传感器电路噪声的七个来源

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电路设计是传感器性能是否优越的关键因素,由于传感器输出端都是很微小的信号,如果因为噪声导致有用的信号被淹没,那就得不偿失了,所以加强传感器电路的抗干扰设计尤为重要。在这之前,我们必须了解传感器电路噪声的来源,以便找出更好的方法来降低噪声。总的来说,传感器电路噪声主要有一下七种:

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。

 

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。

 

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。以一个 1kΩ的电阻为例,如果电路的通频带为 1MHz,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=290K)。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 4V,这时对电路的干扰就很大了。

 

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。

 

晶体管的噪声

晶体管的噪声主要有热噪声、散粒噪声、闪烁噪声。

热噪声是由于载流子不规则的热运动通过 BJT 内 3 个区的体电阻及相应的引线电阻时而产生。其中 rbb 所产生的噪声是主要的。

通常所说的 BJT 中的电流,只是一个平均值。实际上通过发射结注入到基区的载流子数目,在各个瞬时都不相同,因而发射极电流或集电极电流都有无规则的波动,会产生散粒噪声。

由于半导体材料及制造工艺水平使得晶体管表面清洁处理不好而引起的噪声称为闪烁噪声。它与半导体表面少数载流子的复合有关,表现为发射极电流的起伏,其电流噪声谱密度与频率近似成反比,又称 1/f 噪声。它主要在低频(kHz 以下)范围起主要作用。

 

电阻器的噪声

电阻的干扰来自于电阻中的电感、电容效应和电阻自身的热噪声。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。寄生电容为 0.1~0.5pF,寄生电感为 5~8nH。在频率高于 1MHz 时,这些寄生电感电容就不可无视了。


电阻都产生热噪声,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 B 内所产生的热噪声电压式中:k 为玻尔兹曼常数;T 是温度(单位:K)。热噪声电压自身是一个非周期变化的时间函数,它的频率范围是很宽广。所以宽频带放大电路受噪声的影响比窄频带大。


电阻产生接触噪声,接触噪声电压式中:I 为流过电阻的电流均方值;f 为频率;k 是与资料几何外形有关的常数。因为 Vc 在低频段起着重要的作用,所以它是低频传感器的主要噪声源。

 

集成电路的噪声

集成电路的噪声干扰一般有两种:一种是辐射式,一种是传导式。这些噪声尖刺对于接在同一交流电网上的其他电子设备会产生较大影响。噪声频谱扩展至 100MHz 以上。在实验室中,可以用高频示波器(100MHz 以上)观察一般单片机系统板上某个集成电路电源与地引脚之间的波形,会看到噪声尖刺峰 - 峰值可达数百毫伏甚至伏级。

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