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      傳感器電路內部的七大噪聲

      2017-08-11

        電路設計是傳感器性能是否優越的關鍵因素,由于傳感器輸出端都是很微小的信號,如果因為噪聲導致有用的信號被淹沒,那就得不償失了,所以加強傳感器電路的抗干擾設計尤為重要。在這之前,我們必須了解傳感器電路噪聲的來源,以便找出更好的方法來降低噪聲??偟膩碚f,傳感器電路噪聲主要有一下七種:

        低頻噪聲,

        低頻噪聲主要是由于內部的導電微粒不連續造成的。特別是碳膜電阻,其碳質材料內部存在許多微小顆粒,顆粒之間是不連續的,在電流流過時,會使電阻的導電率發生變化引起電流的變化,產生類似接觸不良的閃爆電弧。另外,晶體管也可能產生相似的爆裂噪聲和閃爍噪聲,其產生機理與電阻中微粒的不連續性相近,也與晶體管的摻雜程度有關。

        半導體器件產生的散粒噪聲

        由于半導體PN結兩端勢壘區電壓的變化引起累積在此區域的電荷數量改變,從而顯現出電容效應。當外加正向電壓升高時,N區的電子和P區的空穴向耗盡區運動,相當于對電容充電。當正向電壓減小時,它又使電子和空穴遠離耗盡區,相當于電容放電。當外加反向電壓時,耗盡區的變化相反。當電流流經勢壘區時,這種變化會引起流過勢壘區的電流產生微小波動,從而產生電流噪聲。其產生噪聲的大小與溫度、頻帶寬度△f成正比。

        高頻熱噪聲

        高頻熱噪聲是由于導電體內部電子的無規則運動產生的。溫度越高,電子運動就越激烈。導體內部電子的無規則運動會在其內部形成很多微小的電流波動,因其是無序運動,故它的平均總電流為零,但當它作為一個元件(或作為電路的一部分)被接入放大電路后,其內部的電流就會被放大成為噪聲源,特別是對工作在高頻頻段內的電路高頻熱噪聲影響尤甚。

        通常在工頻內,電路的熱噪聲與通頻帶成正比,通頻帶越寬,電路熱噪聲的影響就越大。以一個1kΩ的電阻為例,如果電路的通頻帶為1MHz,則呈現在電阻兩端的開路電壓噪聲有效值為4μV(設溫度為室溫T=290K)??雌饋碓肼暤碾妱觿莶⒉淮?,但假設將其接入一個增益為106倍的放大電路時,其輸出噪聲可達4V,這時對電路的干擾就很大了。

        電路板上的電磁元件的干擾

        許多電路板上都有繼電器、線圈等電磁元件,在電流通過時其線圈的電感和外殼的分布電容向周圍輻射能量,其能量會對周圍的電路產生干擾。像繼電器等元件其反復工作,通斷電時會產生瞬間的反向高壓,形成瞬時浪涌電流,這種瞬間的高壓對電路將產生極大的沖擊,從而嚴重干擾電路的正常工作。

        晶體管的噪聲

        晶體管的噪聲主要有熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲。

        熱噪聲是由于載流子不規則的熱運動通過BJT內3個區的體電阻及相應的引線電阻時而產生。其中'所產生的噪聲是主要的。

        通常所說的BJT中的電流,只是一個平均值。實際上通過發射結注入到基區的載流子數目,在各個瞬時都不相同,因而發射極電流或集電極電流都有無規則的波動,會產生散粒噪聲。

        由于半導體材料及制造工藝水平使得晶體管表面清潔處理不好而引起的噪聲稱為閃爍噪聲。它與半導體表面少數載流子的復合有關,表現為發射極電流的起伏,其電流噪聲譜密度與頻率近似成反比,又稱1/f噪聲。它主要在低頻(kHz以下)范圍起主要作用。

        電阻器的噪聲

        電阻的干擾來自于電阻中的電感、電容效應和電阻本身的熱噪聲。例如一個阻值為R的實芯電阻,可等效為電阻R、寄生電容C、寄生電感L的串并聯。一般來說,寄生電容為0.1~0.5pF,寄生電感為5~8nH。在頻率高于1MHz時,這些寄生電感電容就不可忽視了。

        各類電阻都會產生熱噪聲,一個阻值為R的電阻(或BJT的體電阻、FET的溝道電阻)未接入電路時,在頻帶寬度B內所產生的熱噪聲電壓為:

        式中:k為玻爾茲曼常數;T是絕對溫度(單位:K)。熱噪聲電壓本身是一個非周期變化的時間函數,因此,它的頻率范圍是很寬廣的。所以寬頻帶放大電路受噪聲的影響比窄頻帶大。

        另外,電阻還會產生接觸噪聲,其接觸噪聲電壓為:

        式中:I為流過電阻的電流均方值;f為中心頻率;k是與材料的幾何形狀有關的常數。由于Vc在低頻段起重要的作用,所以它是低頻傳感器電路的主要噪聲源。

        集成電路的噪聲

        集成電路的噪聲干擾一般有兩種:一種是輻射式,一種是傳導式。這些噪聲尖刺對于接在同一交流電網上的其他電子設備會產生較大影響。噪聲頻譜擴展至100MHz以上。在實驗室中,可以用高頻示波器(100MHz以上)觀察一般單片機系統板上某個集成電路電源與地引腳之間的波形,會看到噪聲尖刺峰-峰值可達數百毫伏甚至伏級。

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