模拟电路的抗扰度设计

ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　Ｗ０ＲＬＤ·　广东省电子电器研究所袁妙玲　【摘要】本文围绕模拟电路的抗扰度设计，对抗干扰设计的问题，消除解调噪声问题的设计方法，其它模拟电路抗扰度设计技术，模拟器件　的选择等方面进行了初步的分析和探索。　【关键词】模拟电路；抗扰度设计；器件选择　波和屏蔽，模拟电路暴露于射频信号中时应尽量线性和稳定。　运放的积分回路（输出至输入反相端的积分电容）是所有反馈　结构中最不稳定的，也最容易引起射频解调问题。这是由高频相位　裕量不足，以及ＩＣ引线框架和连接线电感和输入晶体管电容造成的　１．引言　随着各国对进口的电子产品抗干扰性能的日益重视，模拟电路　的抗干扰设计技术成为制约我国电子产品出口的瓶颈。很多制造商　相位漂移和谐振引起的。采用单位稳定增益的运放通常可以掩饰这　个问题，但无法根除。　到了认证阶段才意识到抗干扰技术的重要性，但到了认证阶段才着　手处理产品的抗干扰问题，往往是事倍功半。　本文针对上述问题，提出在产品设计阶段的抗干扰设计一般方　法及在产品元器件选择方面中要注意的问题，指导从元器件采购及　产品设计阶段解决抗干扰的问题。　要使暴露于射频信号中的模拟电路尽量线性和稳定通常采用图　２所示的方法进行调试。将被测回路的所有输入输出滤波器及负载　去掉，然后经５０欧的源从输入端注入快速上升（上升时间小于ｌ纳　秒）的方波。经小电容从输出或电源端注入亦可。在回路输入端必　须端接５０欧电阻以保证方波形状。设置测试信号幅值，使输出的电　压峰一峰值为最大值的３０％，为避免削波，基本频率要接近设计通频　２。模拟回路抗干扰设计的问题　很多模拟Ｉｃ最大的抗干扰问题在于解调和互调射频噪声超出工　作的线性频率范围，而目前还没有预测这一问题的数据库。一般来　说，双极运放的抗扰度ｔ：￣ＢｉＦＥＴ（双极．场效应晶体管）高２０ｄＢ左　右。本文所述的是传统的一般运放。即使是很“慢”的运放，不管　采用哪种反馈模式，每个管脚对射频干扰都很敏感。　所有的半导体当中都存在依据非线性统计特性进行的射频解调　带的中心频率。使用至少３００ＭＨｚ的示波器和探头来观察回路输出　的压摆率、超调和振荡。对于高频模拟电路，使用适合的高频示波　器及相应的高速探头技术。调整反馈回路使步进速度最大，超调量　最小（超出信号额定量的５０％视为不稳定。长时间振荡如超过两个　周期或脉冲振荡也视为不稳定），使回路更快更具线性。　和互调。模拟电路不像数字电路那样有设计良好的噪声阈值，因此解　调和互调是个常见的问题。一些低频电路设计者并未意识到，即使是　“慢”的运放，它的解调噪声也可能达到或超出手机频率，图ｌ所示　的是使用ＬＭ３２４的运放设计电路的辐射抗扰度测试示例。使用１ｋＨｚ　调制的射频测试信号。结果显示尽管运放的ＧＢＷ仅为１ＭＨｚ，它处在　ｌＧＨｚ的射频场中造成的输出错误，要ＬＬ５００ＭＨｚ的严重。　¨ｆ　／　三一图１　　图２　要使反馈回路达到稳定，通常可以在反馈环外加小电阻或扼流　圈补偿容性负载。小的反馈电容比￣ｔｌ；１４．７ｐＦ比较稳定，积分型的反　馈回路通常需要在每个超过１０ｐＦ的积分反馈电容上串接小电阻。　ＰＣＢ的布板和走线也是很重要的因素，通常０Ｖ的地平面十分关键。　不同批次的ＩＣ稳定性能相差很大，在比正常运行温度大得多的　欧洲市场上几乎所有带ＣＥ标志的电子产品，都必须进行　范围中加热和冷却样品，如．３Ｏ至ｌ８０度，可以估计Ｉｃ的耐受极限，　确保在整个温度范围Ｉｃ都尽量快速和稳定。如果制造商的电路样品　可在整个温度范围做到快速、线性和稳定，就可以批量生产了。　射频辐射场的抗扰度测试，相关标准为ＩＥＣ６１０００—４—６ｆ频率范围　ｌ５０ｋＨｚ￣８０ＭＨｚ）和ＩＥＣ６１０００—４—３（频率范围８０ＭＨｚ￣１０００ＭＨｚ）。受　此影响的产品包括手提电话、音视频产品、仪器仪表等电子产品。　４。其他模拟电路抗扰度设计技术　３．消除解调噪声问题的设计方法　采用反馈环外的无源滤波，避免使用有源器件进行ＥＭＣ滤波和　在低频模拟电路中，可采用滤波和屏蔽措施抑制射频干扰以消　除解调噪声问题。但是单单采用这些技术会造成产品变大变重，增　加制造成本，降低产品竞争力。为避免解调噪声问题及不必要的滤　频带控制。在运放开环增益大于回路要求的闭环增益的频带，采用　积分反馈的方法比较有效。在快速、稳定和线性的回路中，所有的　（下转第１６７页）　电－￣ｍＲ－·１６５·　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　Ｗ０ＲＬＤ·　可以让端电压检测电路所获取的反电势延迟信号过零点信号直接　传输至ＭＣＵ之中。此时ＭＣＵ可以在转子转过的电角度为３Ｏ。的情　况下，通过Ｉ／Ｏ口发出的相应控制，完成ＰＷＭ信号占空比的调整，　ＰＷＭ信号占空比的调整也可以让直流电机中的功率ＭＯＳＦＥＴ管的　导通顺序得到改变，此时人们可以在对直流电机的转速和方向进行　控制的基础上，为电机的稳定运行及快速响应提供保障。　通过对无刷直流电机绕组相输出电压进行分析，我们可以发　现，输出电压中不仅包含有相电压，还含有大量的噪声引号。这些　噪声信号会影响反电势过零点信号检测的检测效率的精确度。在位　置检测输出之前增加滤波电容的措施也可以发挥出过滤噪声信号，　优化端电压检测电路的作用。　４．２电源模块的优化措施　以某型号无人机为例，该设备的电机驱动系统主控设备为　Ｃ８０５１Ｆ５００单片机，这一单片机的工作电压为３。３Ｖ．ＴＩ公司生产的　ＩＲ２１０１驱动模块是电机的驱动模块，该模块的电压为１２Ｖ，其所提供　的电源电压为２４Ｖ。针对电源故障问题对无人机设备正常运行的影　响，人们可以借助以下方式对电源模块进行优化：一是借助电阻分压　法优化电源模块；二是直接利用低电压输出模块；三是利用线性稳压　转换芯片完成电源模块的优化。在电源模块优化方面，电阻分压法存　在着功耗过高的缺陷。电机设备在功耗过高的情况下所产生的大量热　量也会严重影响直流电机驱动系统的可靠性。建立在无人机直流电机　电源开关技术基础之上的电源模块的工作效率相对较高，但是这一设　备也存在着抗干扰能力差和成本过高的问题，在无人机设备直流电机　驱动系统的需求数量相对较多的情况下，直接采用电源模块的电源模　块优化措施也并不具有可行性。线性稳压芯片是多旋翼无人机直流电　机驱动系统优化过程中常用的一种电源转换芯片。这种芯片所需的外　围元器件的数量相对较少。在多旋翼无人机直流电机驱动系统之中，　人们可以借助低电压差线性稳压器为系统提供电源。这一电源模块优　化技术具有着成本低，稳压功能强的特点，故而可以在多旋翼无人机　直流电机驱动系统优化过程中得到应用。　ｊ　４．３驱动模块１　Ｒ２１　０１阵列的优化　根据无人机直流电机驱动系统的特点，ＭＣＵ单片机所输出的　ＰＷＭ信号并不具备驱动ＭＯＳＦＥＴ功率管的通断的能力。在ＭＣＵ控制　信号与功率电路之间增加驱动电路的措施是对无人机直流电机驱动系　统进行优化的有效措施。如果无人机直流电机驱动系统之中应用有三　项全控电桥，相关人员可以在系统之中添加三种带有电压分所功能的　ＩＲ２１０１芯片。以ＩＲ公司生产的ＩＲ２１０１功率管芯片为例，该芯片的输出　电流在１００－２１０ｍＡ之间，每一个驱动芯片可以在两个不同的ＭＯＳＦＯＴ　功率管的开断过程中得到应用。这种芯片所具有的外围电路简单化　特点，可以让逻辑电路对功率器件的要求得到有效降低。　４．４功率管的优化措施　无人机直流电机系统功率管优化涉及到了源漏极电压、栅漏极电　压等多种因素。以ＭＯＳＦＥＴ管为开关器件的优化方案可以让开关器件　的响应速率得到提升。为避免驱动系统中出现的驱动电压不足问题，　人们可以在无人机直流电机驱动系统中应用６种ＭＯＳＦＥＴ管。　５．结论　无人机驱动系统在直流电机在多旋翼无人机自主飞行系统中发　挥着重要的作用。对端电压检测电路、电源模块和驱动模块１Ｒ２１０１　阵列进行优化，以让多旋翼无人机更好地在国防、农业等领域发挥　自身的作用。　【１】沈奥，周树道，王敏，彭舒龄，任尚书．多旋翼无人机流场仿真分　析Ｕ／ｏｒ］．飞行力学：卜５．　［２】朱球辉．多旋翼无人机的嵌入式自主飞行控制系统设计的研　究ｆｌ１．电子测试，２０１７（０４）：１７－１８．　【３】代君，管宇峰，任淑红．多旋翼无人机研究现状与发展趋势探讨Ⅱ】　．赤峰学院学报（自然科学版），２０１６，３２（１６）：２２－２４．　（上接第１６５页）　线路都要采用无源滤波器或其他噪声抑制措施。　模拟Ｉｃ和数字Ｉｃ一样要在电源端和电压参考管脚处用高质量的　８．小结　模拟电路的抗干扰要从模拟器件的选择阶段着手，选择ＥＭＣ性　能良好，参数稳定的器件对保证产品的质量至关重要。优秀的器件　加上良好的抗干扰设计才能保证批量生产的产品持续稳定符合认证　要求。模拟电路的抗干扰技术主要是要解决模拟ＩＣ解调和互调射频　噪声过高的问题，采用的方法可以是抑制或屏蔽干扰源，使暴露于　射频信号中的模拟线路尽量线性和稳定，滤波，接地，采用匹配良　好的传输线，采用平衡输入输出等方法。　参考文献　［１］威廉斯（英国）著．电磁兼容设计与测试［Ｍ】．电子工业出版社．　【２】尼曼（美国）著．电子电路分析与设计（第３版）模拟电子技术【Ｍ】．　清华大学出版社．　［３］ＩＥＣ６１０００—４—３：２００６　Ｔｅｓｉｔｎｇ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ—Ｒａｄｉａｔｅｄ，　ｒａｄｉｏ一丘Ｅ　】ｅｎｃｊ，，ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｉｍｍｕｎｉｔｙ　ｔｅｓｔ．　射频解耦器接地，模拟ＩＣ还需要低频电源解耦。在运放、比较器及　数据转换器的模拟电源端都要ＪＪＩ］ＲＣ或ＬＣ滤波。电源滤波器的转折　频率和斜率要补偿设备ＰＳＲＲ的转折频率和斜率，才能在整个频率　范围内使ＰＳＲＲ达到设计标准。传输线技术一般只应用于高频模拟　信号，此外，也可用于改善低频信号的抗干扰性能。匹配良好的任　何长度传输线就像性能很差的天线，不会从环境中引进太多噪声，　但是要注意避免采用高阻输入或输出。　由于大多数的干扰都是由共模电压和电流引起，而且大多数环境　电磁场干扰也是共模的，所以在模拟电路中采用平衡输入输出不但有利　于电磁兼容性能，而且能减少串扰。为避免由噪声和干扰引起的错误输　出变换以及搭接点附近的振荡，必须使用有一定正反馈的比较器。　５．模拟器件的选择　购买Ｉｃ时，需要对器件进行抗扰度测试评估，避免在项目初期　选择错误的芯片。　不同批次的模拟ＩＣ在ＥＭＣ干扰和抗扰特性方面都显著不同，　可以通过进货检查来判断新批次的ＩＣ是否发生了ＥＭＣ性能改变，此　外，大量生产的ＩＣ要采用样品ＥＭＣ￣ｔＪ试的方法提前查出运输造成的　损坏及残次品，以便及早发现问题，避免经济损失。　对于敏感或高速的模拟器件通常需要向制造商索取ＥＭＣ或信噪　比方面的说明，以便于应用于前期的电路设计和布板。　［４］ＩＥＣ６１０００—４—６：２００３　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ—　Ｉｍｍｕｎｉｔｙ　ｔｏ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ．ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｒａｄｉｏ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｆｉｅｌｄｓ．　作者简介：　袁妙玲（１９８０一），女，大学本科，毕业于杭州电子工业学　院，现供职于广东省电子电器研究所，主要研究方向为电子电器产　品的电磁兼容测试、整改与认证。　毫子心界·１６７·