与遥感器接口时避免噪音

远程传感器接口时与拾音有关的问题。一个很好的起点是我们许多人都熟悉的电路，但由于在处理诸如电场干扰之类的主要噪声源方面非常差而广为人知。

非差分运算放大器接口

在此示例中，远程传感器（未接地）通过电缆连接到单端运算放大器。 

如果添加来自外部电场的瞬态干扰，我们将在下图中看到，这对电缆中的两根导线的影响不同：

由于两条线对地的阻抗不同，因此红色瞬态电压会有所不同。同相输入端的瞬变会更小，因为能量将直接传导到地面。串联电阻的值将决定输入反相输入的导线上的瞬态。另外，不能依靠传感器的输出阻抗。它可以在某种程度上均衡瞬态（在电缆的末端），但不能平衡运算放大器端的差异。

瞬态电压的这种差异将被运算放大器（以及所需信号）放大，从而产生噪声输出。

使用差分放大器

如下图所示，通过使用差分连接的运算放大器可以大大改善这种情况：

由于两条线上对地的阻抗是平衡的，因此馈入差分放大器的红色瞬态电压是相同的。这样可以消除噪声，并且运算放大器的输出将是干净的。如果使用的电阻值不完全相同，则阻抗不平衡会很小。但是，运算放大器的输出噪声仍将比使用非差分放大器电路时小得多。

传感器阻抗失衡

以前，假定传感器是浮动的，但情况并非总是如此。传感器的输出阻抗（X）可能会成为问题。请考虑以下情形：

现在，由于上部电线上的传感器输出阻抗（X），电缆中的两条电线对地的阻抗不同。这意味着电场干扰将在差分放大器的输入端产生不同的瞬态电压，并导致运算放大器输出端出现噪声。

为了解决这个问题，我们需要用另一个与传感器的输出阻抗（X）匹配的电阻器来“阻抗平衡”传感器的输出：

阻抗平衡得以恢复，运算放大器输出将再次基本无噪声。这是一个平衡的阻抗传输系统。无论您是尝试测量来自传感器的模拟信号还是为远程数字信号提供接口，基本方法都是相同的。

增加免疫力

尽管上面的最后一个场景描绘了一个乐观的画面，但是会降低性能的一件事是运算放大器在较高频率下的共模抑制（CMR）性能。我们一直在讨论外部电场干扰问题，这些问题可以归结为通过小容量电容器将干扰源连接到两根导线上的等效问题。这意味着，由于较低的电容电抗，干扰在较高的频率下往往会更大。换句话说，噪声耦合在高频下更为重要。

通过查看两个预期运算放大器的数据表，我们可以看到CMR的问题。为了进行比较，我看一下OP07和OP1177器件：

两种器件的失调电压和误差相似。两者都支持大约相同的电源范围。因此，它们都可以考虑用于此类应用程序。但是，如果我们看一下CMR图，就会开始明白为什么OP1177更好。

在1 kHz时，OP07 CMR约为93 dB，而对于OP1177，约为110 dB。当然，对于OP07，93 dB的数字还不错。那就是共模电压的45,000：1抑制。但是，该问题开始在较高频率处显示出来。在10 kHz时，OP07的CMR约为73 dB（约4,500：1），而在25 kHz以上时，曲线结束，因此我们不能依赖于较高频率下的抑制性能。

OP1177的最高频率可达10 MHz，最低CMR为60 dB。那是1000：1的拒绝率。如果我们将高达07 MHz的OP-07运算放大器的CMR图直线投影，则在10 MHz时我们可能只会看到3 dB的抑制。我并不是说对OP-07进行数字评估是公平的，但是我们还能如何与OP1177进行比较。如果MHz范围的频率主导了电场噪声，那么我们可以选择一个可以处理此问题的运算放大器，或者考虑使用CM滤波器。

共模（CM）滤波器

因为OP07比OPA1177便宜，所以如果我们可以在输入端添加一个共模（CM）滤波器，我们仍然可以考虑使用它。最简单的方法是在差分放大器之前，将每条输入线的电容器接地。我们还必须意识到，如果使用内部放大器，这可能会使传感器输出不稳定，因此，我们将在电路上增加两个串联电阻（Y），如下电路图所示：

首先，让我们谈谈添加CM过滤器的弊端。添加的电容器的容差意味着它可能会使CMR降低。假设有相等的CM噪声电压（在滤波器之前的红色圆圈上显示），然后在滤波器之后（每个电容器上）显示。在这种情况下，如果我们使用5％容差的电容器，则可能会有10％的电平不相等。也就是说，一个电容器的值可能低5％，而另一个电容器的值可能高5％，这会导致差分电压，在最坏的情况下，该电压可能是CM电压的10％。这是添加CM滤波器的缺点-对于5％的电容器，它会产生大约-20 dB的差分噪声水平。

好处是，滤波会大大削弱CM电平，因此即使较小的电平未得到精确平衡，我们仍可能会受益。因此，在此示例中，要使CM净降低60 dB，将要求低通RC滤波器的衰减为80 dB。如果将电阻（Y）选择为10kΩ，则电容电抗将需要为1Ω，以将不想要的CM噪声降低80 dB。

如果我们将1 kHz作为希望衰减的频率，则意味着电容器需要为159 F，这显然太大了，无法证明是合理的。寻找便宜的5％这个值的电容器也是有问题的。这样就可以将添加的电阻（Y）设置在1000kΩ的范围内。但是，无论我们选择什么电阻值，都无法避免CM滤波器也会将所需的传感器信号带宽限制为0.1 Hz。 

因此，在许多应用中，当我们试图寻找基于性能较低的运算放大器的解决方案时，我们正在与一场失败的斗争。话虽这么说，但在某些应用中，OP1177运算放大器可能仍需要进行CM滤波，但是直到我们达到1 MHz以上的频率时，才需要“滤波”这种滤波。在1 MHz且Y = 10kΩ时，电容电抗为1Ω，这意味着电容为159 nF。但是，仅在100 Hz时，信号带宽仍然相对较差。

请记住，这只是一个示例，它表明了认为CM滤波器是解决噪声问题的灵丹妙药的陷阱。它们的设计可能很棘手，从长远来看，选择更好的运算放大器通常更便宜。

磁场干扰

假设干扰电流（橙色）在每根电缆线中感应出相等的电压，那么我们之前针对电场干扰所考虑的解决方案对于抵抗磁场干扰同样有效：

干扰电流将在两条电缆线上感应出电压。由于整个电路的平衡阻抗，在差分放大器的输入端，感应电压的幅度将相等。您有一个带有两个次级绕组的松散耦合变压器。初级是干扰电流，显示为橙色线，如果两个“次级”（电缆线）均受到同等的电气负载（它们是负载），则它们将产生相同的CM端子电压。因此，噪声将在差分放大器输出处消除。

屏幕和曲折

以前，我们已经看到CM滤波器的设计可能有些棘手。但是，减少电场干扰的最有效方法是使用简单的电缆屏蔽层。屏蔽层会产生干扰，从而更均匀地“分配”两条导线，但更显着的优势是，它可充当法拉第笼。这会导致干扰产生更低的CM电压，并且通常意味着差分放大器在“苛刻”的环境中可以更好地应对。 

但是，必须将屏幕接地才能获得最大增益。接收端接地是首选方法。两端接地是一个不错的主意，但是它变成了一个接地回路，可以潜在地从“其他电源”传导故障电流。因此，这通常比解决方案成为更多的问题，但是在某些情况下，低值电容器可能会在多个点将电缆屏蔽层“接地”。它们的低值可为故障电流提供对地的高阻抗，但为高频噪声提供低的阻抗。

扭绞电缆中的两根电线可确保两根电线与任何局部干扰源（电场或磁场）的距离大致相等。但是，考虑到电缆屏蔽层对任何主要的干扰磁源的影响都很小，因此加捻会带来更大的好处。