自制雷電檢測器來了解 EMI

九月份，亞利桑那州南部的季風(fēng)季節(jié)剛剛結(jié)束。每年這段時間都會出現(xiàn)短暫而猛烈的風(fēng)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(fēng)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(shí)際中我能不能將 EMI 化弊為利，用于檢測雷暴中的雷電。

構(gòu)建一款天線

我需要用天線將雷電的輻射 EMI 轉(zhuǎn)換為傳導(dǎo)至我放大器輸入端的信號。我在 PCB 上構(gòu)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(diào)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(yīng)的電流。

圖1

通過自做雷電檢測器來了解 EMI

經(jīng)調(diào)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(yīng)

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(shè)計(jì)
EMI 抑制比 (EMIRR) 可衡量放大器抑制將 EMI 轉(zhuǎn)換為 DC 失調(diào)的能力。設(shè)計(jì)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(rèn)為它將構(gòu)建非常優(yōu)異的雷電檢測器。

SBOA128 應(yīng)用報告提供的方程式可用來計(jì)算一個輸入 EMI 信號所產(chǎn)生的失調(diào)。例如，我們可計(jì)算 10mV-pk 10MHz 輸入信號條件下的 OPA347 輸入?yún)⒖际д{(diào)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(yán)重影響輸出電壓。

我使用該拓?fù)鋵?OPA347 的增益配置為 100，如圖 2 所示。（該拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)方程式可點(diǎn)擊這里。）耦合電容器 C2 與直流偏置電阻器 R1 和 R2 可共同構(gòu)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(jī)快門

圖 4 是放大器在強(qiáng)風(fēng)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(qiáng)度成正比，強(qiáng)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(qiáng)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(fēng)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(zhǔn)備用這款電路板觸發(fā)我的相機(jī)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(biāo)題為“EMI 抗擾性能”。

圖5