傳感器電路的噪聲及其抗干擾技術(shù)研究
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1．6 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(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)通過(guò)BJT內(nèi)3個(gè)區(qū)的體電阻及相應(yīng)的引線電阻時(shí)而產(chǎn)生。其中rbb'所產(chǎn)生的噪聲是主要的。
通常所說(shuō)的BJT中的電流，只是一個(gè)平均值。實(shí)際上通過(guò)發(fā)射結(jié)注入到基區(qū)的載流子數(shù)目，在各個(gè)瞬時(shí)都不相同，因而發(fā)射極電流或集電極電流都有無(wú)規(guī)則的波動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生散粒噪聲。
由于半導(dǎo)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(dǎo)體表面少數(shù)載流子的復(fù)合有關(guān)，表現(xiàn)為發(fā)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。
1．7 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(dǎo)式。這些噪聲尖刺對(duì)于接在同一交流電網(wǎng)上的其他電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生較大影響。噪聲頻譜擴(kuò)展至100 MHz以上。在實(shí)驗(yàn)室中，可以用高頻示波器(100 MHz以上)觀察一般單片機(jī)系統(tǒng)板上某個(gè)集成電路電源與地引腳之間的波形，會(huì)看到噪聲尖刺峰-峰值可達(dá)數(shù)百毫伏甚至伏級(jí)。
2 傳感器電路的外部干擾
2．1 電源的干擾
大多數(shù)電子電路的直流電源是由電網(wǎng)交流電源經(jīng)濾波、穩(wěn)壓后提供的。如果電源系統(tǒng)沒(méi)有經(jīng)過(guò)凈化，會(huì)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。同時(shí)，在傳感器測(cè)試系統(tǒng)附近的大型交流電力設(shè)備的啟停將產(chǎn)生頻率很高的浪涌電壓疊加在電網(wǎng)電壓上。此外，雷電感應(yīng)也會(huì)在電網(wǎng)上產(chǎn)生幅值很高的高頻浪涌電壓。如果這些干擾信號(hào)沿著交流電源線進(jìn)入傳感器接口電路內(nèi)部，將會(huì)干擾其正常工作，影響系統(tǒng)的測(cè)試精度。
2. 2 地線的干擾
傳感器接口各電路往往共用一個(gè)直流電源，或者雖然不共用一個(gè)電源，但不同電源之間往往共一個(gè)地，因此，當(dāng)各部分電路的電流均流過(guò)公共地電阻(地線導(dǎo)體阻)時(shí)便會(huì)產(chǎn)生電壓降，該電壓降便成為各部分之間相互影響的噪聲干擾信號(hào)。同時(shí)，在遠(yuǎn)距離測(cè)量中，傳感器和檢測(cè)儀表在兩處分別接地，于是在兩“地”之間就存在較大的接地電位差，在儀表的輸入端易形成共模干擾電壓。共模干擾的來(lái)源一般是設(shè)備對(duì)地漏電、地電位差、線路本身具有對(duì)地干擾等。由于線路的不平衡狀態(tài)，共模干擾會(huì)轉(zhuǎn)換成常模干擾，較難除掉。
2．3 信號(hào)通道的干擾
通常傳感器設(shè)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，而顯示、記錄等測(cè)量裝置安裝在離現(xiàn)場(chǎng)有一定距離的控制室內(nèi)，這樣需要很長(zhǎng)的信號(hào)傳輸線，信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中很容易受到干擾，導(dǎo)致所傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)生畸變或失真。長(zhǎng)線信號(hào)傳輸所遇到的干擾有：
(1)周?chē)臻g電磁場(chǎng)對(duì)長(zhǎng)線的電磁感應(yīng)干擾。
(2)信號(hào)線間的串?dāng)_。當(dāng)強(qiáng)信號(hào)線(或信號(hào)變化速度很快的線)與弱信號(hào)線靠得很近時(shí)，通過(guò)線間分布電容和互感產(chǎn)生線間干擾。
(3)長(zhǎng)線信號(hào)的地線干擾。信號(hào)線越長(zhǎng)，則信號(hào)地線也越長(zhǎng)，即地線電阻較大，形成較大的電位差。
2．4 空間電磁波的干擾
空間電磁波干擾主要有：
(1)雷電、大氣層的電場(chǎng)變化、電離層變化及太陽(yáng)黑子的電磁輻射等；
(2)區(qū)域空間中通信設(shè)備、電視、雷達(dá)等通過(guò)天線發(fā)射強(qiáng)烈的電磁波；
(3)局部空間電磁波對(duì)電路、設(shè)備產(chǎn)生的干擾，如氖燈、熒光燈等氣體放電設(shè)施產(chǎn)生的輝光放電干擾，弧光放電產(chǎn)生的電波形成的干擾。
3 抑制傳感器電路噪聲的措施
3．1 根據(jù)不同工作頻率合理選擇噪聲低的半導(dǎo)體元器件
在低頻段，晶體管由于存在勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容等問(wèn)題，噪聲較大。而結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管因?yàn)槭嵌鄶?shù)載流子導(dǎo)電，不存在勢(shì)壘區(qū)的電流不均勻問(wèn)題。而且柵極與導(dǎo)電溝間的反向電流很小，產(chǎn)生的散粒噪聲很小。故在中、低頻的前級(jí)電路中應(yīng)采用場(chǎng)效應(yīng)管，不但可以降低噪聲還可以有較高的輸入阻抗。另外如果需要更換晶體管等半導(dǎo)體元件，一定要經(jīng)過(guò)對(duì)比選擇，即使型號(hào)相同的半導(dǎo)體器件參數(shù)也是有差別的。同樣，電路中的碳膜電阻與金屬膜電阻的噪聲系數(shù)也是不一樣的，金屬膜電阻的噪聲比碳膜的要小，特別是在前級(jí)小信號(hào)輸入時(shí)，可以考慮用噪聲小的金屬膜電阻。
評(píng)論