探讨传感器电路噪声的主要来源

   2024-04-19 工业品商城5
核心提示:电路设计在决定传感器性能优劣方面起到了举足轻重的作用,尤其考虑到传感器输出的信号往往极其微弱,处理不当很容易因噪声干扰而将有用信号掩盖,如此不免得不偿失。因此,加强传感器电路的抗干扰设计显得至关重要。在此之前,我们需要先深入理解传感器电路噪声的来源,以便找到更为行之有效的降噪方法。总的来看,传感器电

    电路设计在决定传感器性能优劣方面起到了举足轻重的作用,尤其考虑到传感器输出的信号往往极其微弱,处理不当很容易因噪声干扰而将有用信号掩盖,如此不免得不偿失。因此,加强传感器电路的抗干扰设计显得至关重要。在此之前,我们需要先深入理解传感器电路噪声的来源,以便找到更为行之有效的降噪方法。总的来看,传感器电路噪声主要包括以下七类:

1. 低频噪声

    低频噪声主要源于内部导电微粒的不连续性。例如,碳膜电阻中的碳质材料内部含有大量微小颗粒,这些颗粒之间的连接并非连续,当电流经过时,电阻的导电率会随之发生变化,进而引发电流的波动,产生类似接触不良的闪爆电弧现象。此外,晶体管也可能产生类似的爆裂噪声和闪烁噪声,其产生机制与电阻中微粒的不连续性相似,同时还受到晶体管掺杂程度的影响。

2. 半导体器件产生的散粒噪声

    半导体PN结两端势垒区电压的变化会导致累积在此区域的电荷数量发生改变,从而显现出电容效应。当施加正向电压增大时,N区的电子和P区的空穴向耗尽区移动,宛如在给电容充电;当正向电压减小时,它们则远离耗尽区,像是给电容进行放电操作。当外部施加反向电压时,耗尽区的变化方向恰好相反。当电流穿越势垒区时,这类变化会引发流过该区域的电流呈现出细微波动,从而产生电流噪声。该噪声的大小与温度以及频带宽度△f成正比例关系。

3. 高频热噪声

    高频热噪声是由导电体内电子的无规则运动所引发的。随着温度的上升,电子的运动愈发活跃。导体内部电子的无规则运动在其内部形成众多微小的电流波动,由于其运动的随机性,使得服务出现问题,请稍后再试。

晶体管所产生的噪音,主要由热噪音、散粒噪音以及闪烁噪音组成。

4,热噪音主要源于载流子在半导体器件内部的随机热运动过程中所经过的各层次的电阻,以及相应的线路电阻,这些因素共同作用下形成。尤其需要注意的是,体电阻rbb所产生的噪声可以视为主要来源。

    其次,我们通常所提及的晶体管中的电流,仅仅是一个平均值。然而,实际情况却是,通过发射结注入到基区的载流子数量在每一时刻都是不同的,这导致了发射极电流或者集电极电流出现无规律的波动,从而产生了散粒噪音。

5,由于半导体材料及其制造工艺水平的限制,晶体管表面的清洁处理可能无法达到理想状态,由此引发的噪声被称之为闪烁噪音。这种噪音与半导体表面少数载流子的复合过程密切相关,具体表现为发射极电流的起伏不定,其电流噪声谱密度与频率呈现出近似的反比例关系,也被称为1/f噪音。这种噪音主要在低频(千赫兹以下)范围内发挥主导作用。

    关于电阻器的噪音问题,电阻的干扰主要源于电阻中的电感、电容效应以及电阻自身的热噪音。以一个阻值为R的实心电阻为例,它可以等效为电阻R、寄生电容C、寄生电感L的串联与并联组合。一般而言,寄生电容的数值约为0.1~0.5皮法,寄生电感则在5~8纳亨左右。当工作频率超过1兆赫兹时,这些寄生参数将变得不容忽视。

   各种类型的电阻都会产生热噪音,对于一个阻值为R的电阻(或者晶体管的体电阻、场效应管的沟道电阻),在未接入电路之前,在带宽B内所产生的热噪音电压可以表示为:

6,k代表玻尔兹曼常数,T则表示绝对温度(单位:开尔文)。热噪音电压本身是一个非周期性变化的时间函数,因此,它的频率覆盖范围非常广泛。正因为如此,宽频带放大电路受到噪音的影响要远大于窄频带。

7,电阻还会产生接触噪音,其接触噪音电压可以表示为:

    其中,I表示流经电阻的电流均方根,f表示中心频率,k则是与材料的几何形状相关的常数。由于Vc在低频段具有重要的影响力,因此,它成为低频传感器电路的主要噪音源头。

    关于集成电路的噪音问题,集成电路的噪音干扰通常分为两种形式:一种是辐射式,另一种是传导式。这些噪音尖刺对连接在同一交流电网中的其他电子设备可能造成严重影响。噪音频谱可延伸至100兆赫兹以上。在实验室环境中,使用高频示波器(100兆赫兹以上)观测普通单片机系统板上某一集成电路电源与地引脚之间的波形,可以发现噪音尖刺峰-峰值可高达数百毫伏乃至伏特级别。


 
 
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