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(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(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(jī)理是，電阻中自由電子做不規(guī)則的熱運(yùn)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(jī)理是由到達(dá)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(dá)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(jī)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(kuò)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(tuán)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。
　　對開關(guān)噪聲的抑止通常用設(shè)置相應(yīng)的偽傳感器電路的方法。
2．2　外部噪聲
　　外部噪聲是由傳感器電路外的人為或自然干擾造成的。主要原因就是電磁輻射。其噪聲源十分廣泛，幾乎包括所有的電氣、電力機(jī)械，還有雷電、大氣電離等自然現(xiàn)象，同時，系統(tǒng)中的模數(shù)部分有公共接地、公共電源時，數(shù)字信號的頻繁電流變化在模擬電路中產(chǎn)生噪聲，它們通過靜電耦合、電磁耦合和漏電電流等形式存在于傳感器的電路中，如圖1所示。

　　針對以上成因，需要對傳感器電路采取靜電屏蔽和磁場屏蔽，從而減少噪聲源與傳感電路間的靜電和磁的耦合度，達(dá)到抑制外來噪聲的目的。通常采取的措施有：
2．2．1　模數(shù)混合電路的處理
　　要求將模擬電路和數(shù)字電路的電源、地線分別獨(dú)立開來，并使數(shù)字電路的直流電源的內(nèi)阻盡可能小些，以減少數(shù)字信號對模擬回路的影響。
2．2．2　抗雜散電磁場的干擾
　　屏蔽是減少外界的噪聲干擾的主要方法。屏蔽就是用低電阻材料把元件、傳輸導(dǎo)線、電路及組合件包圍起來，以隔離內(nèi)外電磁或電場的相互干擾。
屏蔽一般分三種：電場屏蔽，磁場屏蔽，電磁屏蔽。
　　電場屏蔽主要用來防止元器件或電路間因分布電容耦合產(chǎn)生的干擾。一般選用高電導(dǎo)率的材料如銅、鐵等金屬。電場屏蔽體必須可靠接地。
　　磁場屏蔽主要用來消除元器件或電路間因磁場寄生耦合產(chǎn)生的干擾。一般選用高磁導(dǎo)率的材料如軟鐵、坡莫合金等。
　　電磁屏蔽主要用來防止高頻電磁場的干擾，因此使用高電導(dǎo)率的材料如銅、銀等金屬是有效的，它們是利用電磁場在屏蔽金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流吸收其能量而達(dá)到屏蔽的目的。