傳感器電路噪聲分析及抗干擾的研究 - 全文

盡量消除或抑制電子電路的干擾是電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用始終需要解決的問(wèn)題。

傳感器電路通常用來(lái)測(cè)量微弱的信號(hào)，具有很高的靈敏度，如果不能解決好各類干擾的影響，將給電路及其測(cè)量帶來(lái)較大誤差，甚至?xí)蚋蓴_信號(hào)淹沒(méi)正常測(cè)量信號(hào)而使電路不能正常工作。

在此，研究了傳感器電路設(shè)計(jì)時(shí)的內(nèi)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(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

傳感器電路通常用來(lái)測(cè)量微弱的信號(hào)，具有很高的靈敏度，但也很容易接收到外界或內(nèi)部一些無(wú)規(guī)則的噪聲或干擾信號(hào)，如果這些噪聲和干擾的大小可以與有用信號(hào)相比較

那么在傳感器電路的輸出端有用信號(hào)將有可能被淹沒(méi)，或由于有用信號(hào)分量和噪聲干擾分量難以分辨，則必將妨礙對(duì)有用信號(hào)的測(cè)量。

所以在傳感器電路的設(shè)計(jì)中，往往抗干擾設(shè)計(jì)是傳感器電路設(shè)計(jì)是否成功的關(guān)鍵。

1 傳感器電路的內(nèi)部噪聲

1．1 高頻熱噪聲

高頻熱噪聲是由于導(dǎo)電體內(nèi)部電子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。

溫度越高，電子運(yùn)動(dòng)就越激烈。導(dǎo)體內(nèi)部電子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)會(huì)在其內(nèi)部形成很多微小的電流波動(dòng)，因其是無(wú)序運(yùn)動(dòng)，故它的平均總電流為零，但當(dāng)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(nèi)部的電流就會(huì)被放大成為噪聲源，特別是對(duì)工作在高頻頻段內(nèi)的電路高頻熱噪聲影響尤甚。

通常在工頻內(nèi)，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(nèi)，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(xiàn)在電阻兩端的開(kāi)路電壓噪聲有效值為4μV(設(shè)溫度為室溫T=290 K)。

看起來(lái)噪聲的電動(dòng)勢(shì)并不大，但假設(shè)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(dá)4 V，這時(shí)對(duì)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(nèi)部的導(dǎo)電微粒不連續(xù)造成的。

特別是碳膜電阻，其碳質(zhì)材料內(nèi)部存在許多微小顆粒，顆粒之間是不連續(xù)的，在電流流過(guò)時(shí)，會(huì)使電阻的導(dǎo)電率發(fā)生變化引起電流的變化，產(chǎn)生類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(jī)理與電阻中微粒的不連續(xù)性相近，也與晶體管的摻雜程度有關(guān)。

1．3 半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的散粒噪聲

由于半導(dǎo)體PN結(jié)兩端勢(shì)壘區(qū)電壓的變化引起累積在此區(qū)域的電荷數(shù)量改變，從而顯現(xiàn)出電容效應(yīng)。

當(dāng)外加正向電壓升高時(shí)，N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴向耗盡區(qū)運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于對(duì)電容充電。當(dāng)正向電壓減小時(shí)，它又使電子和空穴遠(yuǎn)離耗盡區(qū)，相當(dāng)于電容放電。

當(dāng)外加反向電壓時(shí)，耗盡區(qū)的變化相反。當(dāng)電流流經(jīng)勢(shì)壘區(qū)時(shí)，這種變化會(huì)引起流過(guò)勢(shì)壘區(qū)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、線圈等電磁元件，在電流通過(guò)時(shí)其線圈的電感和外殼的分布電容向周圍輻射能量，其能量會(huì)對(duì)周圍的電路產(chǎn)生干擾。

像繼電器等元件其反復(fù)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(duì)電路將產(chǎn)生極大的沖擊，從而嚴(yán)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(yīng)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(nèi)所產(chǎn)生的熱噪聲電壓為：

式中：k為玻爾茲曼常數(shù)；T是絕對(duì)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(shù)，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(shù)。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。

1．6 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(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)通過(guò)BJT內(nèi)3個(gè)區(qū)的體電阻及相應(yīng)的引線電阻時(shí)而產(chǎn)生。其中rbb'所產(chǎn)生的噪聲是主要的。

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(jié)注入到基區(qū)的載流子數(shù)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(guī)則的波動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生散粒噪聲。

由于半導(dǎo)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為閃爍噪聲。

它與半導(dǎo)體表面少數(shù)載流子的復(fù)合有關(guān)，表現(xiàn)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1／f噪聲。它主要在低頻(kHz以下)范圍起主要作用。

1．7 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(dǎo)式。這些噪聲尖刺對(duì)于接在同一交流電網(wǎng)上的其他電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生較大影響。噪聲頻譜擴(kuò)展至100 MHz以上。

在實(shí)驗(yàn)室中，可以用高頻示波器(100 MHz以上)觀察一般單片機(jī)系統(tǒng)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(dá)數(shù)百毫伏甚至伏級(jí)。

2 傳感器電路的外部干擾

2．1 電源的干擾

大多數(shù)電子電路的直流電源是由電網(wǎng)交流電源經(jīng)濾波、穩(wěn)壓后提供的。如果電源系統(tǒng)沒(méi)有經(jīng)過(guò)凈化，會(huì)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

同時(shí)，在傳感器測(cè)試系統(tǒng)附近的大型交流電力設(shè)備的啟停將產(chǎn)生頻率很高的浪涌電壓疊加在電網(wǎng)電壓上。

此外，雷電感應(yīng)也會(huì)在電網(wǎng)上產(chǎn)生幅值很高的高頻浪涌電壓。如果這些干擾信號(hào)沿著交流電源線進(jìn)入傳感器接口電路內(nèi)部，將會(huì)干擾其正常工作，影響系統(tǒng)的測(cè)試精度。

2. 2 地線的干擾

傳感器接口各電路往往共用一個(gè)直流電源，或者雖然不共用一個(gè)電源，但不同電源之間往往共一個(gè)地，因此，當(dāng)各部分電路的電流均流過(guò)公共地電阻(地線導(dǎo)體阻)時(shí)便會(huì)產(chǎn)生電壓降，該電壓降便成為各部分之間相互影響的噪聲干擾信號(hào)。

同時(shí)，在遠(yuǎn)距離測(cè)量中，傳感器和檢測(cè)儀表在兩處分別接地，于是在兩“地”之間就存在較大的接地電位差，在儀表的輸入端易形成共模干擾電壓。

共模干擾的來(lái)源一般是設(shè)備對(duì)地漏電、地電位差、線路本身具有對(duì)地干擾等。由于線路的不平衡狀態(tài)，共模干擾會(huì)轉(zhuǎn)換成常模干擾，較難除掉。

2．3 信號(hào)通道的干擾

通常傳感器設(shè)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，而顯示、記錄等測(cè)量裝置安裝在離現(xiàn)場(chǎng)有一定距離的控制室內(nèi)，這樣需要很長(zhǎng)的信號(hào)傳輸線，信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中很容易受到干擾，導(dǎo)致所傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)生畸變或失真。

長(zhǎng)線信號(hào)傳輸所遇到的干擾有：

(1)周圍空間電磁場(chǎng)對(duì)長(zhǎng)線的電磁感應(yīng)干擾。

(2)信號(hào)線間的串?dāng)_。當(dāng)強(qiáng)信號(hào)線(或信號(hào)變化速度很快的線)與弱信號(hào)線靠得很近時(shí)，通過(guò)線間分布電容和互感產(chǎn)生線間干擾。

(3)長(zhǎng)線信號(hào)的地線干擾。信號(hào)線越長(zhǎng)，則信號(hào)地線也越長(zhǎng)，即地線電阻較大，形成較大的電位差。

2．4 空間電磁波的干擾空間電磁波干擾主要有：

(1)雷電、大氣層的電場(chǎng)變化、電離層變化及太陽(yáng)黑子的電磁輻射等；

(2)區(qū)域空間中通信設(shè)備、電視、雷達(dá)等通過(guò)天線發(fā)射強(qiáng)烈的電磁波；

(3)局部空間電磁波對(duì)電路、設(shè)備產(chǎn)生的干擾，如氖燈、熒光燈等氣體放電設(shè)施產(chǎn)生的輝光放電干擾，弧光放電產(chǎn)生的電波形成的干擾。