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分析傳感器發(fā)出噪聲以及其控制方法

2017-08-03

   傳感器作為自控系統(tǒng)的前沿哨兵,猶如電子眼一般將被測信息接收并轉(zhuǎn)換為有效的電信號,但同時(shí),一些無用信號也攙雜在其中。這些無用信號我們統(tǒng)稱為噪聲。
   應(yīng)該說,噪聲存在于任何電路之中,但它對傳感器電路的影響卻尤為突出。這是因?yàn)椋瑐鞲衅鞯妮敵鲎杩挂话愣己芨?,使其輸出信號衰減厲害,同時(shí),傳感器自容易被噪聲信號淹沒。因此,噪聲的存在必定影響傳感器的精度和分辨率,而傳感器又是檢測自控系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié),
于是勢必影響整個(gè)自控系統(tǒng)的性能。
   由此,噪聲的研究是傳感器電路設(shè)計(jì)中必須考慮的重要環(huán)節(jié),只有有效地抑制、減少噪聲的影響才能有效利用傳感器,才能提高系統(tǒng)的分辨率和精度。
   但噪聲的種類多,成因復(fù)雜,對傳感器的干擾能力也有很大差異,
于是抑制噪聲的方法也不同。下面就傳感器的噪聲問題進(jìn)行較全面的研究。
   2 傳感器的噪聲分析及對策
   傳感器噪聲的產(chǎn)生根源按噪聲源分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲。
   2.1 內(nèi)部噪聲——來自傳感器件和電路元件的噪聲
   2.1.1 熱噪聲
   熱噪聲的發(fā)生機(jī)理是,電阻中自由電子做不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電位差的起伏,

它由溫度引發(fā)且與之呈正比,由下面的奈奎斯特公式表示:

                                

   其中,Vn:噪聲電壓有效值;K:波耳茲曼常數(shù)(1.38×10-23J〃K-1);T:絕對溫度(K);B:系統(tǒng)的頻帶寬度(Hz);R:噪聲源阻值(Ω)。    噪聲源包括傳感器自身內(nèi)阻,電路電阻元件等。   由公式(1)可見,熱噪聲由于來自器件自身,從而無法根本消除,宜盡可能選擇阻值較小的 電阻.


   同時(shí),熱噪聲與頻率大小無關(guān),但與頻帶寬成正比,即,對應(yīng)不同的頻率有均勻功率分布,
故,也稱白噪聲。因此,選擇窄頻帶的放大器和相敏檢出器可有效降低噪聲。
   2.1.2 放大器的噪聲
                                    
 


 
  

2.1.3 散粒噪聲  

     散粒噪聲的噪聲源為晶體管,其機(jī)理是由到達(dá)電極的帶電粒子的波動(dòng)引起電流的波動(dòng)形成的。噪聲電流In與到達(dá)電極的電流I及頻帶寬度B成正比,可表示為: 

                             

   由此可見,使用雙極型晶體管的前置放大器來放大傳感器的輸出信號的場合,選Ic取值盡可能小。同時(shí),也可選擇窄頻帶的放大器降低散粒噪聲電流。  

 2.1.4 1/f噪聲

   1/f噪聲和熱噪聲是傳感器內(nèi)部的主要噪聲源,但其產(chǎn)生機(jī)理目前還有爭議,一般認(rèn)為它是一種體噪聲,而不是表面效應(yīng),源于晶格散射引起。在晶體管的P-N附近是電子-空穴再復(fù)合的不規(guī)則性產(chǎn)生的噪聲,該噪聲的功率分布與頻率成反比,并由此而得名。其噪聲電壓表示為:   

                                         

 Hooge還在1969年提出了一個(gè)解釋1/f噪聲的經(jīng)驗(yàn)公式:

                                              

    式中,SRH和SVH為相應(yīng)于電阻起伏和電壓起伏的功率噪聲密度,V為加在R上的偏壓,N為總的自由載流子數(shù),α叫Hooge因子,是一個(gè)與器件尺寸無關(guān)的常數(shù),它是一個(gè)判斷材料性能的重要參數(shù)。   對于矩形電阻,總的自由載流子數(shù)N=PLWH,其中,P為載流子濃度,L、W、H為電阻的長、寬、厚。 

  因此,我們可以得出:1/f
噪聲與力敏電阻的幾何參數(shù)有關(guān),一般對某確定的材料,擴(kuò)大電阻面積可以使N增加、減小1/f
噪聲。同時(shí),實(shí)驗(yàn)表明:一味增加尺寸將降低靈敏度,增加噪聲譜振動(dòng)幅度,而選L/W=10,L在100μm~200μm較合適。
   同時(shí),1/f噪聲與材料也有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明:單晶硅明顯好于微晶硅,
而微晶硅略好于多晶硅。主要原因在于,單晶硅具有較完整的晶格結(jié)構(gòu)。材料因數(shù)引起的1/f
噪聲除了晶格缺陷外,材料中的氫原子或原子團(tuán)的移動(dòng)和晶粒的邊界也是引起1/f噪聲的另一個(gè)主要原因。
   由以上公式可知,載流子濃度與1/f
噪聲成反比,而不同的摻雜濃度對應(yīng)著不同的載流子濃度,因此摻雜濃度也是影響1/f噪聲的因數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明,摻雜濃度每增加10倍,1/f
噪聲降低36%~50%,但攙雜濃度一般選為5×1015cm-2。
   2.1.5 開關(guān)器件產(chǎn)生的噪聲
   一般在使用模擬多路開關(guān)使眾多的傳感器輸出交替使用一個(gè)放大器電路的場合(如MOS
型圖像傳感器),開關(guān)的開、合產(chǎn)生相應(yīng)的噪聲干擾,而疊加到輸出信號中。
   對開關(guān)噪聲的抑止通常用設(shè)置相應(yīng)的偽傳感器電路的方法。
   2.2 外部噪聲
   外部噪聲是由傳感器電路外的人為或自然干擾造成的。主要原因就是電磁輻射。
其噪聲源十分
廣泛,幾乎包括所有的電氣、電力機(jī)械,還有雷電、大氣電離等自然現(xiàn)象,同時(shí),系統(tǒng)中的模數(shù)部分有公共接地、公共電源時(shí),數(shù)字信號的頻繁電流變化在模擬電路中產(chǎn)生噪聲,
它們通過靜電耦合、電磁耦合和漏電電流等形式存在于傳感器的電路中,如圖1所示.


                                      


 針對以上成因,需要對傳感器電路采取靜電屏蔽和磁場屏蔽,從而減少噪聲源與傳感電路間的靜電和磁的耦合度,達(dá)到抑制外來噪聲的目的。通常采取的措施有:   2.2.1 模數(shù)混合電路的處理   要求將模擬電路和數(shù)字電路的電源、地線分別獨(dú)立開來,并使數(shù)字電路的直流電源的內(nèi)阻盡可能小些,以減少數(shù)字信號對模擬回路的影響。 


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