运算放大器在强电磁干扰下会出现什么变化？

一、为什么要讨论运算放大器的电磁干扰抑制性能

集成运算放大器对于输入信号差分放大工作性能会受到很多因素的影响。包括工作电压、环境温度、输入的共模信号、偏置电压、电流的变化等等。其中有一类干扰往往开始不会受到重视，那就是对环境中的电磁干扰（EMI:Electromagnetic Interference）。

在现代集成运算放大器工作环境中，周围的强的、高频的电磁干扰源逐步增多，包括有板上的开关电源、周围的无线通信模块等，响应的干扰电磁波频域会从10MHz一直扩展到6GHz。

在前几天有同学在留言中写到自己的一个经历，曾经在自行搭建的基于LM386音频功放电路调试过程中，有功放里传出了当地调频电台的声音。这说明所设计的电路对于周围环境存在的强高频电磁干扰的免疫能力比较低，输出信号中包括了这些干扰信号的（解调后）的成分。

同样的经历在我调试一个线圈传感器放大电路的时候也遇到过，放大电路是被傍边的WIFI数据传送模块干扰，在输出的平滑直立信号中夹杂着一些短促的脉冲信号。

下面通过实验和理论研究，回答以下几个问题：

1. 普通的运放在收到强电磁干扰后会出现什么样的输出变化；
2. 这种干扰的大小与电磁信号的频率有什么关系？
3. 如何获得集成运算放大器的电磁干扰抑制性能参数；
4. 如何提高所设计电路的电磁干扰抑制性能？

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二、集成运放在强电磁干扰下会出现什么样的输出变化

1. 实验研究方法

直接使用一个强电磁干扰源，在普通的运发附近，通过示波器和万用表测量运放的输出在强电磁干扰下的变化情况。

为了方便起见，使用面包板作为电路的搭建平台。由于手边的多个低功耗的运算放大器都是标贴封装的（SOT23, SOP8），通过快速制版获得一个转接板。将运算放大器的引脚形成间距为100mil的排线插针，方便安置在面包板上。

^{测试电路板及其快速制版PCB}

下面是制作完成之后，将LMV321（单集成运发，Rail-Rail, 5V），LMV385（双集成运发，Rail-Rail，5V）, LM386 (音频小功率放大器）,焊接在转接板上。

^{快速制版之后，焊接完毕的电路板}

下图是三种转接板的电路原理图。很简单。在转接板上还配有电源的滤波电容。

^{电路的原理图以及对应的焊接外部引脚功能定义}.

2. 测试实验环境和电路

（1）实验环境

实验电路使用LMV321作为测试的运算放大器。将其连接成跟随器的形式。电路的增益为1。这样设置可以通过测量输出（PIN4）的电压变化，反过来得到运动放大器输入端口的偏置电压的变化。

^{实验运放为LMV321低功耗轨到轨OPAMP}

(2) 高频电磁干扰源

无线射频干扰源使用手边的无线对讲机。它的输出功率为不太清楚，应该在1W以上。工作频段为460MHz。

在实验室中打开对讲机，可以明显感到附近的示波器、万用表、音箱等设备有相应的干扰现象。

^{作为射频干扰源的无线对讲机}

(3) 干扰实验结果

使用对讲机，在实验室内打开，就会在示波器和频谱仪上出现460MHz的干扰信号。虽然这些设备没有直接与对讲机的相连，由于对讲机的功率很大，所以通过空间耦合，这个射频信号还是进入了示波器和频谱仪的输入端口。

将示波器探头连接在探头上的底线，形成一个环路。可以耦合到空间中的电磁场的信号。

^{直接将示波器的底线与探头连在一起，形成一个环路，可以耦合空间的电磁波}

在对讲机打开之后，直接可以在示波器上看到空间耦合所得到的460MHz的射频信号。它的峰峰值可以高达1V左右。由于示波器的输入阻抗很大，所以实际进入示波器探头的功率比较小。
^{对讲机打开后在示波器上出现的460MHz的正弦信号波形}

下面是频谱仪在对讲机打开的时候接收到的460MHz的频谱。频谱仪的输入也仅仅是一段30厘米的导线，作为天线。
^{对讲机打开后在频谱仪上出现的460MHz的信号的频谱}

使用万用表直接测量LMV321的输出。万用表的的读数反映了LMV321输出直流分量的变化情况。

随着对讲机在电路附近的位置，方向的改变，LMV321的输出直流分量出现了较大的变化。几乎涵盖了整个工作电源的范围。
^{对讲机在打开后，在附近移动，引起LMV321输出电压的变化}

对比一下LM386实验电路在对讲机射频干扰下的输出影响。

下面是实验电路的实物图和对应的LM386作为普通运放，工作在单电源下的参考电路。在左边的面包板上，仅仅是将它的电源线连接上。将Pin2(Invert Input)接地；PIN3(Non-Invert Input) 通过$20k\Omega$电阻接地。

在接通5V电源之后，LM386的输出在电源的一半（2.5V）左右，实际测量值为2.46V。

在实验电路板附近打开对讲机，使用示波器测量LM386的输出。

^{LM386音频功率放大器实验电路}

下面是LM386输出的波形。在对讲机开大之后，输出存在高频信号，同时输出的平均值出现了波动，主要是往下波动。平均值的大小受到对讲机与实验电路板之间的距离、方向的影响。
^{LM386运放在对讲机打开的情况下输出的变化}

3. 对于电磁干扰下运算放大电路变化分析

根据上面的实验可以看出，运算放大器在没有做任何的防护的时候，外部的高频电磁干扰信号可以通过空间的耦合进入电路网络中的任何一个分支。相对于进入集成运算放大的工作电源端口、信号输出端口以及其它的辅助端口：放大器增益调整、零偏调整、频率响应校正的专用端口外，电磁干扰信号通过集成运算放大器的输入端口对于IC影响是最大的。

高频信号虽然也出现在运放的输出端口，但此时它们已经不是被放大，而是被压制（缩小）。输出信号的低频分量（直流分量）则会受到附近对讲机发送的强高频电磁干扰信号的影响。输出的中心工作点有可能下降，也有可能上升。

消失运算发电器被周围电磁干扰型号的影响，一方面可以选择适当的电路拓扑结构，另外增加电路中对于输入、输出端口检查的力度。三就是选择高的EMITT集成运算放大器，在相同的外部环境下，高的EMIRR集成运算放大器会对附近的高频电磁干扰不敏感。

关于推文前面提出的四个问题的另外三个问题，后面分别通过新的博文进行讨论。

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