)電壓和誤差相似。兩者都支持大約相同的電源范圍。因此，它們都可以考慮用于此類應(yīng)用程序。但是，如果我們看一下CMR圖，就會(huì)開(kāi)始明白為什么OP1177更好。
在1 kHz時(shí)，OP07 CMR約為93 dB，而對(duì)于OP1177，約為110 dB。當(dāng)然，對(duì)于OP07，93 dB的數(shù)字還不錯(cuò)。這就是共模電壓的45,000：1抑制。但是，該問(wèn)題開(kāi)始在較高頻率處顯示出來(lái)。在10 kHz時(shí)，OP07的CMR約為73 dB（約4,500：1），在25 kHz以上時(shí)，曲線結(jié)束，我們不能依靠更高頻率下的抑制性能。
OP1177的最高頻率可達(dá)10 MHz，最低CMR為60 dB。那是1000：1的拒絕率。如果我們對(duì)高達(dá)10 MHz的OP-07運(yùn)算放大器進(jìn)行直線投影CMR圖，則在10 MHz時(shí)我們可能只會(huì)看到3 dB的抑制。我并不是說(shuō)對(duì)OP-07進(jìn)行數(shù)字評(píng)估是公平的，但是我們還能如何與OP1177進(jìn)行比較。如果MHz范圍的頻率主導(dǎo)了電場(chǎng)噪聲，我們可以選擇一個(gè)可以處理此問(wèn)題的運(yùn)算放大器，或者考慮使用CM濾波器。
共模（CM）濾波器
因?yàn)?span>OP07比OPA1177便宜，所以如果可以在輸入端添加一個(gè)共模（CM）濾波器，我們可能仍會(huì)考慮使用它。最簡(jiǎn)單的方法是在差分放大器之前，將每條輸入線的電容器接地。我們還必須意識(shí)到，如果使用內(nèi)部放大器，這可能會(huì)使傳感器輸出不穩(wěn)定，因此，我們將在電路上增加兩個(gè)串聯(lián)電阻（Y），如下圖所示：
首先，讓我們談?wù)勌砑?span>CM過(guò)濾器的弊端。添加的電容器的容差意味著它可能會(huì)使CMR降低。假設(shè)有相等的CM噪聲電壓（在濾波器之前的紅色圓圈上顯示），然后在濾波器之后（每個(gè)電容器上）顯示。在這種情況下，如果我們使用5％容差的電容器，則可能會(huì)有不相等的電平達(dá)到10％。也就是說(shuō)，一個(gè)電容器的值可能低5％，而另一個(gè)電容器的值可能高5％，這會(huì)導(dǎo)致差分電壓，在最壞的情況下，該電壓可能是CM電壓的10％。這是添加CM濾波器的缺點(diǎn)-對(duì)于5％的電容器，它會(huì)產(chǎn)生大約-20
dB的差分噪聲水平。
好處是，濾波會(huì)嚴(yán)重削弱CM級(jí)別，因此即使較小的級(jí)別無(wú)法精確平衡，我們?nèi)钥赡軙?huì)受益。因此，在此示例中，要使CM凈降低60 dB，將要求低通RC濾波器的衰減為80 dB。如果將電阻（Y）選擇為10kΩ，則電容電抗將需要為1Ω，以將不想要的CM噪聲降低80 dB。
如果我們將1 kHz作為希望衰減的頻率，這意味著這些電容器將需要為159 F，這顯然太大了，無(wú)法證明是合理的。尋找便宜的5％這個(gè)值的電容器也是有問(wèn)題的。這樣就可以將添加的電阻（Y）設(shè)置在1000kΩ的范圍內(nèi)。但是，無(wú)論我們選擇什么電阻值，都無(wú)法避免CM濾波器也會(huì)將所需的傳感器信號(hào)帶寬限制為0.1 Hz。
因此，在許多應(yīng)用中，當(dāng)我們?cè)噲D尋找基于性能較低的運(yùn)算放大器的解決方案時(shí)，我們正在與一場(chǎng)失敗的斗爭(zhēng)。話雖如此，但在某些應(yīng)用中，OP1177運(yùn)算放大器可能仍需要進(jìn)行CM濾波，但是直到我們達(dá)到1 MHz以上的頻率時(shí)，才需要“濾波”這種濾波。在1 MHz且Y = 10kΩ時(shí)，電容電抗為1Ω，這意味著電容為159 nF。但是，信號(hào)帶寬在100 Hz時(shí)仍然相對(duì)較差。
請(qǐng)記住，這只是一個(gè)示例，它表明了認(rèn)為CM濾波器是解決噪聲問(wèn)題的靈丹妙藥的陷阱。它們的設(shè)計(jì)可能很棘手，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，選擇更好的運(yùn)算放大器通常更便宜。
磁場(chǎng)干擾
假設(shè)干擾電流（橙色）在每根電纜線中感應(yīng)出相等的電壓，那么我們之前針對(duì)電場(chǎng)干擾所考慮的解決方案對(duì)于抵抗磁場(chǎng)干擾同樣有效：
干擾電流將在兩條電纜線上感應(yīng)出電壓。由于整個(gè)電路的平衡阻抗，在差分放大器的輸入端，感應(yīng)電壓的幅度將相等。您有一個(gè)帶有兩個(gè)次級(jí)繞組的松散耦合變壓器。初級(jí)是干擾電流，顯示為橙色線，如果兩個(gè)“次級(jí)”（電纜線）均受到相同的電負(fù)載（它們是負(fù)載），則它們將產(chǎn)生相同的CM端子電壓。因此，噪聲將在差分放大器輸出處消除。
屏幕和曲折
以前，我們已經(jīng)看到CM濾波器的設(shè)計(jì)可能有些棘手。但是，減少電場(chǎng)干擾的最有效方法是使用簡(jiǎn)單的電纜屏蔽層。屏蔽層會(huì)產(chǎn)生干擾，從而更均勻地“分配”兩條導(dǎo)線，但更顯著的優(yōu)勢(shì)是，它可充當(dāng)法拉第籠。這會(huì)導(dǎo)致干擾產(chǎn)生更低的CM電壓，并且通常意味著差分放大器在“苛刻”的環(huán)境中可以更好地應(yīng)對(duì)。
但是，必須將屏幕接地才能獲得最大增益。接收端接地是首選方法。兩端接地是一個(gè)不錯(cuò)的主意，但它變成了一個(gè)接地回路，可以潛在地從“其他電源”傳導(dǎo)故障電流。因此，這通常比解決方案成為更多的問(wèn)題，但是在某些情況下，低值電容器可能會(huì)在多個(gè)點(diǎn)將電纜屏蔽層“接地”。它們的低值為故障電流提供了對(duì)地的高阻抗，但為高頻噪聲提供了低阻抗。
扭絞電纜中的兩根電線可確保兩根電線與任何局部干擾源（電場(chǎng)或磁場(chǎng)）的距離大致相等。但是，考慮到電纜屏蔽層對(duì)任何主要的干擾磁源的影響都很小，因此加捻會(huì)帶來(lái)更大的好處。