傳感器電路抗干擾設(shè)計(jì)的各個方法介紹

傳感器電路通常用來測量微弱的信號，具有很高的靈敏度，但也很容易接收到外界或內(nèi)部一些無規(guī)則的噪聲或干擾信號，如果這些噪聲和干擾的大小可以與有用信號相比較，那么在傳感器電路的輸出端有用信號將有可能被淹沒，或由于有用信號分量和噪聲干擾分量難以分辨，則必將妨礙對有用信號的測量。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)部電子的無規(guī)則運(yùn)動產(chǎn)生的。溫度越高，電子運(yùn)動就越激烈。導(dǎo)體內(nèi)部電子的無規(guī)則運(yùn)動會在其內(nèi)部形成很多微小的電流波動，因其是無序運(yùn)動，故它的平均總電流為零，但當(dāng)它作為一個元件（或作為電路的一部分）被接入放大電路后，其內(nèi)部的電流就會被放大成為噪聲源，特別是對工作在高頻頻段內(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1kΩ的電阻為例，如果電路的通頻帶為1MHz，則呈現(xiàn)在電阻兩端的開路電壓噪聲有效值為4μV（設(shè)溫度為室溫T=290K）?？雌饋碓肼暤碾妱觿莶⒉淮?，但假設(shè)將其接入一個增益為106倍的放大電路時(shí)，其輸出噪聲可達(dá)4V，這時(shí)對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，在電流流過時(shí)，會使電阻的導(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，相當(dāng)于對電容充電。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)勢壘區(qū)時(shí)，這種變化會引起流過勢壘區(qū)的電流產(chǎn)生微小波動，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，其能量會對周圍的電路產(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)。一般來說，寄生電容為0．1～0．5pF，寄生電感為5～8nH。在頻率高于1MHz時(shí)，這些寄生電感電容就不可忽視了。

各類電阻都會產(chǎn)生熱噪聲，一個阻值為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是溫度（單位：K）。熱噪聲電壓本身是一個非周期變化的時(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，電阻還會產(chǎn)生接觸噪聲，其接觸噪聲電壓為：

式中：I為流過電阻的電流均方值；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)動通過BJT內(nèi)3個區(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。

通常所說的BJT中的電流，只是一個平均值。實(shí)際上通過發(fā)射結(jié)注入到基區(qū)的載流子數(shù)目，在各個瞬時(shí)都不相同，因而發(fā)射極電流或集電極電流都有無規(guī)則的波動，會產(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。這些噪聲尖刺對于接在同一交流電網(wǎng)上的其他電子設(shè)備會產(chǎn)生較大影響。噪聲頻譜擴(kuò)展至100MHz以上。在實(shí)驗(yàn)室中，可以用高頻示波器（100MHz以上）觀察一般單片機(jī)系統(tǒng)板上某個集成電路電源與地引腳之間的波形，會看到噪聲尖刺峰-峰值可達(dá)數(shù)百毫伏甚至伏級。

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)沒有經(jīng)過凈化，會對測試系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。同時(shí)，在傳感器測試系統(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。如果這些干擾信號沿著交流電源線進(jìn)入傳感器接口電路內(nèi)部，將會干擾其正常工作，影響系統(tǒng)的測試精度。

2.2地線的干擾

傳感器接口各電路往往共用一個直流電源，或者雖然不共用一個電源，但不同電源之間往往共一個地，因此，當(dāng)各部分電路的電流均流過公共地電阻（地線導(dǎo)體阻）時(shí)便會產(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。同時(shí)，在遠(yuǎn)距離測量中，傳感器和檢測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。共模干擾的來源一般是設(shè)備對地漏電、地電位差、線路本身具有對地干擾等。由于線路的不平衡狀態(tài)，共模干擾會轉(zhuǎn)換成常模干擾，較難除掉。

2．3信號通道的干擾

通常傳感器設(shè)在生產(chǎn)現(xiàn)場，而顯示、記錄等測量裝置安裝在離現(xiàn)場有一定距離的控制室內(nèi)，這樣需要很長的信號傳輸線，信號在傳輸?shù)倪^程中很容易受到干擾，導(dǎo)致所傳輸?shù)男盘柊l(fā)生畸變或失真。長線信號傳輸所遇到的干擾有：

（1）周圍空間電磁場對長線的電磁感應(yīng)干擾。

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

（3）長線信號的地線干擾。信號線越長，則信號地線也越長，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、大氣層的電場變化、電離層變化及太陽黑子的電磁輻射等；

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

（3）局部空間電磁波對電路、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。

3、抑制傳感器電路噪聲的措施

3．1根據(jù)不同工作頻率合理選擇噪聲低的半導(dǎo)體元器件

在低頻段，晶體管由于存在勢壘電容和擴(kuò)散電容等問題，噪聲較大。而結(jié)型場效應(yīng)管因?yàn)槭嵌鄶?shù)載流子導(dǎo)電，不存在勢壘區(qū)的電流不均勻問題。而且柵極與導(dǎo)電溝間的反向電流很小，產(chǎn)生的散粒噪聲很小。故在中、低頻的前級電路中應(yīng)采用場效應(yīng)管，不但可以降低噪聲還可以有較高的輸入阻抗。另外如果需要更換晶體管等半導(dǎo)體元件，一定要經(jīng)過對比選擇，即使型號相同的半導(dǎo)體器件參數(shù)也是有差別的。同樣，電路中的碳膜電阻與金屬膜電阻的噪聲系數(shù)也是不一樣的，金屬膜電阻的噪聲比碳膜的要小，特別是在前級小信號輸入時(shí)，可以考慮用噪聲小的金屬膜電阻。

3．2根據(jù)不同的工作頻段、參數(shù)選擇適當(dāng)?shù)姆糯箅娐?/p>

選擇適當(dāng)?shù)姆糯箅娐凡粌H對本級電路有直接影響，對整個電路的工作參數(shù)、工作狀態(tài)都會產(chǎn)生重要影響。如共射組態(tài)連接時(shí)，電路有較高的放大增益，同時(shí)它的噪聲對后級的影響較小。而共集組態(tài)時(shí)有較高的輸入阻抗同時(shí)也有較好的頻響。因此根據(jù)不同的電路對參數(shù)應(yīng)有不同要求，選擇好的電路，不僅可以簡化線路結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可以減少噪聲對整個電路的干擾。在電路性能參數(shù)允許的條件下，盡可能采用抗干擾n力較好的數(shù)字電路。

3．3傳感器電路中加入濾波環(huán)節(jié)

在放大電路中，頻帶越寬，噪聲也越大，而有用信號的頻率往往在一定范圍內(nèi)，故可在電路中加入濾波環(huán)節(jié)，濾除或盡可能衰減干擾信號，以達(dá)到提高信噪比抑制干擾的目的。濾波技術(shù)對抑制經(jīng)導(dǎo)線耦合到電路的干擾特別有效，將相應(yīng)頻帶的濾波器接入信號傳輸通道中，各種濾波器是抑制差模干擾的有效措施之一。在自動檢測系統(tǒng)中常用的濾波器有：

（1）RC濾波器。當(dāng)信號源為熱電偶、應(yīng)變片等信號變化緩慢的傳感器時(shí)，利用小體積、低成本的無源RC濾波器將會對串模干擾有較好的抑制效果。

（2）交流電源濾波器。電源網(wǎng)絡(luò)吸收了各種高、低頻噪聲，對此常用LC濾波器來抑制混入電源的噪聲，例如100μH的電感、0．1μF的電容組成的高頻濾波器能吸收中短波段的高頻噪聲干擾。

（3）直流電源濾波器。直流電源往往為幾個電路所共用，為了避免通過電源內(nèi)阻造成幾個電路間相互干擾，應(yīng)該在每個電路的直流電源上加上RC或LC退耦濾波器，用來濾除低頻噪聲。

3．4通過負(fù)反饋電路來抑制噪聲

負(fù)反饋電路可以通過反饋信號的取樣、控制來穩(wěn)定電路，提高放大器的信噪比，使放大電路的動態(tài)性能獲得多方面的改善。負(fù)反饋信號可以穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，從而穩(wěn)定電路的溫度、電流、電壓等多項(xiàng)參數(shù)。在多級電路中，*級電路因?yàn)槭窃夹⌒盘枺虼私?jīng)常采用的是有較大增益的共射電路組態(tài)。除非是特殊需要，共射組態(tài)電路往往是不加負(fù)反饋的。所以*級電路產(chǎn)生的噪聲只能通過后級的負(fù)反饋電路來抑制。對于多級電路而言，通過負(fù)反饋信號穩(wěn)定本級的靜態(tài)工作點(diǎn)，可以抑制本級電路噪聲的產(chǎn)生和傳播。因此在多級電路中，負(fù)反饋電路是抑制噪聲的一個重要手段。

3．5抑制和減少輸入端偏置電路的噪聲

輸入端偏置電路噪聲一般是由輸入端偏置分流電阻產(chǎn)生的。當(dāng)流過偏置電阻的直流電流過大時(shí)就會使能量過剩從而產(chǎn)生電流噪聲。如果選擇合適的偏置電路，噪聲就可以通過旁路電容短接入地，可以抑制噪聲輸出，減小對下一級電路的影響。另外的信號源也是電路抗干擾的重要。