传感器电路的噪声及其抗干扰技术研究 灵敏度, 噪声

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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：
   
    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：
   
    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。

1．6 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。
1．7 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100 MHz以上。在实验室中，可以用高频示波器(100 MHz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。

2 传感器电路的外部干扰
2．1 电源的干扰
    大多数电子电路的直流电源是由电网交流电源经滤波、稳压后提供的。如果电源系统没有经过净化，会对测试系统产生干扰。同时，在传感器测试系统附近的大型交流电力设备的启停将产生频率很高的浪涌电压叠加在电网电压上。此外，雷电感应也会在电网上产生幅值很高的高频浪涌电压。如果这些干扰信号沿着交流电源线进入传感器接口电路内部，将会干扰其正常工作，影响系统的测试精度。
2. 2 地线的干扰
    传感器接口各电路往往共用一个直流电源，或者虽然不共用一个电源，但不同电源之间往往共一个地，因此，当各部分电路的电流均流过公共地电阻(地线导体阻)时便会产生电压降，该电压降便成为各部分之间相互影响的噪声干扰信号。同时，在远距离测量中，传感器和检测仪表在两处分别接地，于是在两“地”之间就存在较大的接地电位差，在仪表的输入端易形成共模干扰电压。共模干扰的来源一般是设备对地漏电、地电位差、线路本身具有对地干扰等。由于线路的不平衡状态，共模干扰会转换成常模干扰，较难除掉。
2．3 信号通道的干扰
    通常传感器设在生产现场，而显示、记录等测量装置安装在离现场有一定距离的控制室内，这样需要很长的信号传输线，信号在传输的过程中很容易受到干扰，导致所传输的信号发生畸变或失真。长线信号传输所遇到的干扰有：
    (1)周围空间电磁场对长线的电磁感应干扰。
    (2)信号线间的串扰。当强信号线(或信号变化速度很快的线)与弱信号线靠得很近时，通过线间分布电容和互感产生线间干扰。
    (3)长线信号的地线干扰。信号线越长，则信号地线也越长，即地线电阻较大，形成较大的电位差。
2．4 空间电磁波的干扰
    空间电磁波干扰主要有：
    (1)雷电、大气层的电场变化、电离层变化及太阳黑子的电磁辐射等；
    (2)区域空间中通信设备、电视、雷达等通过天线发射强烈的电磁波；
    (3)局部空间电磁波对电路、设备产生的干扰，如氖灯、荧光灯等气体放电设施产生的辉光放电干扰，弧光放电产生的电波形成的干扰。

3 抑制传感器电路噪声的措施
3．1 根据不同工作频率合理选择噪声低的半导体元器件
    在低频段，晶体管由于存在势垒电容和扩散电容等问题，噪声较大。而结型场效应管因为是多数载流子导电，不存在势垒区的电流不均匀问题。而且栅极与导电沟间的反向电流很小，产生的散粒噪声很小。故在中、低频的前级电路中应采用场效应管，不但可以降低噪声还可以有较高的输入阻抗。另外如果需要更换晶体管等半导体元件，一定要经过对比选择，即使型号相同的半导体器件参数也是有差别的。同样，电路中的碳膜电阻与金属膜电阻的噪声系数也是不一样的，金属膜电阻的噪声比碳膜的要小，特别是在前级小信号输入时，可以考虑用噪声小的金属膜电阻。
3．2 根据不同的工作频段、参数选择适当的放大电路
    选择适当的放大电路不仅对本级电路有直接影响，对整个电路的工作参数、工作状态都会产生重要影响。如共射组态连接时，电路有较高的放大增益，同时它的噪声对后级的影响较小。而共集组态时有较高的输入阻抗同时也有较好的频响。因此根据不同的电路对参数应有不同要求，选择好的电路，不仅可以简化线路结构，同时也可以减少噪声对整个电路的干扰。在电路性能参数允许的条件下，尽可能采用抗干扰能力较好的数字电路。
4．5 其他抗干扰技术
    (1)稳压技术。目前智能传感器及仪器仪表开发中常用的稳压电源有两种：一种是由集成稳压芯片提供的串联调整电源，另一种是DC-DC稳压电源，这对防止电网电压波动干扰仪器正常工作十分有效。
    (2)抑制共模干扰技术。采用差分放大器，提高差分放大器的输入阻抗或降低信号源内阻可大大降低共模干扰的影响。
    (3)软件补偿技术。外界因素如温湿度变化等也会引起某些参数的变化，造成偏差。可以利用软件根据外界因素的变化和误差曲线进行修正，去掉干扰。

5 结语
    抗干扰是一个非常复杂、实践性很强的问题，一种干扰现象可能是由若干因素引起的。因此，在传感器电路以及测控系统的设计中，不仅应预先采取抗干扰措施，在调试过程中还应及时分析出遇到的现象，对传感器及其系统的电路原理、具体布线、屏蔽、电源的抗干扰能力、数字地或模拟地的处理以及防护形式不断改进，以提高电路的可靠性和稳定性。
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