傳感器電路的噪聲及其抗干擾技術(shù)研究

摘要：盡量消除或抑制電子電路的干擾是電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用始終需要解決的問(wèn)題。傳感器電路通常用來(lái)測(cè)量微弱的信號(hào)，具有很高的靈敏度，如果不能解決好各類(lèi)干擾的影響，將給電路及其測(cè)量帶來(lái)較大誤差，甚至?xí)蚋蓴_信號(hào)淹沒(méi)正常測(cè)量信號(hào)而使電路不能正常工作。在此，研究了傳感器電路設(shè)計(jì)時(shí)的內(nèi)部噪聲和外部干擾，并得出采取合理有效的抗干擾措施，能確保電路正常工作，提高電路的可靠性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞：傳感器；噪聲；抗干擾；電路設(shè)計(jì)

0 引言
傳感器電路通常用來(lái)測(cè)量微弱的信號(hào)，具有很高的靈敏度，但也很容易接收到外界或內(nèi)部一些無(wú)規(guī)則的噪聲或干擾信號(hào)，如果這些噪聲和干擾的大小可以與有用信號(hào)相比較，那么在傳感器電路的輸出端有用信號(hào)將有可能被淹沒(méi)，或由于有用信號(hào)分量和噪聲干擾分量難以分辨，則必將妨礙對(duì)有用信號(hào)的測(cè)量。所以在傳感器電路的設(shè)計(jì)中，往往抗干擾設(shè)計(jì)是傳感器電路設(shè)計(jì)是否成功的關(guān)鍵。

1 傳感器電路的內(nèi)部噪聲
1．1 高頻熱噪聲
高頻熱噪聲是由于導(dǎo)電體內(nèi)部電子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。溫度越高，電子運(yùn)動(dòng)就越激烈。導(dǎo)體內(nèi)部電子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)會(huì)在其內(nèi)部形成很多微小的電流波動(dòng)，因其是無(wú)序運(yùn)動(dòng)，故它的平均總電流為零，但當(dāng)它作為一個(gè)元件(或作為電路的一部分)被接入放大電路后，其內(nèi)部的電流就會(huì)被放大成為噪聲源，特別是對(duì)工作在高頻頻段內(nèi)的電路高頻熱噪聲影響尤甚。
通常在工頻內(nèi)，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。在通頻帶△f內(nèi)，電路熱噪聲電壓的有效值：。以一個(gè)1 kΩ的電阻為例，如果電路的通頻帶為1 MHz，則呈現(xiàn)在電阻兩端的開(kāi)路電壓噪聲有效值為4μV(設(shè)溫度為室溫T=290 K)。看起來(lái)噪聲的電動(dòng)勢(shì)并不大，但假設(shè)將其接入一個(gè)增益為106倍的放大電路時(shí)，其輸出噪聲可達(dá)4 V，這時(shí)對(duì)電路的干擾就很大了。
1．2 低頻噪聲
低頻噪聲主要是由于內(nèi)部的導(dǎo)電微粒不連續(xù)造成的。特別是碳膜電阻，其碳質(zhì)材料內(nèi)部存在許多微小顆粒，顆粒之間是不連續(xù)的，在電流流過(guò)時(shí)，會(huì)使電阻的導(dǎo)電率發(fā)生變化引起電流的變化，產(chǎn)生類(lèi)似接觸不良的閃爆電弧。另外，晶體管也可能產(chǎn)生相似的爆裂噪聲和閃爍噪聲，其產(chǎn)生機(jī)理與電阻中微粒的不連續(xù)性相近，也與晶體管的摻雜程度有關(guān)。
1．3 半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的散粒噪聲
由于半導(dǎo)體PN結(jié)兩端勢(shì)壘區(qū)電壓的變化引起累積在此區(qū)域的電荷數(shù)量改變，從而顯現(xiàn)出電容效應(yīng)。當(dāng)外加正向電壓升高時(shí)，N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴向耗盡區(qū)運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于對(duì)電容充電。當(dāng)正向電壓減小時(shí)，它又使電子和空穴遠(yuǎn)離耗盡區(qū)，相當(dāng)于電容放電。當(dāng)外加反向電壓時(shí)，耗盡區(qū)的變化相反。當(dāng)電流流經(jīng)勢(shì)壘區(qū)時(shí)，這種變化會(huì)引起流過(guò)勢(shì)壘區(qū)的電流產(chǎn)生微小波動(dòng)，從而產(chǎn)生電流噪聲。其產(chǎn)生噪聲的大小與溫度、頻帶寬度△f成正比。
1．4 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(guò)時(shí)其線圈的電感和外殼的分布電容向周?chē)椛淠芰?，其能量?huì)對(duì)周?chē)碾娐樊a(chǎn)生干擾。像繼電器等元件其反復(fù)工作，通斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬間的反向高壓，形成瞬時(shí)浪涌電流，這種瞬間的高壓對(duì)電路將產(chǎn)生極大的沖擊，從而嚴(yán)重干擾電路的正常工作。
1．5 電阻器的噪聲
電阻的干擾來(lái)自于電阻中的電感、電容效應(yīng)和電阻本身的熱噪聲。例如一個(gè)阻值為R的實(shí)芯電阻，可等效為電阻R、寄生電容C、寄生電感L的串并聯(lián)。一般來(lái)說(shuō)，寄生電容為0．1～0．5 pF，寄生電感為5～8 nH。在頻率高于1 MHz時(shí)，這些寄生電感電容就不可忽視了。
各類(lèi)電阻都會(huì)產(chǎn)生熱噪聲，一個(gè)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(shí)，在頻帶寬度B內(nèi)所產(chǎn)生的熱噪聲電壓為：

式中：k為玻爾茲曼常數(shù)；T是絕對(duì)溫度(單位：K)。熱噪聲電壓本身是一個(gè)非周期變化的時(shí)間函數(shù)，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(huì)產(chǎn)生接觸噪聲，其接觸噪聲電壓為：

式中：I為流過(guò)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(guān)的常數(shù)。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。