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淺析電路設計中傳感器電路內部的七大噪聲

2020-10-06 16:31:18

        電路設計是傳感器性能是否優越的關鍵因素,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,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,我們需要了解傳感器電路噪聲的來源,以便找出好的方法來降低噪聲。總的來說,傳感器電路噪聲主要有一下七種:

低頻噪音

        低頻噪聲主要是由內部導電顆粒的不連續性引起的。特別是對于碳膜電阻器,碳質材料內部有許多微小的顆粒,并且這些顆粒不是連續的。當電流流動時,電阻器的電導率將發生變化,并且電流將發生變化,從而產生類似于接觸不良的閃光電弧。。另外,晶體管還可能產生類似的爆裂噪聲和閃爍噪聲,其機理類似于電阻器中顆粒的不連續性,并且還與晶體管的摻雜程度有關。

半導體器件產生的散粒噪聲

        半導體PN結兩端的勢壘區的電壓變化導致該區域中累積的電荷量變化,從而表現出電容效應。當施加的正向電壓增加時,N區中的電子和P區中的空穴移動到耗盡區,這相當于給電容器充電。當正向電壓降低時,它將使電子和空穴遠離耗盡區,這等效于電容器放電。當施加反向電壓時,耗盡區沿相反方向變化。當電流流過勢壘區時,此變化將導致流過勢壘區的電流產生較小的波動,從而產生電流噪聲。產生的噪聲的大小與溫度和頻率帶寬△f成正比。


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高頻熱噪聲

        高頻熱噪聲是由導體內部電子的不規則運動引起的。溫度越高,電子運動越劇烈。電子在導體內部的不規則運動將在導體內部形成許多小的電流波動。因為它是無序運動,所以平均總電流為零,但是當將其用作組件(或作為電路的一部分)時,將其連接并放大。電路完成后,內部電流將被放大并變為噪聲源,尤其是在高頻頻段工作的電路的高頻熱噪聲。

        通常在電源頻率中,電路的熱噪聲與通帶成正比。通帶越寬,電路熱噪聲的影響越大。以一個1kΩ的電阻為例,如果電路的通帶為1MHz,則電阻兩端出現的開路電壓噪聲的好值為4μV(將室溫設置為室溫T=290K)。噪聲的電動勢似乎并不大,但是如果將其以106倍的增益連接到放大器電路,則其輸出噪聲可以達到4V,這對電路產生了很大的干擾。

電路板上電磁元件的干擾

        許多電路板具有電磁元件,例如繼電器和線圈。當電流通過時,線圈的電感和外殼的分布電容將能量輻射到周圍環境,該能量將干擾周圍的電路。繼電器等組件反復工作,打開和關閉電源時會立即產生反向高壓,從而形成瞬時浪涌電流。瞬間的高電壓將對電路產生很大影響,并嚴重干擾電路的正常運行。

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通過BJT內3個區的體電阻及相應的引線電阻時而產生。其中rbb所產生的噪聲是主要的。

        通常所說的BJT中的電流,只是一個平均值。實際上通過發射結注入到基區的載流子數目,在各個瞬時都不相同,因而發射極電流或集電極電流都有無規則的波動,會產生散粒噪聲。

        由于半導體材料和制造工藝水平的原因,由于晶體管表面清潔不良而引起的噪聲稱為閃爍噪聲。它與半導體表面上少數載流子的重組有關,表現為發射極電流的波動,其電流噪聲頻譜密度與頻率近似成反比,也稱為1/f噪聲。它主要在低頻(低于kHz)范圍內發揮重要作用。

電阻噪聲

        電阻的干擾來自電阻本身的電感,電容效應和熱噪聲。例如,電阻值為R的實心電阻可以等效于電阻R,寄生電容C和寄生電感L的串聯并聯連接。通常,寄生電容為0.1至0.5pF,而寄生電感為5至8nH。當頻率高于1MHz時,這些寄生電感和電容將不容忽視。

集成電路噪聲

        集成電路產生的噪聲干擾通常有兩種類型:一種是輻射型,另一種是傳導型。這些噪聲尖峰將對連接到同一交流電網的其他電子設備產生更大的影響。噪聲頻譜超過100MHz。在實驗室中,您可以使用高頻示波器(高于100MHz)觀察通用單芯片系統板上集成電路的電源和接地引腳之間的波形,并且您會看到高達數百毫伏的噪聲尖峰。


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