传感器电路的噪声及其抗干扰技术研究

2011-08-18 12:36:37来源: 互联网 关键字:传感器  噪声  抗干扰  电路设计

0 引言
    传感器电路通常用来测量微弱的信号,具有很高的灵敏度,但也很容易接收到外界或内部一些无规则的噪声或干扰信号,如果这些噪声和干扰的大小可以与有用信号相比较,那么在传感器电路的输出端有用信号将有可能被淹没,或由于有用信号分量和噪声干扰分量难以分辨,则必将妨碍对有用信号的测量。所以在传感器电路的设计中,往往抗干扰设计是传感器电路设计是否成功的关键。

1 传感器电路的内部噪声
1.1 高频热噪声
    高频热噪声是由于导电体内部电子的无规则运动产生的。温度越高,电子运动就越激烈。导体内部电子的无规则运动会在其内部形成很多微小的电流波动,因其是无序运动,故它的平均总电流为零,但当它作为一个元件(或作为电路的一部分)被接入放大电路后,其内部的电流就会被放大成为噪声源,特别是对工作在高频频段内的电路高频热噪声影响尤甚。
    通常在工频内,电路的热噪声与通频带成正比,通频带越宽,电路热噪声的影响就越大。在通频带△f内,电路热噪声电压的有效值:。以一个1 kΩ的电阻为例,如果电路的通频带为1 MHz,则呈现在电阻两端的开路电压噪声有效值为4μV(设温度为室温T=290 K)。看起来噪声的电动势并不大,但假设将其接入一个增益为106倍的放大电路时,其输出噪声可达4 V,这时对电路的干扰就很大了。
1.2 低频噪声
    低频噪声主要是由于内部的导电微粒不连续造成的。特别是碳膜电阻,其碳质材料内部存在许多微小颗粒,颗粒之间是不连续的,在电流流过时,会使电阻的导电率发生变化引起电流的变化,产生类似接触不良的闪爆电弧。另外,晶体管也可能产生相似的爆裂噪声和闪烁噪声,其产生机理与电阻中微粒的不连续性相近,也与晶体管的掺杂程度有关。
1.3 半导体器件产生的散粒噪声
    由于半导体PN结两端势垒区电压的变化引起累积在此区域的电荷数量改变,从而显现出电容效应。当外加正向电压升高时,N区的电子和P区的空穴向耗尽区运动,相当于对电容充电。当正向电压减小时,它又使电子和空穴远离耗尽区,相当于电容放电。当外加反向电压时,耗尽区的变化相反。当电流流经势垒区时,这种变化会引起流过势垒区的电流产生微小波动,从而产生电流噪声。其产生噪声的大小与温度、频带宽度△f成正比。
1.4 电路板上的电磁元件的干扰
    许多电路板上都有继电器、线圈等电磁元件,在电流通过时其线圈的电感和外壳的分布电容向周围辐射能量,其能量会对周围的电路产生干扰。像继电器等元件其反复工作,通断电时会产生瞬间的反向高压,形成瞬时浪涌电流,这种瞬间的高压对电路将产生极大的冲击,从而严重干扰电路的正常工作。
1.5 电阻器的噪声
    电阻的干扰来自于电阻中的电感、电容效应和电阻本身的热噪声。例如一个阻值为R的实芯电阻,可等效为电阻R、寄生电容C、寄生电感L的串并联。一般来说,寄生电容为0.1~0.5 pF,寄生电感为5~8 nH。在频率高于1 MHz时,这些寄生电感电容就不可忽视了。
    各类电阻都会产生热噪声,一个阻值为R的电阻(或BJT的体电阻、FET的沟道电阻)未接入电路时,在频带宽度B内所产生的热噪声电压为:
    a.jpg
    式中:k为玻尔兹曼常数;T是绝对温度(单位:K)。热噪声电压本身是一个非周期变化的时间函数,因此,它的频率范围是很宽广的。所以宽频带放大电路受噪声的影响比窄频带大。
    另外,电阻还会产生接触噪声,其接触噪声电压为:
    b.jpg
    式中:I为流过电阻的电流均方值;f为中心频率;k是与材料的几何形状有关的常数。由于Vc在低频段起重要的作用,所以它是低频传感器电路的主要噪声源。

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关键字:传感器  噪声  抗干扰  电路设计

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2011/0818/article_3274.html
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