傳感器電路抗干擾設計的各個(gè)方法介紹

傳感器電路通常用來(lái)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部一些無(wú)規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(méi)，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計中，往往抗干擾設計是傳感器電路設計是否成功的關(guān)鍵。

1、傳感器電路的內部噪聲

1．1高頻熱噪聲

高頻熱噪聲是由于導電體內部電子的無(wú)規則運動(dòng)產(chǎn)生的。溫度越高，電子運動(dòng)就越激烈。導體內部電子的無(wú)規則運動(dòng)會(huì )在其內部形成很多微小的電流波動(dòng)，因其是無(wú)序運動(dòng)，故它的平均總電流為零，但當它作為一個(gè)元件（或作為電路的一部分）被接入放大電路后，其內部的電流就會(huì )被放大成為噪聲源，特別是對工作在高頻頻段內的電路高頻熱噪聲影響尤甚。

通常在工頻內，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，電路熱噪聲電壓的有效值：。以一個(gè)1kΩ的電阻為例，如果電路的通頻帶為1MHz，則呈現在電阻兩端的開(kāi)路電壓噪聲有效值為4μV（設溫度為室溫T=290K）?？雌饋?lái)噪聲的電動(dòng)勢并不大，但假設將其接入一個(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部的導電微粒不連續造成的。特別是碳膜電阻，其碳質(zhì)材料內部存在許多微小顆粒，顆粒之間是不連續的，在電流流過(guò)時(shí)，會(huì )使電阻的導電率發(fā)生變化引起電流的變化，產(chǎn)生類(lèi)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)生機理與電阻中微粒的不連續性相近，也與晶體管的摻雜程度有關(guān)。

1．3半導體器件產(chǎn)生的散粒噪聲

由于半導體PN結兩端勢壘區電壓的變化引起累積在此區域的電荷數量改變，從而顯現出電容效應。當外加正向電壓升高時(shí)，N區的電子和P區的空穴向耗盡區運動(dòng)，相當于對電容充電。當正向電壓減小時(shí)，它又使電子和空穴遠離耗盡區，相當于電容放電。當外加反向電壓時(shí)，耗盡區的變化相反。當電流流經(jīng)勢壘區時(shí)，這種變化會(huì )引起流過(guò)勢壘區的電流產(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(xiàn)圈等電磁元件，在電流通過(guò)時(shí)其線(xiàn)圈的電感和外殼的分布電容向周?chē)椛淠芰?，其能量?huì )對周?chē)碾娐樊a(chǎn)生干擾。像繼電器等元件其反復工作，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，這種瞬間的高壓對電路將產(chǎn)生極大的沖擊，從而嚴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0．1～0．5pF，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(lèi)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內所產(chǎn)生的熱噪聲電壓為：

式中：k為玻爾茲曼常數；T是溫度（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，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。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則的熱運動(dòng)通過(guò)BJT內3個(gè)區的體電阻及相應的引線(xiàn)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)射結注入到基區的載流子數目，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)規則的波動(dòng)，會(huì )產(chǎn)生散粒噪聲。

由于半導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(chēng)為閃爍噪聲。它與半導體表面少數載流子的復合有關(guān)，表現為發(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(chēng)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)上的其他電子設備會(huì )產(chǎn)生較大影響。噪聲頻譜擴展至100MHz以上。在實(shí)驗室中，可以用高頻示波器（100MHz以上）觀(guān)察一般單片機系統板上某個(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-峰值可達數百毫伏甚至伏級。

2、傳感器電路的外部干擾

2．1電源的干擾

大多數電子電路的直流電源是由電網(wǎng)交流電源經(jīng)濾波、穩壓后提供的。如果電源系統沒(méi)有經(jīng)過(guò)凈化，會(huì )對測試系統產(chǎn)生干擾。同時(shí)，在傳感器測試系統附近的大型交流電力設備的啟停將產(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。如果這些干擾信號沿著(zhù)交流電源線(xiàn)進(jìn)入傳感器接口電路內部，將會(huì )干擾其正常工作，影響系統的測試精度。

2.2地線(xiàn)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，當各部分電路的電流均流過(guò)公共地電阻（地線(xiàn)導體阻）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。同時(shí)，在遠距離測量中，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(lái)源一般是設備對地漏電、地電位差、線(xiàn)路本身具有對地干擾等。由于線(xiàn)路的不平衡狀態(tài)，共模干擾會(huì )轉換成常模干擾，較難除掉。

2．3信號通道的干擾

通常傳感器設在生產(chǎn)現場(chǎng)，而顯示、記錄等測量裝置安裝在離現場(chǎng)有一定距離的控制室內，這樣需要很長(cháng)的信號傳輸線(xiàn)，信號在傳輸的過(guò)程中很容易受到干擾，導致所傳輸的信號發(fā)生畸變或失真。長(cháng)線(xiàn)信號傳輸所遇到的干擾有：

（1）周?chē)臻g電磁場(chǎng)對長(cháng)線(xiàn)的電磁感應干擾。

（2）信號線(xiàn)間的串擾。當強信號線(xiàn)（或信號變化速度很快的線(xiàn)）與弱信號線(xiàn)靠得很近時(shí)，通過(guò)線(xiàn)間分布電容和互感產(chǎn)生線(xiàn)間干擾。

（3）長(cháng)線(xiàn)信號的地線(xiàn)干擾。信號線(xiàn)越長(cháng)，則信號地線(xiàn)也越長(cháng)，即地線(xiàn)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）區域空間中通信設備、電視、雷達等通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射強烈的電磁波；

（3）局部空間電磁波對電路、設備產(chǎn)生的干擾，如氖燈、熒光燈等氣體放電設施產(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根據不同工作頻率合理選擇噪聲低的半導體元器件

在低頻段，晶體管由于存在勢壘電容和擴散電容等問(wèn)題，噪聲較大。而結型場(chǎng)效應管因為是多數載流子導電，不存在勢壘區的電流不均勻問(wèn)題。而且柵極與導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采用場(chǎng)效應管，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體元件，一定要經(jīng)過(guò)對比選擇，即使型號相同的半導體器件參數也是有差別的。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根據不同的工作頻段、參數選擇適當的放大電路

選擇適當的放大電路不僅對本級電路有直接影響，對整個(gè)電路的工作參數、工作狀態(tài)都會(huì )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。因此根據不同的電路對參數應有不同要求，選擇好的電路，不僅可以簡(jiǎn)化線(xiàn)路結構，同時(shí)也可以減少噪聲對整個(gè)電路的干擾。在電路性能參數允許的條件下，盡可能采用抗干擾n力較好的數字電路。

3．3傳感器電路中加入濾波環(huán)節

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，故可在電路中加入濾波環(huán)節，濾除或盡可能衰減干擾信號，以達到提高信噪比抑制干擾的目的。濾波技術(shù)對抑制經(jīng)導線(xiàn)耦合到電路的干擾特別有效，將相應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(dòng)檢測系統中常用的濾波器有：

（1）RC濾波器。當信號源為熱電偶、應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(wú)源RC濾波器將會(huì )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(lái)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(gè)電路所共用，為了避免通過(guò)電源內阻造成幾個(gè)電路間相互干擾，應該在每個(gè)電路的直流電源上加上RC或LC退耦濾波器，用來(lái)濾除低頻噪聲。

3．4通過(guò)負反饋電路來(lái)抑制噪聲

負反饋電路可以通過(guò)反饋信號的取樣、控制來(lái)穩定電路，提高放大器的信噪比，使放大電路的動(dòng)態(tài)性能獲得多方面的改善。負反饋信號可以穩定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，從而穩定電路的溫度、電流、電壓等多項參數。在多級電路中，*級電路因為是原始小信號，因此經(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)電路往往是不加負反饋的。所以*級電路產(chǎn)生的噪聲只能通過(guò)后級的負反饋電路來(lái)抑制。對于多級電路而言，通過(guò)負反饋信號穩定本級的靜態(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，負反饋電路是抑制噪聲的一個(gè)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。當流過(guò)偏置電阻的直流電流過(guò)大時(shí)就會(huì )使能量過(guò)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(guò)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。