詳細(xì)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(guān)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(zhuǎn)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(yīng)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(shè)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(fù)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(chǎn)生根源按噪聲源分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲。

　　2.1　內(nèi)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(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(shù)(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(nèi)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(guān)，但與頻帶寬成正比，即，對應(yīng)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(nèi)部的主要噪聲源，但其產(chǎn)生機理目前還有爭議，一般認(rèn)為它是一種體噪聲，而不是表面效應(yīng)，源于晶格散射引起。在晶體管的P-N附近是電子-空穴再復(fù)合的不規(guī)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年提出了一個解釋1/f噪聲的經(jīng)驗公式：

　　式中，SRH和SVH為相應(yīng)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(shù)，α叫Hooge因子，是一個與器件尺寸無關(guān)的常數(shù)，它是一個判斷材料性能的重要參數(shù)。

　　對于矩形電阻，總的自由載流子數(shù)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(shù)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，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(guān)。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(jié)構(gòu)。材料因數(shù)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(yīng)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(shù)。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(guān)器件產(chǎn)生的噪聲

　　一般在使用模擬多路開關(guān)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(guān)的開、合產(chǎn)生相應(yīng)的噪聲干擾，而疊加到輸出信號中。