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噪声传感器的噪音分析及其调节噪声的相关小技巧

作者:多功能噪声频谱分析仪厂家 时间:2019-06-05 04:39   

随着时代的不断发展,噪声传感器逐渐走进我们的生活中,被越来越多的人开始熟知,不仅性能优良,而且它的使用寿命也是相当长久的,在当前的社会算是很常见的了,那么对于它的知识您想深入的去了解吗?下面我们就“噪声传感器的噪音分析及其调节噪声的相关小技巧”来详细了解下。



【噪声传感器内部的噪声有哪些】


  传感器在我们的工业区当中使用非常广泛,目前很多企业都在使用,不断地提高工作效率,那么,传感器电路内部的七大噪声有哪些呢?接下来,我们看看力准传感技术开元棋牌的工程师如何介绍传感器电路内部的七大噪声。

 传感器电路内部的七大噪声


 低频噪声


  低频噪声主要是由于内部的导电微粒不连续造成的。特别是碳膜电阻,其碳质材料内部存在许多微小颗粒,颗粒之间是不连续的,在电流流过时,会使电阻的导电率发生变化引起电流的变化,产生类似接触不良的闪爆电弧。另外,晶体管也可能产生相似的爆裂噪声和闪烁噪声,其产生机理与电阻中微粒的不连续性相近,也与晶体管的掺杂程度有关。


  半导体器件产生的散粒噪声


  由于半导体PN结两端势垒区电压的变化引起累积在此区域的电荷数量改变,从而显现出电容效应。当外加正向电压升高时,N区的电子和P区的空穴向耗尽区运动,相当于对电容充电。当正向电压减小时,它又使电子和空穴远离耗尽区,相当于电容放电。当外加反向电压时,耗尽区的变化相反。


       当电流流经势垒区时,这种变化会引起流过势垒区的电流产生微小波动,从而产生电流噪声。其产生噪声的大小与温度、频带宽度△f成正比。


 高频热噪声


  高频热噪声是由于导电体内部电子的无规则运动产生的。温度越高,电子运动就越激烈。导体内部电子的无规则运动会在其内部形成很多微小的电流波动,因其是无序运动,故它的平均总电流为零。


       但当它作为一个元件(或作为电路的一部分)被接入放大电路后,其内部的电流就会被放大成为噪声源,特别是对工作在高频频段内的电路高频热噪声影响尤甚。


  通常在工频内,电路的热噪声与通频带成正比,通频带越宽,电路热噪声的影响就越大。以一个1kΩ的电阻为例,如果电路的通频带为1MHz,则呈现在电阻两端的开路电压噪声有效值为4μV(设温度为室温T=290K)。


       看起来噪声的电动势并不大,但假设将其接入一个增益为106倍的放大电路时,其输出噪声可达4V,这时对电路的干扰就很大了。


 电路板上的电磁元件的干扰


  许多电路板上都有继电器、线圈等电磁元件,在电流通过时其线圈的电感和外壳的分布电容向周围辐射能量,其能量会对周围的电路产生干扰。


       像继电器等元件其反复工作,通断电时会产生瞬间的反向高压,形成瞬时浪涌电流,这种瞬间的高压对电路将产生极大的冲击,从而严重干扰电路的正常工作。


  晶体管的噪声


  晶体管的噪声主要有热噪声、散粒噪声、闪烁噪声。


  热噪声是由于载流子不规则的热运动通过BJT内3个区的体电阻及相应的引线电阻时而产生。其中'所产生的噪声是主要的。


  通常所说的BJT中的电流,只是一个平均值。实际上通过发射结注入到基区的载流子数目,在各个瞬时都不相同,因而发射极电流或集电极电流都有无规则的波动,会产生散粒噪声。


  由于半导体材料及制造工艺水平使得晶体管表面清洁处理不好而引起的噪声称为闪烁噪声。它与半导体表面少数载流子的复合有关,表现为发射极电流的起伏,其电流噪声谱密度与频率近似成反比,又称1/f噪声。它主要在低频(kHz以下)范围起主要作用。


 电阻器的噪声


  电阻的干扰来自于电阻中的电感、电容效应和电阻本身的热噪声。例如一个阻值为R的实芯电阻,可等效为电阻R、寄生电容C、寄生电感L的串并联。一般来说,寄生电容为0.1~0.5pF,寄生电感为5~8nH。在频率高于1MHz时,这些寄生电感电容就不可忽视了。


  各类电阻都会产生热噪声,一个阻值为R的电阻(或BJT的体电阻、FET的沟道电阻)未接入电路时,在频带宽度B内所产生的热噪声电压为:


  式中:k为玻尔兹曼常数;T是温度(单位:K)。热噪声电压本身是一个非周期变化的时间函数,因此,它的频率范围是很宽广的。所以宽频带放大电路受噪声的影响比窄频带大。


  集成电路的噪声


  集成电路的噪声干扰一般有两种:一种是辐射式,一种是传导式。这些噪声尖刺对于接在同一交流电网上的其他电子设备会产生较大影响。噪声频谱扩展至100MHz以上。


       在实验室中,可以用高频示波器(100MHz以上)观察一般单片机系统板上某个集成电路电源与地引脚之间的波形,会看到噪声尖刺峰-峰值可达数百毫伏甚至伏级。


【传感器电路中低噪声信号调理方法介绍】


接近传感器电路的低噪声信号调理



开元棋牌 随着模数转换器和数模转换器分辨率的提高以及电源电压的降低,有效位(LSB)变得更小,这使得信号调理任务变得更加困难。由于信号大小更接近于本底噪声,因此,必须对外部和内部噪声源(包括Johnson、散粒、宽带、闪烁和EMI)进行处理。


1、不相关的噪声源采用平方根和(RSS)的形式进行叠加 :


(1)另一方面,其它相关噪声源,如输入偏置电流消除等,必须采用带有相关因子的RSS形式进行叠加。


(2)所示的是典型信号调理电路中的噪声源,以及可用于反相、同相、差分及其它通用配置的通用公式。


  2、正确的设计方法


从接近传感器及其特征噪声、阻抗、响应和信号幅度入手,实现的折合到输入端(RTI)噪声将能够优化信噪比(SNR)。


与先解决增益和功耗需求、然后再努力应对噪声问题的方法相比,围绕着低噪声来解决问题将更加有效。这是一个重复的过程,首先考虑放大器的工作区:宽带或1/f。接着,挑选合适的有源器件,设计的噪声特性。在放大器周围放置无源器件,并限制带宽。然后分析非噪声需求,如输入阻抗、电源电流和开环增益。如果没有达到噪声指标,则重复这一过程,直到获得可以接受的解决方案为止。


 3、运算放大器的选择


在一些情况下,宽带噪声为22nV/的运算放大器可能优于宽带噪声为10nV/的器件。如果接近传感器工作在极低的频率下,那么,具有低1/f噪声的放大器可能是的。


 4、轨到轨输入


对于低压设计来说,轨到轨(RR)输出和输入可能是适合的。当共模输入从一条轨转到另一条轨时,一个差分输入对停止工作,另一个差分输入对则接着工作。失调电压和输入偏置电流可能突然变化,引起如所示的失真。对于低噪声设计来说,请检查对轨到轨输入特性的需求。


为了解决这个问题,ADI公司的AD8506 等运算放大器使用内部电荷泵来消除输入电压交越失真。如果设计不正确,而使电荷泵产生的噪声落入有用频带时,这些噪声将会出现在输出端,引起问题。


   5、偏置电流消除


新的双极性运算放大器使用一种技术来消除输入偏置电流造成的部分影响,这个技术会增加不相关或相关的电流噪声。对于一些放大器来说,相关噪声可能大于不相关噪声。例如,为ADI公司的OP07增加阻抗平衡电阻,就能改进整体噪声。表1 比较了ADI公司两款广泛应用的运算放大器,一款是用较高电压噪声换取较低电流噪声的OP07,另一款是OP27。


从可获得的低噪声器件中选择三到四个器件。考虑工艺技术,寻找自稳零、斩波和偏置电流消除等专业设计技术。从晶圆照片查看输入晶体管区域,大输入晶体管的噪声较低,但具有大的输入电容,而CMOS和JFET放大器的电流噪声远小于双极性器件。低噪声设计要使用小电阻,所以放大器输出驱动必须足够大,以驱动大负载。


 6、无源元件的选择


选择放大器之后,在放大器周围放置合适的电阻和电容,而这些元件也有噪声。 所示的是使用错误的电阻值所造成的影响。输出噪声随着用于设置增益的电阻的增大而增大。


了解接近传感器的特性是非常重要的。忽略R1和R2的噪声,集中考虑源阻抗R的噪声,显示出当R值较小时,电压噪声占主导地位;当R值为中等大小时,John噪声占主导;当R值较大时,电流噪声的贡献较大。因此,低输出阻抗的接近传感器应该使用小电阻和具有低电压噪声的运算放大器。


除电阻之外,电容也能用于补偿和减小噪声。电抗元件不增加任何噪声,但流经它们的噪声电流将产生噪声电压,影响计算。总之,重要的是在放大器周围使用低阻抗来降低电流噪声、热噪声和EMI杂散干扰拾取的影响。


以上关于“噪声传感器内部的噪声有哪些”和“传感器电路中低噪声信号调理方法介绍”的介绍,希望能让您了解“噪声传感器”带来帮助。

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