低频模拟小信号的电磁兼容设计

WORK NOTE

低频蟆撅小信号的电磁兼容设计

在电子电器产品的电路设计中，无论是音视频信号还是各类传感器信号的处理，都属于低频模拟小信号的处理范畴。这些信号具有幅值低、频率低、连续变化的特点。

产品设计时为避免低频模拟小信号（以下简称小信号）受到电磁干扰影响，应针对小信号处理的各个环节加以考虑，包括连接电缆及接口的设计，电路设计，接地、屏蔽及滤波设计，印制电路板（PCB）设计等。

连掛电缆及搭口的设计

实际应用中，小信号从传感器或信号源可能需经过较长距离的传输才能到达信号接收端被放大和处理.接口及电缆设计，应避免小信号在传输过程中遭受环境电磁骚扰影响。

双绞线能有效地屏蔽外部磁场干扰，其屏蔽原理如图1所示。当有外部磁场存在时，双绞线相邻的环路感应的干扰电流大小近似相等，方向相反，能有效抵消。

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图1双绞线磁场屏蔽原理

传输电缆设计如下:当传输信号频率带宽低于io kHz,传输距离小于10m时，信号传输线一般仅需考虑低频磁场干扰影响，此时最佳的传输线缆为双绞线，信号线与其回线进行双绞，能有效屏蔽低频磁场干扰；当传输信号频率带宽高于10kHz小于1MHz（对带宽超过1MHz的信号，不在此文讨论范围），传输距离大于10m时，信号传输线除考虑低频磁场影响外，还需考虑电场的影响，此时最佳的传输线缆为外带屏蔽层的双绞线。为避免屏蔽层两端接地形成低频地环路干扰，线缆屏蔽层在信号源端浮地，在信号接收端与接收单元的金属外壳360。环接并通过其接地；若接收端无金属外壳，线缆屏蔽层应在接口处接其公共参考地。

当有多路信号需要传输时，若信号电平相差不大.可位于同一电缆中传输，此时，每路信号与其回流线单独双绞。为防止线缆中不同信号相互之间强耦合，不同绞线组单位长度扭绞次数应适当错开。若信号电平相差较大，或存在高灵敏度信号时，宜分开使用不同电缆传输。设计时还需注意，单芯屏蔽线没有低频磁场屏蔽效果，应尽量避免用作低频模拟信号传输；用于保护音频敏感电路的电缆屏蔽层仅允许一端接地，且永远不要把屏蔽层用作音频敏感信号的回线。

信号电缆使用屏蔽线缆时，若信号线缆屏蔽层在接收端与设备金属外壳360。环接并通过其接地，就能有效抑制环境中存在的高频连续干扰与脉冲干扰。当线缆使用非屏蔽双绞线或线缆屏蔽层效果有限时，则需在线缆与设备的接口处施加高频滤波电路抑制高频干扰及共模滤波电路抑制地环路干扰；同时，还需根据脉冲干扰的特点施加相应脉冲干扰吸收器抑制ESD和EFT等脉冲类干扰。设计时,需注意此类滤波和吸收电路的位置：对金属外壳设备，此类电路应位于线缆进入金属机壳的入口处；若为非金属外壳设备，则位于线缆与电路板的接口处。

电路设计

一般电子设备低电平级电路是易受干扰电路，对单级放大电路，若信号源距离较远，其接地点一般选择为放大器端，使信号源与地隔离。这样可使放大器免受两端地电位差的影响，从而抑制了地环路噪声干扰。多级电路应采用串联式单点接地，其接地点选择在低电平级电路的输入端，以使电路受地电位差的干扰最小。

对高灵敏度小信号放大电路，减小放大器输入阻抗,可以有效抑制输入环路感应的噪声。长距离传输信号采用差分平衡放大电路，可以有效克服地环路噪声。

运算放大器背景噪声电平比晶体管高数倍以上，对微弱小信号前级放大可考虑设计为低噪声晶体管放大电路。运放的零漂会严重干扰直流微弱信号的时间和温度稳定性，对宜流放大器，建议采用斩波稳零放大器以抑制零漂。

放大器的带宽应与被放大信号带宽匹配，以控制放大器的带外响应。不要盲目追求高带宽，过高的带宽会将高频噪声放大甚至产生寄生振荡，劣化放大器的信噪比。

放大器的非线性会对调幅射频连续波解调而引入低频干扰。为了防止解调，电路的反馈回路需在宽频带范围内处于线性及稳定状态；尽可能增大放大器的线性动态范围，并使放大器始终工作在线性范围内，以减少非线性失真；同时，需要对容性负载进行合理缓冲。

当信号源与接收端距离比较远、源信号比较微弱时，为保证信号正确传递，应尽可能缩短信号传输线长度，以减小传输过程中可能引入的干扰；同时，应在输入端对信号进行差模和共模滤波，以滤除输入信号中混入的干扰；此外，还可能通过将微弱小信号在源端放大，以提高长距离传输信号的信噪比，较好抑制传输通道可能引入的干扰;或者，直接将A/D转换器前移到信号源端，使得信号源与

工程师日志

接收端之间传输的信号为数字信号，可以进一步提高传输通道的抗干扰能力。

音频模拟小信号放大器设计应重点关注以下几个方面：音频放大器应该用平衡输入式，并用屏蔽双绞线作输入信号线；用输入变压器来断开到远端音频输入电路的任何地环路；音频输入变压器应磁屏蔽，以免拾取电源磁场骚扰，变压器线圈初次级间应有效的静电屏蔽隔离;音频增益控制应在高增益前置放大器之后，否则，音频增益控制走线上的噪声和骚扰将拾取电平成为低电平输入信号的可观部分；音频放大器若用开关电源，需使用20kHz或更高的开关频率。

搭地、屏蔽及滤波设计

在工作频率小于1MHz的低频模拟电路中，其布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用单点接地，以减少地环路引入的干扰。

需要注意的是，单点接地时，当信号接地线厶过长，与电路输入信号的波长2相比拟时（Z＞〃20）,需将输入信号当作高频信号处理，应选择就近多点接地。

若电路中有大量需要单点接地的单元，且每处需要单点接地的单元均单独并联连接到公共接地点.具体实施时可能因接地线过多而无法执行。实际应用中应根据单点接地各单元的特点，对相互影响比较小的单元电路接地线先就近连接在一起，再一起连接到指定的公共参考接地点，此种接地方式称之为串联式单点接地；对相互影响比较大的单元电路，则分别直接连接到公共参考接地点，这种接地方式称之为并联式单点接地。

高灵敏度放大电路对辐射干扰极为敏感，可将PCB 板用金属屏蔽罩屏蔽起来，并将屏蔽罩焊接到PCB模拟地上。有些高增益精密模拟运放为防外来电场干扰可能自带金属屏蔽壳，将金属屏蔽壳接至运放的公共模拟地，以屏蔽外部电磁干扰。

当低频模拟处理电路为单独的PCB板时，为避免周围环境的电磁辐射影响.宜对整块电路板加以屏蔽，且选择的屏蔽外壳应为铁磁性材料的金属外壳，如由钢板、铁板弯折成型，外壳上不得有大的孔洞缝隙，以保证外壳的导电和导磁的连续性，且应良好接地。

由于低频模拟小信号对低频磁场极为敏感，只有铁磁性材料的外壳并保证导磁的连续性才能对低频磁场有良好的屏蔽作用;同时，电路对中高频的电场也敏感，所以，应保证外壳的导电连续性并良好接地。

穿过屏蔽外壳的小信号线若使用带屏蔽的双绞线,则屏蔽层与屏蔽罩保持360。良好的环接；对不带屏蔽的双绞信号线，应在进出屏蔽罩处加以滤波，以滤除线缆可能感应的外部干扰。

低频模拟电路在干扰环境使用时，所有输入、输出信号需恰当的低通和共模滤波，且只能使用无源滤波。对多级放大器或处理电路，各级之间应恰当进行差模和共模滤波，以抑制干扰在级间传递。

对信号线差模滤波设计时，应确保所使用的低通滤波器的截止频率大于信号频率上限，以避免影响有用信号的正确传递。当干扰与有用信号频率比较接近时，为有效抑制干扰，可能需要使用高阶滤波器，以增加过渡频率处的陡悄度。

为防止地环路噪声耦合到低频有用信号中去，在信号的输入端使用恰当的共模滤波是有必要的。

对模拟电路中的运放、比较器或A/D转换器的每个模拟正负电源引脚应有良好的隔离和对地高频滤波，以抑制电源噪声。通常情形下，RC滤波器比LC滤波器滤波效果更理想。

对有屏蔽外壳的电路，进出屏蔽外壳的信号和电源滤波电路应位于其进出外壳的接口处；对没有屏蔽外壳的电路，相应的滤波电路应位于线缆与电路板的接口处。

PD3设计

对低频模拟小信号PCB设计时，模拟小信号处理电路部分应采用单点接地方式，其公共接地点一般选择电源输入接口的地线引脚连接点。PCB布线应将小信号地与大电流地进行分离，使大电流不在小信号地线上流动，从而避免对其干扰。

PCB上既有高速逻辑电路，又有模拟小信号电路时，应使它们尽量分开，两者地线不得交叉互连，应分别与电源端地相连。低频电路地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地；高速逻辑电路宜采用多点就近接地，地线应短而粗。

部分PCB对顶层和底层走线的空白区域用接地的大面积铜进行填充，简称覆铜。由于覆铜不可避免形成大量的地环路，会对低频模拟小信号电路带来严重的干扰，一般情况下，禁止在PCB低频模拟小信号电路部分进行覆铜处理。

PCB设计时，为防止小信号受到高频高速及大信号的影响，宜将小信号处理电路单独制作PCB。下面以包含低频模拟电路、数字电路、A/D及D/A转换电路的模数混合电路板为例对PCB分区设计进行介绍。

①

首先对PCB分区：模拟电路元器件放置在模拟电路区，数字电路元器件放置在数字电路区，模数混合器件（如A/D及D/A器件）放置在两区域边界处，且让其模拟引脚部分位于模拟分区，数字（下转第48页）