傳感器的噪聲及其抑制方法

詳細分析了傳感器電路的噪聲源，給出了實際的解決方法如屏蔽、隔離等，以及濾波、檢波等信號處理電路。
關鍵詞：傳感器，噪聲，信號處理

1 引 言
　　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換為有效的電信號，但同時，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。這是因為，傳感器的輸出阻抗一般都很高，使其輸出信號衰減厲害，同時，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)，于是勢必影響整個自控系統(tǒng)的性能。
　　由此，噪聲的研究是傳感器電路設計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
　　傳感器噪聲的產生根源按噪聲源分為內部噪聲和外部噪聲。
2．1　內部噪聲——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)生機理是，電阻中自由電子做不規(guī)則的熱運動時產生電位差的起伏，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（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，熱噪聲與頻率大小無關，但與頻帶寬成正比，即，對應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，其機理是由到達電極的帶電粒子的波動引起電流的波動形成的。噪聲電流In與到達電極的電流Ic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，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部的主要噪聲源，但其產生機理目前還有爭議，一般認為它是一種體噪聲，而不是表面效應，源于晶格散射引起。在晶體管的P－N附近是電子－空穴再復合的不規(guī)則性產生的噪聲，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年提出了一個解釋1／f噪聲的經驗公式：

式中，SRH和SVH為相應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，α叫Hooge因子，是一個與器件尺寸無關的常數，它是一個判斷材料性能的重要參數。
　　對于矩形電阻，總的自由載流子數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有關，一般對某確定的材料，擴大電阻面積可以使N增加、減小1／f噪聲。同時，實驗表明：一味增加尺寸將降低靈敏度，增加噪聲譜振動幅度，而選L／W＝10，L在100μm～200μm較合適。
　　同時，1／f噪聲與材料也有關。實驗表明：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構。材料因數引起的1／f噪聲除了晶格缺陷外，材料中的氫原子或原子團的移動和晶粒的邊界也是引起1／f噪聲的另一個主要原因。
　　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。實驗表明，摻雜濃度每增加10倍，1／f噪聲降低36％～50％，但最佳攙雜濃度一般選為5×1015cm－2。
2．1．5　開關器件產生的噪聲
　　一般在使用模擬多路開關使眾多的傳感器輸出交替使用一個放大器電路的場合（如MOS型圖像傳感器），開關的開、合產生相應的噪聲干擾，而疊加到輸出信號中。
　　對開關噪聲的抑止通常用設置相應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、電力機械，還有雷電、大氣電離等自然現象，同時，系統(tǒng)中的模數部分有公共接地、公共電源時，數字信號的頻繁電流變化在模擬電路中產生噪聲，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，達到抑制外來噪聲的目的。通常采取的措施有：
2．2．1　模數混合電路的處理
　　要求將模擬電路和數字電路的電源、地線分別獨立開來，并使數字電路的直流電源的內阻盡可能小些，以減少數字信號對模擬回路的影響。
2．2．2　抗雜散電磁場的干擾
　　屏蔽是減少外界的噪聲干擾的主要方法。屏蔽就是用低電阻材料把元件、傳輸導線、電路及組合件包圍起來，以隔離內外電磁或電場的相互干擾。
屏蔽一般分三種：電場屏蔽，磁場屏蔽，電磁屏蔽。
　　電場屏蔽主要用來防止元器件或電路間因分布電容耦合產生的干擾。一般選用高電導率的材料如銅、鐵等金屬。電場屏蔽體必須可靠接地。
　　磁場屏蔽主要用來消除元器件或電路間因磁場寄生耦合產生的干擾。一般選用高磁導率的材料如軟鐵、坡莫合金等。
　　電磁屏蔽主要用來防止高頻電磁場的干擾，因此使用高電導率的材料如銅、銀等金屬是有效的，它們是利用電磁場在屏蔽金屬內部產生渦流吸收其能量而達到屏蔽的目的。