自制雷电检测器来了解 EMI

九月份，亚利桑那州南部的季风季节刚刚结束。每年这段时间都会出现短暂而猛烈的风暴，并伴有大量雷电。这是自然界最壮观的电磁干扰 (EMI) 源之一。

 

 

最近的一次风暴让我不禁想到我们高精度系统所面临的 EMI 挑战。我不知道在实际中我能不能将 EMI 化弊为利，用于检测雷暴中的雷电。

构建一款天线

我需要用天线将雷电的辐射 EMI 转换为传导至我放大器输入端的信号。我在 PCB 上构建了一个环形天线（4.65 平方英寸，8 圈），电感量为 20μH，可使用 12pF 电容器将其调谐为 10.27MHz。

TI基于 SPICE 的模拟仿真程序 TINA-TI 的仿真可显示我天线电路的输出。这里的天线电路使用脉冲电流源 (IGl) 激发，可代表雷电磁场环路中感应的电流。

图1

 

 

经调谐的天线电路（下方红色）对代表雷电的输入电流脉冲（上方绿色）的响应

天线电路可产生一个 10.27MHZ 的正弦波。这将用作放大器的输入 EMI 信号。

放大器电路设计
EMI 抑制比 (EMIRR) 可衡量放大器抑制将 EMI 转换为 DC 失调的能力。设计人员通常可选择支持高 EMIRR 的放大器来避免 EMI 问题。不过这种情况与我想要的恰恰相反。OPA347 没有输入 EMI 滤波器，在 10MHz 频率下其 EMI 抑制性能较弱（大约 13.5dB）。有了这些参数，我认为它将构建非常优异的雷电检测器。

SBOA128 应用报告提供的方程式可用来计算一个输入 EMI 信号所产生的失调。例如，我们可计算 10mV-pk 10MHz 输入信号条件下的 OPA347 输入参考失调的变化值。

 

 

 

现在，211Μv 可能看似不大，但如果放大器配置为高增益，EMI 可能就会严重影响输出电压。

我使用该拓扑将 OPA347 的增益配置为 100，如图 2 所示。（该拓扑的设计方程式可点击这里。）耦合电容器 C2 与直流偏置电阻器 R1 和 R2 可共同构成一款高通滤波器来消除电源干扰。

图2：

 

 

完整的雷电检测器原理图。

好戏即将开始

收到该电路的原型 PCB 后（图 3），我在我家后院安装好检测器，等雷暴到来时监测放大器的输出。

图3

 

 

雷电检测器原型。该 PCB 包括一个示波器触发器和一个单触发电路，用于释放相机快门

 

图 4 是放大器在强风暴活动中的输出。放大器输出电压会在每次雷击时下降。这种变化的幅度与 EMI 强度成正比，强度越大、距离检测器越近的闪电会产生最大的电压下降。特别强的闪电造成了输出偏移 728mV（0.189 秒），然后是一系列较弱的放电。

图4

 

 

在 7 月 27 日风暴中取得的样本数据。放大器输出的骤降表明有闪电放电

将来我准备用这款电路板触发我的相机为雷电拍照。EMI 整流对工程师而言可能是一个大问题，不过有时我们可将其化弊为利。

需要EMIRR 信息吗？
近年来我们开始在我们的新放大器产品说明书中加入 EMIRR 曲线。此外，我们也在为加入该曲线前开发的众多产品提供报告。到时，这些报告会出现在产品说明书的产品页面上，标题为“EMI 抗扰性能”。

图5

 

 

显示找到补充性 EMI 抗扰性能报告所在位置的截屏

如果您考虑使用的放大器没有提供这方面的特性，可访问我们的高精度放大器论坛，让我们为您测试其特性。这里就是我为一位寻求帮助的客户提供的曲线。

图6

 

 

应客户要求测量的 OPA347 EMIRR 曲线

如欲了解有关 TI 高精度模拟专家每周提供的小窍门、诀窍、技巧，敬请访问我们的博客。