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浅析电路设计中传感器电路内部的七大噪声

2020-10-06 16:31:18

亚博手机网页版        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,我们需要了解传感器电路噪声的来源,以便找出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:

低频噪音

亚博手机网页版        低频噪声主要是由内部导电颗粒的不连续性引起的。特别是对于碳膜电阻器,碳质材料内部有许多微小的颗粒,并且这些颗粒不是连续的。当电流流动时,电阻器的电导率将发生变化,并且电流将发生变化,从而产生类似于接触不良的闪光电弧。。另外,晶体管还可能产生类似的爆裂噪声和闪烁噪声,其机理类似于电阻器中颗粒的不连续性,并且还与晶体管的掺杂程度有关。

半导体器件产生的散粒噪声

        半导体PN结两端的势垒区的电压变化导致该区域中累积的电荷量变化,从而表现出电容效应。当施加的正向电压增加时,N区中的电子和P区中的空穴移动到耗尽区,这相当于给电容器充电。当正向电压降低时,它将使电子和空穴远离耗尽区,这等效于电容器放电。当施加反向电压时,耗尽区沿相反方向变化。当电流流过势垒区时,此变化将导致流过势垒区的电流产生较小的波动,从而产生电流噪声。产生的噪声的大小与温度和频率带宽△f成正比。


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高频热噪声

亚博手机网页版        高频热噪声是由导体内部电子的不规则运动引起的。温度越高,电子运动越剧烈。电子在导体内部的不规则运动将在导体内部形成许多小的电流波动。因为它是无序运动,所以平均总电流为零,但是当将其用作组件(或作为电路的一部分)时,将其连接并放大。电路完成后,内部电流将被放大并变为噪声源,尤其是在高频频段工作的电路的高频热噪声。

        通常在电源频率中,电路的热噪声与通带成正比。通带越宽,电路热噪声的影响越大。以一个1kΩ的电阻为例,如果电路的通带为1MHz,则电阻两端出现的开路电压噪声的好值为4μV(将室温设置为室温T=290K)。噪声的电动势似乎并不大,但是如果将其以106倍的增益连接到放大器电路,则其输出噪声可以达到4V,这对电路产生了很大的干扰。

亚博手机网页版电路板上电磁元件的干扰

        许多电路板具有电磁元件,例如继电器和线圈。当电流通过时,线圈的电感和外壳的分布电容将能量辐射到周围环境,该能量将干扰周围的电路。继电器等组件反复工作,打开和关闭电源时会立即产生反向高压,从而形成瞬时浪涌电流。瞬间的高电压将对电路产生很大影响,并严重干扰电路的正常运行。

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。

        由于半导体材料和制造工艺水平的原因,由于晶体管表面清洁不良而引起的噪声称为闪烁噪声。它与半导体表面上少数载流子的重组有关,表现为发射极电流的波动,其电流噪声频谱密度与频率近似成反比,也称为1/f噪声。它主要在低频(低于kHz)范围内发挥重要作用。

电阻噪声

亚博手机网页版        电阻的干扰来自电阻本身的电感,电容效应和热噪声。例如,电阻值为R的实心电阻可以等效于电阻R,寄生电容C和寄生电感L的串联并联连接。通常,寄生电容为0.1至0.5pF,而寄生电感为5至8nH。当频率高于1MHz时,这些寄生电感和电容将不容忽视。

集成电路噪声

        集成电路产生的噪声干扰通常有两种类型:一种是辐射型,另一种是传导型。这些噪声尖峰将对连接到同一交流电网的其他电子设备产生更大的影响。噪声频谱超过100MHz。在实验室中,您可以使用高频示波器(高于100MHz)观察通用单芯片系统板上集成电路的电源和接地引脚之间的波形,并且您会看到高达数百毫伏的噪声尖峰。


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