自制雷電檢測器來了解 EMI

九月份，亞利桑那州南部的季風季節(jié)剛剛結束。每年這段時間都會出現(xiàn)短暫而猛烈的風暴，并伴有大量雷電。這是自然界最壯觀的電磁干擾 (EMI) 源之一。

最近的一次風暴讓我不禁想到我們高精度系統(tǒng)所面臨的 EMI 挑戰(zhàn)。我不知道在實際中我能不能將 EMI 化弊為利，用于檢測雷暴中的雷電。

構建一款天線

我需要用天線將雷電的輻射 EMI 轉換為傳導至我放大器輸入端的信號。我在 PCB 上構建了一個環(huán)形天線（4.65 平方英寸，8 圈），電感量為 20μH，可使用 12pF 電容器將其調諧為 10.27MHz。

TI基于 SPICE 的模擬仿真程序 TINA-TI 的仿真可顯示我天線電路的輸出。這里的天線電路使用脈沖電流源 (IGl) 激發(fā)，可代表雷電磁場環(huán)路中感應的電流。

圖1

通過自做雷電檢測器來了解 EMI

經(jīng)調諧的天線電路（下方紅色）對代表雷電的輸入電流脈沖（上方綠色）的響應

天線電路可產(chǎn)生一個 10.27MHZ 的正弦波。這將用作放大器的輸入 EMI 信號。

放大器電路設計
EMI 抑制比 (EMIRR) 可衡量放大器抑制將 EMI 轉換為 DC 失調的能力。設計人員通常可選擇支持高 EMIRR 的放大器來避免 EMI 問題。不過這種情況與我想要的恰恰相反。OPA347 沒有輸入 EMI 濾波器，在 10MHz 頻率下其 EMI 抑制性能較弱（大約 13.5dB）。有了這些參數(shù)，我認為它將構建非常優(yōu)異的雷電檢測器。

SBOA128 應用報告提供的方程式可用來計算一個輸入 EMI 信號所產(chǎn)生的失調。例如，我們可計算 10mV-pk 10MHz 輸入信號條件下的 OPA347 輸入?yún)⒖际д{的變化值。

通過自做雷電檢測器來了解 EMI

現(xiàn)在，211Μv 可能看似不大，但如果放大器配置為高增益，EMI 可能就會嚴重影響輸出電壓。

我使用該拓撲將 OPA347 的增益配置為 100，如圖 2 所示。（該拓撲的設計方程式可點擊這里。）耦合電容器 C2 與直流偏置電阻器 R1 和 R2 可共同構成一款高通濾波器來消除電源干擾。

圖2：

完整的雷電檢測器原理圖。

好戲即將開始

收到該電路的原型 PCB 后（圖 3），我在我家后院安裝好檢測器，等雷暴到來時監(jiān)測放大器的輸出。

圖3

雷電檢測器原型。該 PCB 包括一個示波器觸發(fā)器和一個單觸發(fā)電路，用于釋放相機快門

圖 4 是放大器在強風暴活動中的輸出。放大器輸出電壓會在每次雷擊時下降。這種變化的幅度與 EMI 強度成正比，強度越大、距離檢測器越近的閃電會產(chǎn)生最大的電壓下降。特別強的閃電造成了輸出偏移 728mV（0.189 秒），然后是一系列較弱的放電。

圖4

在 7 月 27 日風暴中取得的樣本數(shù)據(jù)。放大器輸出的驟降表明有閃電放電

將來我準備用這款電路板觸發(fā)我的相機為雷電拍照。EMI 整流對工程師而言可能是一個大問題，不過有時我們可將其化弊為利。

需要EMIRR 信息嗎？
近年來我們開始在我們的新放大器產(chǎn)品說明書中加入 EMIRR 曲線。此外，我們也在為加入該曲線前開發(fā)的眾多產(chǎn)品提供報告。到時，這些報告會出現(xiàn)在產(chǎn)品說明書的產(chǎn)品頁面上，標題為“EMI 抗擾性能”。

圖5