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技術(shù)專題
遠程傳感器接口時避免噪音
本文探討了與遠程傳感器接口時與噪聲拾取相關的問題。一個很好的起點是我們許多人都熟悉的電路，但由于它在處理諸如電場干擾之類的主要噪聲源方面非常差而廣為人知。
非差分運算放大器接口
在此示例中，遠程傳感器（未接地）通過電纜連接到單端運算放大器。
如果我們添加來自外部電場的瞬態(tài)干擾，我們將在下圖中看到，這對電纜中的兩根導線的影響不同：
由于兩條線對地的阻抗不同，因此紅色瞬態(tài)電壓會有所不同。同相輸入端的瞬變會更小，因為能量將直接傳導到地面。串聯(lián)電阻的值將決定輸入反相輸入的導線上的瞬態(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），但不能平衡運算放大器端的差異。
瞬態(tài)電壓的這種差異將被運算放大器（以及所需信號）放大，從而產(chǎn)生噪聲輸出。
使用差分放大器
如下圖所示，使用差分連接的運算放大器可以大大改善這種情況：
由于兩條線上對地的阻抗是平衡的，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，則阻抗不平衡會很小。但是，運算放大器的輸出噪聲仍將比使用非差分放大器電路時小得多。
傳感器阻抗失衡
以前，假定傳感器是浮動的，但情況并非總是如此。傳感器的輸出阻抗（X）可能會成為問題。請考慮以下情形：
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地的阻抗不同。這意味著電場干擾將在差分放大器的輸入端產(chǎn)生不同的瞬態(tài)電壓，并導致運算放大器輸出端出現(xiàn)噪聲。
為了解決這個問題，我們需要用另一個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，運算放大器輸出將再次基本無噪聲。這是一個平衡的阻抗傳輸系統(tǒng)。無論您是嘗試測量來自傳感器的模擬信號還是為遠程數(shù)字信號提供接口，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樂觀的畫面，但是會降低性能的一件事是運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干擾問題，這些問題可以歸結(jié)為通過小容量電容器將干擾源連接到兩根導線上。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更大。換句話說，噪聲耦合在高頻下更為重要。
通過查看兩個預期的運算放大器的數(shù)據(jù)表，我們可以看到CMR的問題。為了進行比較，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用程序。但是，如果我們看一下CMR圖，就會開始明白為什么OP1177更好。
在1 kHz時，OP07 CMR約為93 dB，而對于OP1177，約為110 dB。當然，對于OP07，93 dB的數(shù)字還不錯。這就是共模電壓的45,000：1抑制。但是，該問題開始在較高頻率處顯示出來。在10 kHz時，OP07的CMR約為73 dB（約4,500：1），在25 kHz以上時，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10 MHz，最低CMR為60 dB。那是1000：1的拒絕率。如果我們對高達10 MHz的OP-07運算放大器進行直線投影CMR圖，則在10 MHz時我們可能只會看到3 dB的抑制。我并不是說對OP-07進行數(shù)字評估是公平的，但是我們還能如何與OP1177進行比較。如果MHz范圍的頻率主導了電場噪聲，我們可以選擇一個可以處理此問題的運算放大器，或者考慮使用CM濾波器。
共模（CM）濾波器
因為OP07比OPA1177便宜，所以如果可以在輸入端添加一個共模（CM）濾波器，我們可能仍會考慮使用它。最簡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。我們還必須意識到，如果使用內(nèi)部放大器，這可能會使傳感器輸出不穩(wěn)定，因此，我們將在電路上增加兩個串聯(lián)電阻（Y），如下圖所示：
首先，讓我們談談添加CM過濾器的弊端。添加的電容器的容差意味著它可能會使CMR降低。假設有相等的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，則可能會有不相等的電平達到10％。也就是說，一個電容器的值可能低5％，而另一個電容器的值可能高5％，這會導致差分電壓，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-對于5％的電容器，它會產(chǎn)生大約-20
dB的差分噪聲水平。
好處是，濾波會嚴重削弱CM級別，因此即使較小的級別無法精確平衡，我們?nèi)钥赡軙芤?。因此，在此示例中，要?span>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，無法證明是合理的。尋找便宜的5％這個值的電容器也是有問題的。這樣就可以將添加的電阻（Y）設置在1000kΩ的范圍內(nèi)。但是，無論我們選擇什么電阻值，都無法避免CM濾波器也會將所需的傳感器信號帶寬限制為0.1 Hz。
因此，在許多應用中，當我們試圖尋找基于性能較低的運算放大器的解決方案時，我們正在與一場失敗的斗爭。話雖如此，但在某些應用中，OP1177運算放大器可能仍需要進行CM濾波，但是直到我們達到1 MHz以上的頻率時，才需要“濾波”這種濾波。在1 MHz且Y = 10kΩ時，電容電抗為1Ω，這意味著電容為159 nF。但是，信號帶寬在100 Hz時仍然相對較差。
請記住，這只是一個示例，它表明了認為CM濾波器是解決噪聲問題的靈丹妙藥的陷阱。它們的設計可能很棘手，從長遠來看，選擇更好的運算放大器通常更便宜。
磁場干擾
假設干擾電流（橙色）在每根電纜線中感應出相等的電壓，那么我們之前針對電場干擾所考慮的解決方案對于抵抗磁場干擾同樣有效：
干擾電流將在兩條電纜線上感應出電壓。由于整個電路的平衡阻抗，在差分放大器的輸入端，感應電壓的幅度將相等。您有一個帶有兩個次級繞組的松散耦合變壓器。初級是干擾電流，顯示為橙色線，如果兩個“次級”（電纜線）均受到相同的電負載（它們是負載），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濾波器的設計可能有些棘手。但是，減少電場干擾的最有效方法是使用簡單的電纜屏蔽層。屏蔽層會產(chǎn)生干擾，從而更均勻地“分配”兩條導線，但更顯著的優(yōu)勢是，它可充當法拉第籠。這會導致干擾產(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)境中可以更好地應對。
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。兩端接地是一個不錯的主意，但它變成了一個接地回路，可以潛在地從“其他電源”傳導故障電流。因此，這通常比解決方案成為更多的問題，但是在某些情況下，低值電容器可能會在多個點將電纜屏蔽層“接地”。它們的低值為故障電流提供了對地的高阻抗，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（電場或磁場）的距離大致相等。但是，考慮到電纜屏蔽層對任何主要的干擾磁源的影響都很小，因此加捻會帶來更大的好處。