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(shí)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(guān)鍵詞：傳感器，噪聲，信號處理

　　1 引 言

　　傳感器作為自控系統的前沿哨兵，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(shí)，一些無(wú)用信號也攙雜在其中。這些無(wú)用信號我們統稱(chēng)為噪聲。

　　應該說(shuō)，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(shí)，傳感器自容易被噪聲信號淹沒(méi)。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的首要環(huán)節，于是勢必影響整個(gè)自控系統的性能。

　　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，只有有效地抑制、減少噪聲的影響才能有效利用傳感器，才能提高系統的分辨率和精度。

　　但噪聲的種類(lèi)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(wèn)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部噪聲和外部噪聲。

　　2.1　內部噪聲——來(lái)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則的熱運動(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(1.38×10-23J·K-1);T：絕對溫度(K);B：系統的頻帶寬度(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(jiàn)，熱噪聲由于來(lái)自器件自身，從而無(wú)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(wú)關(guān)，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(chēng)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(dòng)引起電流的波動(dòng)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(jiàn)，使用雙極型晶體管的前置放大器來(lái)放大傳感器的輸出信號的場(chǎng)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部的主要噪聲源，但其產(chǎn)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(gè)與器件尺寸無(wú)關(guān)的常數，它是一個(gè)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(cháng)、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(guān)，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(shí)，實(shí)驗表明：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)驗表明：?jiǎn)尉Ч杳黠@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(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著(zhù)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(shí)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(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生的噪聲

　　一般在使用模擬多路開(kāi)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(chǎng)合(如MOS型圖像傳感器)，開(kāi)關(guān)的開(kāi)、合產(chǎn)生相應的噪聲干擾，而疊加到輸出信號中。