淺析電路設計中傳感器電路內部的七大噪聲
發布時間:2018-11-13 責任編輯:lina
【導讀】電路設計是傳感器性xing能neng是shi否fou優you越yue的de關guan鍵jian因yin素su,由you於yu傳chuan感gan器qi輸shu出chu端duan都dou是shi很hen微wei小xiao的de信xin號hao,如ru果guo因yin為wei噪zao聲sheng導dao致zhi有you用yong的de信xin號hao被bei淹yan沒mei,那na就jiu得de不bu償chang失shi了le,所suo以yi加jia強qiang傳chuan感gan器qi電dian路lu的de抗kang幹gan擾rao設she計ji尤you為wei重zhong要yao。在zai這zhe之zhi前qian,我wo們men必bi須xu了le解jie傳chuan感gan器qi電dian路lu噪zao聲sheng的de來lai源yuan,以yi便bian找zhao出chu更geng好hao的de方fang法fa來lai降jiang低di噪zao聲sheng。
dianlushejishichuanganqixingnengshifouyouyuedeguanjianyinsu,youyuchuanganqishuchuduandoushihenweixiaodexinhao,ruguoyinweizaoshengdaozhiyouyongdexinhaobeiyanmei,najiudebuchangshile,suoyijiaqiangchuanganqidianludekangganraoshejiyouweizhongyao。zaizhezhiqian,womenbixulejiechuanganqidianluzaoshengdelaiyuan,yibianzhaochugenghaodefangfalaijiangdizaosheng。總的來說,傳感器電路噪聲主要有一下七種:
低頻噪聲
低(di)頻(pin)噪(zao)聲(sheng)主(zhu)要(yao)是(shi)由(you)於(yu)內(nei)部(bu)的(de)導(dao)電(dian)微(wei)粒(li)不(bu)連(lian)續(xu)造(zao)成(cheng)的(de)。特(te)別(bie)是(shi)碳(tan)膜(mo)電(dian)阻(zu),其(qi)碳(tan)質(zhi)材(cai)料(liao)內(nei)部(bu)存(cun)在(zai)許(xu)多(duo)微(wei)小(xiao)顆(ke)粒(li),顆(ke)粒(li)之(zhi)間(jian)是(shi)不(bu)連(lian)續(xu)的(de),在(zai)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)時(shi),會(hui)使(shi)電(dian)阻(zu)的(de)導(dao)電(dian)率(lv)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)引(yin)起(qi)電(dian)流(liu)的(de)變(bian)化(hua),產(chan)生(sheng)類(lei)似(si)接(jie)觸(chu)不(bu)良(liang)的(de)閃(shan)爆(bao)電(dian)弧(hu)。另(ling)外(wai),晶(jing)體(ti)管(guan)也(ye)可(ke)能(neng)產(chan)生(sheng)相(xiang)似(si)的(de)爆(bao)裂(lie)噪(zao)聲(sheng)和(he)閃(shan)爍(shuo)噪(zao)聲(sheng),其(qi)產(chan)生(sheng)機(ji)理(li)與(yu)電(dian)阻(zu)中(zhong)微(wei)粒(li)的(de)不(bu)連(lian)續(xu)性(xing)相(xiang)近(jin),也(ye)與(yu)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)摻(chan)雜(za)程(cheng)度(du)有(you)關(guan)。
半導體器件產生的散粒噪聲
由於半導體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,N區的電子和P區qu的de空kong穴xue向xiang耗hao盡jin區qu運yun動dong,相xiang當dang於yu對dui電dian容rong充chong電dian。當dang正zheng向xiang電dian壓ya減jian小xiao時shi,它ta又you使shi電dian子zi和he空kong穴xue遠yuan離li耗hao盡jin區qu,相xiang當dang於yu電dian容rong放fang電dian。當dang外wai加jia反fan向xiang電dian壓ya時shi,耗hao盡jin區qu的de變bian化hua相xiang反fan。當dang電dian流liu流liu經jing勢shi壘lei區qu時shi,這zhe種zhong變bian化hua會hui引yin起qi流liu過guo勢shi壘lei區qu的de電dian流liu產chan生sheng微wei小xiao波bo動dong,從cong而er產chan生sheng電dian流liu噪zao聲sheng。其qi產chan生sheng噪zao聲sheng的de大da小xiao與yu溫wen度du、頻帶寬度△f成正比。
高頻熱噪聲
gaopinrezaoshengshiyouyudaodiantineibudianzidewuguizeyundongchanshengde。wenduyuegao,dianziyundongjiuyuejilie。daotineibudianzidewuguizeyundonghuizaiqineibuxingchenghenduoweixiaodedianliubodong,yinqishiwuxuyundong,gutadepingjunzongdianliuweiling,dandangtazuoweiyigeyuanjian(或作為電路的一部分)被接入放大電路後,其內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。以一個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路電壓噪聲有效值為4μV(設溫度為室溫T=290K)。看起來噪聲的電動勢並不大,但假設將其接入一個增益為106倍的放大電路時,其輸出噪聲可達4V,這時對電路的幹擾就很大了。
電路板上的電磁元件的幹擾
許多電路板上都有繼電器、xianquandengdianciyuanjian,zaidianliutongguoshiqixianquandedianganhewaikedefenbudianrongxiangzhouweifushenengliang,qinenglianghuiduizhouweidedianluchanshengganrao。xiangjidianqidengyuanjianqifanfugongzuo,tongduandianshihuichanshengshunjiandefanxianggaoya,xingchengshunshilangyongdianliu,zhezhongshunjiandegaoyaduidianlujiangchanshengjidadechongji,congeryanzhongganraodianludezhengchanggongzuo。
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。
熱噪聲是由於載流子不規則的熱運動通過BJT內3個區的體電阻及相應的引線電阻時而產生。其中rbb所產生的噪聲是主要的。
通常所說的BJTzhongdedianliu,zhishiyigepingjunzhi。shijishangtongguofashejiezhurudaojiqudezailiuzishumu,zaigegeshunshidoubuxiangtong,yinerfashejidianliuhuojidianjidianliudouyouwuguizedebodong,huichanshengsanlizaosheng。
youyubandaoticailiaojizhizaogongyishuipingshidejingtiguanbiaomianqingjiechulibuhaoeryinqidezaoshengchengweishanshuozaosheng。tayubandaotibiaomianshaoshuzailiuzidefuheyouguan,biaoxianweifashejidianliudeqifu,qidianliuzaoshengpumiduyupinlvjinsichengfanbi,youcheng1/f噪聲。它主要在低頻(kHz以下)範圍起主要作用。
電阻器的噪聲
電阻的幹擾來自於電阻中的電感、電容效應和電阻本身的熱噪聲。例如一個阻值為R的實芯電阻,可等效為電阻R、寄生電容C、寄生電感L的串並聯。一般來說,寄生電容為0.1~0.5pF,寄生電感為5~8nH。在頻率高於1MHz時,這些寄生電感電容就不可忽視了。
各類電阻都會產生熱噪聲,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,在頻帶寬度B內所產生的熱噪聲電壓為:
式中:k為玻爾茲曼常數;T是絕對溫度(單位:K)。熱噪聲電壓本身是一個非周期變化的時間函數,因此,它的頻率範圍是很寬廣的。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的常數。由於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。
集成電路的噪聲
集成電路的噪聲幹擾一般有兩種:一種是輻射式,一種是傳導式。這些噪聲尖刺對於接在同一交流電網上的其他電子設備會產生較大影響。噪聲頻譜擴展至100MHz以上。在實驗室中,可以用高頻示波器(100MHz以上)觀察一般單片機係統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-峰值可達數百毫伏甚至伏級。
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