家庭报警系统的抗电磁干扰传感器调节

　　在家中感到安全、舒适和有保障是所有家庭所必需的;如今，这一需求通过安装家庭报警系统得到了满足。随着家庭安防系统的发展，即使主人不在家，都能通过接收 SMS(短消息服务)获悉家中是否发生了意外事件。但是家庭报警系统带来了放心也带来了烦恼：要知道没有人希望总受到假警报的干扰。报警系统应该符合电子设备必须满足的某些抗干扰标准，事实上，在内置 GSM(全球移动通信系统)模块的系统中，各种传感器信号更易受到干扰。为了帮助设计抗干扰性更强的系统，美国国家半导体开发了增强版用于报警和其他系统中调节传感器信号的抗 EMI(电磁干扰)运算放大器。

　　报警系统概述


　　图1是家庭报警系统的框图，其中包含传感器(可以是有线或无线传感器)、微控制器、GSM模块和电源管理系统。可以使用的各类传感器包括：用于探测人的移动的 PIR(热电红外)传感器、门窗保护传感器、气体探测传感器、温度传感器和烟雾传感器。如框图所示，系统可以从 USB 端口或电池供电，即具有极低功耗，从而最大限度延长了电池的使用寿命。系统中各区块需要不同的电压轨，通过使用 LM3668 降压-升压直流/直流转换器和超低噪声LDO芯片 LP5900即可 实现，两款芯片都非常适合便携式应用。

　　为了监控温度，可以使用模拟温度传感器 LM94022。其低工作电流(典型值 5.4 μA)和 1.5V 的低供电电压都使其非常适合于低功耗的系统。

　　PIR 信号调节



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　　下面将详细介绍用于探测人体热量的热电红外传感器的信号调节电路。热电红外传感器的输出电压是感应到的红外射线的函数，其常规幅度从 0.5mV 到 1mV，频率由 0.02Hz 至 16Hz。图 2 显示用于调节传感器信号的电路，LPV521 中的两级提供了放大和带通滤波器功能。如 Bode 增益曲线所示，4Hz 时其放大倍数约为 2000 ，0.6 Hz 和 8 Hz 时的截止频率为 3 dB。LPV521 是用于构建有源滤波器的运算放大器，它是适合超长电池寿命的毫微功率级 552 nW 放大器。1.6V 到 5.5V 的工作电压范围，典型的 351 nA 电源电流，使其非常适合于远程传感器毫微功率应用。LPV521 具有设计精密的 CMOS 输入级，在 -40℃ 至 125℃ 的温度范围中远胜于同类器件的 50 pA 最大输入偏流，更提供了轨对轨输入输出性能。LPV521 是 PowerWise 系列产品的成员，具有优异的性能功率比。


　　R2 是负载电阻器，其值参见 PIR 传感器数据表，它主要用于将传感器输出电流转换为电压。

　　抗电磁干扰运算放大器如何工作

　　为了确保最大限度抑制错误警报，通常在一个报警系统中会集成广泛的电磁干扰滤除功能。在信号路径中，对电磁干扰最敏感的部分是传感器和运算放大器之间的接口。在这部分中，信号是具有超低振幅的模拟信号，长电缆线使其更易受到干扰。运算放大器和模数转换器 (ADC) 之间的接口的灵敏性较低，因为信号经过放大具有更高的振幅，线缆通常也更短。

　　由于关键点在传感器和运算放大器之间的接口，美国国家半导体推出了集成电磁干扰 (EMI) 滤波器的产品，通过降低射频 (RF) 干扰来确保模拟系统的精确度。

　　为了帮助识别抗电磁干扰运算放大器，数据表中需要使用新参数来量化运算放大器的抗电磁干扰性能。此量化指标显示了运算放大器抑制电磁干扰的能力，从而根据抗电磁干扰的能力和芯片性能对运算放大器进行比较和排名。与 CMRR 相似，电磁干扰抑制比 (EMIRR) 是实际中的射频信号变化与偏移电压变化比。

　　EMIRR 定义为： 

　　其中，Vrf_peak 是实际的未调制信号振幅，△ Vos 是产生的输入参考偏移电压变化值。

　　随着无线数据传输的广泛应用，手机、蓝牙模块和其他计算机外围设备的出现，让电磁干扰成为在众多应用领域日益受到关注的问题。抗电磁干扰运算放大器使用片上滤波器抑制无用信号，例如放大器输入端的射频注入信号，从而阻止高频噪声在放大器中的传播，避免其传入电路。集成的电磁干扰滤波器提供了众多优势：有助于保证信号完整度，节省了印刷电路板的空间且无需外部滤波，节省了相应的附加成本。

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　　烟雾传感器的信号调节


　　图3给出了另一个具有烟雾传感器接口的抗电磁干扰传感器信号调节范例。一个光学烟雾传感器由LED、透镜和光电二极管组成，当烟雾存在时，灯光不再以直线路径传播，而是按照烟雾的特性和浓度进行散射。当路径发生偏离后，灯光传至对光线敏感的光电二极管，并转换为相应比例的电流。然后，此电流通过 LMV831 中的互阻抗放大器配置转换为电压。此运算放大器具有 CMOS 输入和低功耗特性，提供低输入偏置电流、-40°C 至 +125°C 的宽温度范围和优异的性能，令其成为坚固的通用零件。此外，其抗电磁干扰能力最大限度降低了干扰，因此适合于EMI敏感型应用。


　　图4给出了 EMIRR 与 LMV831 和不具抗电磁干扰功能的标准放大器的频率比较。关于电磁干扰测量值的详细说明请参见应用指南 AN1698。对于不同的精确度、速率或功耗要求的产品，美国国家半导体提供了可用于设计更稳固系统的多种抗电磁干扰运算放大器，包括 LMP2021/22(单路/双路)、LMV861/62、LMV851/52/5(单路/双路/四 路)和 LMV831/32/34。

　　总结

　　蜂窝、蓝牙和 Wi-Fi 信号无处不在，集成无线电的感应系统也得到广泛应用，这使电磁干扰 (EMI) 日渐成为在进行精确信号路径设计时需考量的重要因素。虽然射频信号在运算放大器的波段以外，但射频载波开关可以调节运算放大器的直流偏移。增加的偏移电压被相应信号放大，因此改变测量值，从而导致触发错误警报。抗电磁干扰运算放大器使用片上滤波器抑制输入端和电源引脚上产生的多余射频信号，从而保证精确信号路径完好。