傳感器電路內部的七大噪聲，設計四大要點(diǎn)

　　電路設計是傳感器性能是否優(yōu)越的關(guān)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(méi)，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(lái)源，以便找出更好的方法來(lái)降低噪聲?？偟膩?lái)說(shuō)，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(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)。

　　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。

　　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。以一個(gè)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(kāi)路電壓噪聲有效值為4μV（設溫度為室溫T=290K）?？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4V，這時(shí)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(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。

　　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(dòng)通過(guò)BJT內3個(gè)區的體電阻及相應的引線(xiàn)電阻時(shí)而產(chǎn)生。

　　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)射結注入到基區的載流子數目，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)規則的波動(dòng)，會(huì )產(chǎn)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(chēng)為閃爍噪聲。它與半導體表面少數載流子的復合有關(guān)，表現為發(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(chēng)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(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0.1～0.5pF，寄生電感為5～8nH。在頻率高于1MHz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。

　　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(wǎng)上的其他電子設備會(huì )產(chǎn)生較大影響。噪聲頻譜擴展至 100MHz以上。在實(shí)驗室中，可以用高頻示波器（100MHz以上）觀(guān)察一般單片機系統板上某個(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-峰值可達數百毫伏甚至伏級。

　　傳感器設計的四大要點(diǎn)
　好的傳感器的設計是經(jīng)驗加技術(shù)的結晶。一般理解傳感器是將一種物理量經(jīng)過(guò)電路轉換成一種能以另外一種直觀(guān)的可表達的物理量的描述。而下文我們將對傳感器的概念、原理特性進(jìn)行逐一介紹，進(jìn)而解析傳感器的設計的要點(diǎn)。

　　1、傳感器的概念

　　傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節。

　　2、傳感器的工作原理

　　傳感器工作原理的分類(lèi)物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換 成電信號?；瘜W(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應等現象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。向傳感器提供±15V電源，激磁 電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生400Hz的方波，經(jīng)過(guò)tda2030功率放大器即產(chǎn)生交流激磁功率電源，通過(guò)能源環(huán)形變壓器T1從靜止的初級線(xiàn)圈傳遞至旋轉的次 級線(xiàn)圈，得到的交流電源通過(guò)軸上的整流濾波電路得到±5V的直流電源，該電源做運算放大器AD822(＄2.4840)的工作電源;由基準電源AD589(＄2.0760)與雙運放AD822 組成的高精度穩壓電源產(chǎn)生±4.5V的精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及V/F轉換器的工作電源。

　　當彈性軸受扭時(shí)，應變橋檢測得到的mV級的應變信號通過(guò)儀表放大器AD620(＄1.9285)放大成1.5v±1v的強信號，再通過(guò)V/F轉換器變換成頻率信號，通過(guò) 信號環(huán)形變壓器T2從旋轉的初級線(xiàn)圈傳遞至靜止次級線(xiàn)圈，再經(jīng)過(guò)外殼上的信號處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號，該信號為 TTL電平，既可提供給專(zhuān)用二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機處理。由于該旋轉變壓器動(dòng)——靜環(huán)之間只有零點(diǎn)幾毫米的間隙，加之傳感器軸上部分都密封 在金屬外殼之內，形成有效的屏蔽，因此具有很強的抗干擾能力。有些傳感器既不能劃分到物理類(lèi)，也不能劃分為化學(xué)類(lèi)。大多數傳感器是以物理原理為基礎運作 的?；瘜W(xué)傳感器技術(shù)問(wèn)題較多，例如可靠性問(wèn)題，規模生產(chǎn)的可能性，價(jià)格問(wèn)題等，解決了這類(lèi)難題，化學(xué)傳感器的應用將會(huì )有巨大增長(cháng)。

　　3、傳感器的特性介紹

　　1、靜態(tài)特性：是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因為這時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無(wú)關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感 器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫(huà)出的特性曲線(xiàn)來(lái)描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數 有：線(xiàn)性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。

　　2、動(dòng)態(tài)特性：是指傳感器在輸入變化時(shí)，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應來(lái)表示。這是因為傳感器對標 準輸入信號的響應容易用實(shí)驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標 準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應和頻率響應來(lái)表示。

　　3、線(xiàn)性度：通常情況下，傳感器的實(shí)際靜態(tài)特性輸出是條曲線(xiàn)而非直線(xiàn)。在實(shí)際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數，常用一條擬合直線(xiàn)近似地代表實(shí)際的 特性曲線(xiàn)、線(xiàn)性度（非線(xiàn)性誤差）就是這個(gè)近似程度的一個(gè)性能指標。擬合直線(xiàn)的選取有多種方法。如將零輸入和滿(mǎn)量程輸出點(diǎn)相連的理論直線(xiàn)作為擬合直線(xiàn);或將 與特性曲線(xiàn)上各點(diǎn)偏差的平方和為最小的理論直線(xiàn)作為擬合直線(xiàn)，此擬合直線(xiàn)稱(chēng)為最小二乘法擬合直線(xiàn)。

　　4、遲滯特性：表征傳感器在正向（輸入量增大）和反向（輸入量減?。┬谐涕g輸出-輸入特性曲線(xiàn)不一致的程度，通常用這兩條曲線(xiàn)之間的最大差值△MAX與滿(mǎn)量程輸出F？S的百分比表示。遲滯可由傳感器內部元件存在能量的吸收造成。

　　5、靈敏度：靈敏度是指傳感器在穩態(tài)工作情況下輸出量變化△y對輸入量變化△x的比值。它是輸出一輸入特性曲線(xiàn)的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線(xiàn)性關(guān)系，則靈敏度S是一個(gè)常數。否則，它將隨輸入量的變化而變化。

　　4、傳感器的設計要點(diǎn)

　　1、一般所測得的物理量是非常小的，通常還帶有作為傳感器物理轉換元件固有的轉換噪聲。比如傳感器在1被放大倍率下的信號強度為0.1~1uV，此時(shí) 的背景噪聲信號也有這么大的水平，甚至于將其湮滅。如何將有用信號盡量取出并且壓低噪聲是傳感器設計的首要解決的問(wèn)題。

　　2、傳感器電路一定要簡(jiǎn)單精煉。設想具有3級放大電路的，帶有2級有源濾波器的放大回路，放大了信號的同時(shí)也將噪聲放大了，如果噪聲不是明顯偏離有用 信號頻譜，則無(wú)論怎樣濾波兩者同時(shí)放大，結果信噪比沒(méi)有提高。因此傳感器電路一定要精煉簡(jiǎn)約。能省1只電阻或電容就一定要將它去掉。這一點(diǎn)是許多設計傳感 器的工程師們容易忽略的問(wèn)題。已知的情況是，傳感器電路隨著(zhù)噪聲的問(wèn)題困擾，電路越修改越復雜，成為怪圈。

　　3、功耗問(wèn)題。傳感器通常在后續電路的前端，有可能需要較長(cháng)的引線(xiàn)連接。當傳感器功耗較大時(shí)引線(xiàn)的連接將會(huì )所有的無(wú)謂噪聲以及電源噪聲引入使得后續電路愈發(fā)難以設計。在夠用的情況小如何降低功耗也是一個(gè)不小的考驗。

　　4、元器件的選用和電源回路。元器件的選用一定要夠用為好，只要器件指標在需要的范圍之內就可以了，余下的就是電路設計問(wèn)題。電源是傳感器電路設計過(guò) 程一定要遇到的難題，不要追求無(wú)法達到的電源指標，而選擇一款帶有較好的共模抑制比的運放，采用差分放大電路設計可能最普通的開(kāi)關(guān)電源以及器件就能滿(mǎn)足你 的要求。