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計和應用始終需要解決的問(wèn)題。傳感器電路通常用來(lái)測量微弱的信號，具有很高的靈敏度，如果不能解決好各類(lèi)干擾的影響，將給電路及其測量帶來(lái)較大誤差，甚至會(huì )因干擾信號淹沒(méi)正常測量信號而使電路不能正常工作。在此，研究了傳感器電路設計時(shí)的內部噪聲和外部干擾，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、穩定性和準確性。
關(guān)鍵詞：傳感器；噪聲；抗干擾；電路設計

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

1 傳感器電路的內部噪聲
1．1 高頻熱噪聲
高頻熱噪聲是由于導電體內部電子的無(wú)規則運動(dòng)產(chǎn)生的。溫度越高，電子運動(dòng)就越激烈。導體內部電子的無(wú)規則運動(dòng)會(huì )在其內部形成很多微小的電流波動(dòng)，因其是無(wú)序運動(dòng)，故它的平均總電流為零，但當它作為一個(gè)元件(或作為電路的一部分)被接入放大電路后，其內部的電流就會(huì )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。在通頻帶△f內，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，則呈現在電阻兩端的開(kāi)路電壓噪聲有效值為4μV(設溫度為室溫T=290 K)?？雌饋?lái)噪聲的電動(dòng)勢并不大，但假設將其接入一個(gè)增益為106倍的放大電路時(shí)，其輸出噪聲可達4 V，這時(shí)對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部的導電微粒不連續造成的。特別是碳膜電阻，其碳質(zhì)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(guò)時(shí)，會(huì )使電阻的導電率發(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(guān)。
1．3 半導體器件產(chǎn)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(shí)，N區的電子和P區的空穴向耗盡區運動(dòng)，相當于對電容充電。當正向電壓減小時(shí)，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(shí)，耗盡區的變化相反。當電流流經(jīng)勢壘區時(shí)，這種變化會(huì )引起流過(guò)勢壘區的電流產(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(xiàn)圈等電磁元件，在電流通過(guò)時(shí)其線(xiàn)圈的電感和外殼的分布電容向周?chē)椛淠芰?，其能量?huì )對周?chē)碾娐樊a(chǎn)生干擾。像繼電器等元件其反復工作，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，這種瞬間的高壓對電路將產(chǎn)生極大的沖擊，從而嚴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內所產(chǎn)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(gè)非周期變化的時(shí)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(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。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。